Полупроводниковые приборы и интегральные схемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция 1

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

1.1 Электропроводность полупроводников

Действие полупроводниковых приборов основано на явлениях электропроводности в твердых телах. Согласно квантовой теории строения вещества электрон в атоме может иметь только вполне определенные (дискретные) значения энергии и орбитальной скорости, т.е. электрон может двигаться вокруг ядра только по определенным орбитам, каждой из которых соответствует строго определенная энергия (энергетический уровень). Совокупность энергетических уровней образует энергетический спектр электрона в атоме. При объединении в твердое тело n одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на n близко расположенных друг от друга энергетических уровней, образующих разрешенную энергетическую зону. Каждая такая зона характеризуется минимальным и максимальным значениями энергии W.

электропроводность полупроводник прибор электрон

Все существенные процессы в полупроводниковых приборах можно изучить, рассматривая только две верхние разрешенные энергетические зоны, так как именно они обусловливают проводимость кристалла. Проводимость возможна только тогда, когда возможен переход электрона на смежный, более высокий энергетический уровень, а это значит, что в проводимости могут участвовать только электроны тех зон, в которых есть свободные уровни энергии. Такие свободные уровни всегда имеются в самой верхней разрешенной зоне. Поэтому верхнюю разрешенную зону твердого тела называют зоной проводимости (рис. 1.1). Предпоследняя разрешенная зона называется валентной. При температуре абсолютного нуля (К) она оказывается полностью заполненной, и, следовательно, электроны этой зоны не могут участвовать в проводимости. Между этими разрешенными зонами расположена запрещенная зона.

Взаимное положение двух верхних разрешенных зон твердого тела при К лежит в основе классификации металлов, полупроводников и диэлектриков. У металлов зона проводимости и валентная зона перекрываются, т.е. запрещенная зона между ними отсутствует, поэтому даже при нулевой температуре в зоне проводимости находится значительное количество электронов, что и объясняет наличие электропроводности у металлов при температуре абсолютного нуля. У полупроводников и диэлектриков при нулевой температуре верхняя разрешенная зона пуста и проводимость отсутствует. Различие между полупроводниками и диэлектриками в основном количественное и заключается в значительно большей ширине запрещенной зоны у диэлектриков.

В полупроводнике при температуре, отличной от абсолютного нуля, некоторые электроны из верхней части валентной зоны могут перейти в зону проводимости, преодолев запрещенную зону. В результате, как зона проводимости, так и валентная зона становятся “активными” в отношении проводимости, так как в верхней разрешенной зоне теперь имеются свободные электроны, а в валентной зоне - незаполненные энергетические уровни, иначе называемые дырками. Процесс образования свободного электрона и дырки называется генерацией пар электрон-дырка. Среднее время, в течение которого электрон находится в возбужденном (т.е. свободном) состоянии, называется временем жизни электрона. Это время отсчитывается от момента генерации до момента рекомбинации электрона и дырки.

Рекомбинация электронов и дырок в полупроводнике играет решающую роль в установлении их равновесных концентраций. Непосредственная рекомбинация свободного электрона и дырки - сравнительно редкое событие. Главную роль играет рекомбинация с помощью особых центров рекомбинации, которые называются “ловушками”. Ловушки с физической точки зрения представляют собой посторонние атомы или дефекты кристаллической решетки, а с энергетической - некоторые энергетические уровни, расположенные близко к середине запрещенной зоны.

У абсолютно чистых, однородных полупроводников электропроводность невелика, т.е. полупроводники по этому свойству близки к диэлектрикам. В отличие от собственной электропроводности, присущей абсолютно чистым, однородным полупроводникам, электропроводность, обусловленная внесенными в кристаллическую решетку исходного полупроводника примесями, называется примесной. Примеси в кристалле могут вести себя двояко: они либо отдают свои электроны, либо захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая соответственно электронную или дырочную проводимость. Примеси, определяющие возникновение электронной проводимости, называются донорными, а такой примесный полупроводник - электронным полупроводником (n-типа). Если собственным полупроводником является кремний (четырехвалентный элемент), то донорными примесями могут быть мышьяк, сурьма или фосфор (пятивалентные элементы). Примеси, определяющие возникновение дырочной проводимости, называются акцепторными, а соответствующий примесный полупроводник - дырочным полупроводником (p-типа). К акцепторным примесям относятся трехвалентные элементы - бор, галлий, индий - в случае, когда собственным полупроводником является кремний. Подвижные носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает (электроны в полупроводнике n-типа или дырки в полупроводнике p-типа), называются основными носителями, а подвижные носители, составляющие меньшинство - неосновными (электроны в полупроводнике p-типа и дырки в полупроводнике n-типа).

Зонные диаграммы примесных полупроводников показаны на рис. 1.2. Донорную примесь выбирают такой, чтобы ее заполненные электронами уровни располагались в верхней половине запрещенной зоны. Свободные же уровни акцепторной примеси должны располагаться в нижней половине запрещенной зоны. Переходы электронов с донорных уровней в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторные уровни требуют сравнительно небольшой энергии, поэтому примесная проводимость оказывается гораздо больше собственной.

В теории полупроводников важную роль играет так называемый “уровень Ферми” - такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами равна 0,5. В собственных полупроводниках (т.е. полупроводниках без примесей) уровень Ферми при любой температуре расположен в середине запрещенной зоны. В примесных полупроводниках уровень Ферми находится ближе или к зоне проводимости (в электронных полупроводниках), или к валентной зоне (в дырочных полупроводниках). При увеличении температуры уровень Ферми в примесных полупроводниках смещается ближе к середине запрещенной зоны.

1.2 Нелинейные полупроводниковые резисторы

Нелинейные полупроводниковые резисторы представляют широкий класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводниковых материалов изменять свое сопротивление под действием различных внешних факторов (температуры, света, магнитного поля, механического воздействия). К нелинейным полупроводниковым резисторам относятся терморезисторы, фоторезисторы, магниторезисторы, тензорезисторы. Отличительной особенностью этого класса полупроводниковых приборов является симметричность их вольт-амперных характеристик (ВАХ, рис. 1.3).

Под действием температуры в терморезисторе происходит генерация пар электрон-дырка, в результате чего ток I через терморезистор увеличивается при неизменном внешнем напряжении U, т.е. с увеличением температуры сопротивление терморезистора уменьшается (рис. 1.4, а).

Генерация свободных электронов и дырок может происходить не только под действием фононов (квантовых частиц, которые являются носителями энергии тепловых колебаний атомов в решетке), но и под действием фотонов - квантовых частиц света. При увеличении светового потока Ф увеличивается ток I через фоторезистор, а его сопротивление R уменьшается (рис. 1.4, б).

В магниторезисторах используется эффект Гаусса, характеризующийся тем, что с увеличением напряженности магнитного поля H (магнитной индукции B) удлиняется путь электронов, в результате чего ток I через магниторезистор, расположенный в зоне действия магнитного поля, уменьшается, а его сопротивление R увеличивается (рис. 1.4,в).

В тензорезисторах относительное изменение их линейных размеров (т.е. деформация) по-разному влияет на величину сопротивления в зависимости от типа полупроводника: увеличение приводит к уменьшению сопротивления в случае полупроводника n-типа и, наоборот, - к увеличению сопротивления в случае полупроводника p-типа (рис. 1.4,г).

Одним из основных параметров нелинейных полупроводниковых резисторов является чувствительность (соответственно термочувствительность, фоточувствительность, магнитная чувствительность, тензочувствительность):

где - абсолютное изменение соответствующего параметра; - относительное изменение параметра (здесь и далее предполагается, что абсолютное приращение параметра достаточно малое, т.е. ).

Изменение температуры окружающей среды приводит к изменению сопротивления не только терморезисторов, но и других полупроводниковых резисторов, хотя, конечно, в гораздо меньшей степени (к этому, по крайней мере, стремятся разработчики таких приборов). Кроме того, при больших токах (а значит, и повышенном нагреве прибора) у всех полупроводниковых резисторов проявляется нелинейность вольт-амперных характеристик, что объясняется увеличением числа свободных электронов и дырок в результате термогенерации (на рис. 1.3 нелинейные участки ВАХ не показаны).

1.3 Электронно-дырочный переход

Работа большинства различных полупроводниковых приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между областями полупроводника с разным типом проводимости. Электронно-дырочный (n-p) переход - это граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет проводимость n-типа, а другая - p-типа.

В месте контакта полупроводников p- и n-типа подвижные носители заряда под действием градиента концентраций диффундируют из одной области полупроводника в другую (дырки из p-области в n-область, а электроны - в противоположном направлении). В результате диффузии в прилегающем к контакту слое дырочной области полупроводника образуется отрицательный пространственный заряд ионизированных атомов акцепторов, а в приконтактном слое электронной области - положительный пространственный заряд ионизированных атомов доноров. Неподвижные носители заряда - положительные и отрицательные ионы (на рис. 1.5,а они обозначены “+” и “-“) - создают электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии через p-n-переход основных носителей заряда, что приводит, в конце концов, к динамическому равновесию, когда диффузионный ток (ток основных носителей заряда) и направленный ему встречно дрейфовый ток (ток неосновных носителей заряда) становятся равными. Поскольку в p-n-переходе подвижные носители заряда - дырки Размещено на http://www.allbest.ru/

и электроны Размещено на http://www.allbest.ru/

- практически отсутствуют, сопротивление этого слоя (на рис. 1.5,а он показан пунктиром) очень велико и близко к сопротивлению диэлектрика.

С точки зрения зонной теории указанные свойства p-n-перехода можно объяснить следующим образом. Поскольку уровень Ферми в полупроводнике n-типа расположен ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p-типа - к валентной зоне и поскольку уровень Ферми () одинаков во всех частях равновесной системы, в месте контакта полупроводников с разным типом проводимости неизбежно возникает искривление зон (рис. 1.5,б), в результате чего образуется разность потенциалов (потенциальный барьер). Если электроны уподобить шарикам, а дырки - поплавкам, то зонная диаграмма позволяет образно интерпретировать действие потенциального барьера.

Рассмотрим теперь p-n-переход в неравновесном состоянии, когда к нему приложено внешнее напряжение и через него протекает ток. Чтобы к полупроводнику подключить внешний источник напряжения, необходимо организовать невыпрямляющие (омические) контакты между областями полупроводника и металлическими площадками, к которым присоединяются металлические выводы. Для этого непосредственно под металлической площадкой создается полупроводник с высокой концентрацией примеси, т.е. обогащенный слой типа или соответственно (рис. 1.6).

Если к p-области полупроводника подключить плюс источника напряжения (рис. 1.6,а), а к n-области - минус (прямое напряжение ), то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда переместятся по направлению к p-n-переходу, скомпенсировав на периферии пространственный заряд ионов, в результате чего переход сузится и уменьшится высота потенциального барьера. На зонной диаграмме уменьшение высоты потенциального барьера можно объяснить тем, что в неравновесном состоянии уровень Ферми не будет единым для разных слоев полупроводника. Поскольку потенциальный барьер уменьшится, через p-n-переход потечет прямой ток основных носителей заряда (диффузионный ток). На зонной диаграмме увеличение тока основных носителей заряда объясняется уменьшением высоты “горки” для электронов-шариков и глубины погружения для дырок-поплавков.

При обратной полярности внешнего источника напряжения ( на рис. 1.6,б) основные подвижные носители заряда будут оттянуты от p-n-перехода, в результате чего увеличится количество ионов, расширится p-n- переход и возрастет потенциальный барьер, что приведет к прекращению движения основных носителей заряда через p-n-переход. Для неосновных носителей заряда (электронов в p-области и дырок в n-области - на рис. 1.5 и 1.6 они не показаны) электрическое поле пространственного заряда (потенциальный барьер) не является препятствием (электроны-шарики легко скатываются с “горки”, а дырки-поплавки всплывают из глубины). Поэтому через p-n-переход будет протекать очень небольшой обратный ток неосновных носителей заряда (дрейфовый ток), который практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения. Ток называют тепловым током, поскольку он сильно зависит от температуры (для кремния приращение температуры на 5…7 градусов вызывает удвоение тока ).

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения (вольт-амперная характеристика) имеет следующий вид:

, (1.1)

где - температурный потенциал ( при ); k - постоянная Больцмана; q - заряд электрона.

Выражение (1.1) описывает реальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода (рис. 1.7) до напряжения пробоя , при достижении которого имеет место электрический пробой, когда наблюдается резкий рост обратного тока через p-n-переход при незначительном увеличении напряжения внешнего источника (участок 2-3 ВАХ). Если этот ток не ограничивать, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ ниже точки 3), при котором увеличение тока обусловлено термогенерацией носителей заряда, вызванной, в свою очередь, дополнительным нагревом полупроводника под действием тока этих носителей заряда. При тепловом пробое увеличение тока сопровождается падением напряжения на p-n-переходе (предполагается, что последовательно с p-n-переходом во внешней цепи включен резистор). Тепловой пробой - это необратимый процесс, который заканчивается тепловым разрушением p-n-перехода.

В отличие от теплового электрический пробой - обратимый процесс, если ток в цепи p-n-перехода ограничить на безопасном уровне, включив последовательно с ним резистор. Электрический пробой бывает двух видов: лавинный и туннельный. При лавинном пробое происходит ударная ионизация нейтральных атомов полупроводника в области p-n-перехода, когда электроны, ускоренные достаточно сильным электрическим полем, “выбивают” из нейтральных атомов новые свободные электроны, которые, в свою очередь, становятся участниками процесса “размножения” подвижных носителей заряда. В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, характеризующийся тем, что электроны из области полупроводника одного типа могут переходить в область полупроводника другого типа, не преодолевая потенциального барьера, если расстояние между зоной проводимости n-области и валентной зоной p-области небольшое.

Прямая ветвь ВАХ p-n-перехода без учета остальных областей полупроводника имеет экспоненциальный характер. Поскольку на этом участке ВАХ напряжение мало меняется при значительном изменении тока через p-n-переход, прямую ветвь характеризуют параметром - напряжением открывания p-n-перехода ( в случае кремния и в случае германия).

Размещено на Allbest.ru