Полупроводники

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Электроника - это отрасль науки и техники, изучающая:

1) физические явления в электронных приборах;

2) электрические характеристики и параметры электронных приборов;

3) свойства устройств и систем, основанных на применении электронных приборов.

Главными свойствами, обуславливающими широкое применение электронных устройств, является высокая чувствительность, большое быстродействие и универсальность.

Развитие электроники характеризуется постоянным увеличением сложности электронных устройств. Принято считать, что сложность электронной аппаратуры каждые пять лет возрастает примерно в 10 раз.

В 30-40-е годы в устройствах стали применять огромное количество электронных ламп. Однако выяснилось, что их возможности ограничены: каждая электронная лампа имеет небольшой срок службы, значительные габариты и массу и потребляет при этом большую энергию.

Недостатки электронных ламп при одновременном непрерывном усложнении электронных устройств заставили специалистов разрабатывать электронные приборы с другим принципом действия, которые могли бы заменить по своим функциональным возможностям электронные лампы. Ими оказались полупроводниковые приборы.

Применение полупроводниковых приборов в электронике, вычислительной технике, автоматике, энергетике приобрело массовый характер, что определялось их большими достоинствами: высоким КПД, долговечностью, надежностью, небольшими габаритами, массой и т.д.

Затем широкое развитие получили полупроводниковые интегральные микросхемы. Важной особенностью микроэлектроники является разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы: микрорезисторов, диодов, транзисторов. Это приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению потребления энергии.

Сейчас в электронике все больше и больше развивают мысль применения наноматериалов (нанорезисторов, нанотранзисторов). Переход к данным материалам приведет к увеличению быстродействия электронных устройств и систем.

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, ОБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА р-п-ПЕРЕХОДА

электропроводность полупроводник диод

В основе промышленной электроники лежит применение полупроводниковых приборов.

Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах 10-3 - 104 Ом?см и занимающие по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Количество известных в настоящее время полупроводниковых материалов довольно велико. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества - германий, кремний, селен - и сложные полупроводниковые материалы - арсенид галлия, фосфид галлия и т.д.

Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности - электронной при преобладании свободных электронов или дырочной при преобладании дырок - в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы - легированными.

В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева. Легирующие элементы III группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы V группы - электронную электропроводность и называются донорными примесями.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для кратности называют р-п-переходом.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную электропроводность.

Рис. 1.1. Образование р-п-перехода

Рассмотрим схематически образование р-п-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 1.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1.1,а).

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника п-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением, - так называемый запирающий слой (рис. 1.1,б).

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) цк на границе полупроводников. Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в полупроводник п-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа, точно так же как дырки из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа. Таким образом, потенциальный барьер препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-п-переход неосновных носителей заряда (дрейфовый ток Iдр) происходит снижение контактной разности потенциалов цк, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленной контактной разностью потенциалов. Появляется диффузионный ток Iдиф, который направлен навстречу дрейфовому току Iдр, т.е. возникает динамическое равновесие, при котором Iдр=Iдиф.

Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле: а - к р-п-переходу приложено обратное напряжение; б - к р-п-переходу приложено прямое напряжение

Если к р-п-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Евн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Езап (рис. 1.2,а), то это приведет к расширению запирающего слоя, т.к. отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны). При этом сопротивление р-п-перехода велико, ток через него мал - он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным, а р-п-переход - закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения (рис. 1.2,б) внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении 0,3 - 0,5 В запирающий слой исчезает. Сопротивление р-п-перехода резко снижается, и возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым, а переход - открытым.

Зависимость тока через р-п-переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

На рис. 1.3 показана полная ВАХ открытого и закрытого р-п-переходов. Эта характеристика является существенно нелинейной. На участке 1 Евн<Езап и прямой ток мал. На участке 2 Евн>Езап, запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом ВАХ в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к р-п-переходу. На участке 4 происходит пробой р-п-перехода и обратный ток быстро возрастает. Это связано с тем, что при движении через р-п-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда - электронов и дырок, - что приводит к резкому увеличению обратного тока через р-п-переход при почти неизменном обратном напряжении.

В то же время может возникать электрический пробой р-п-перехода, когда при достижении критической напряженности электрического поля в р-п-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон-дырка, и существенно возрастает обратный ток перехода.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства р-п-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на р-п-переходе. Электрический пробой используется в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура р-п-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву р-п-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает р-п-переход.

Закрытый р-п-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. При увеличении обратного напряжения ширина р-п-перехода возрастает и емкость С р-п-перехода уменьшается.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Выпрямительный полупроводниковый диод - полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Благодаря большой площади перехода прямой ток таких диодов составляет от единиц до тысяч ампер. Обычно к диоду прикладывается прямое напряжение не более 1 В, при том плотность тока в полупроводнике достигает 1 - 10 А/мм2, что вызывает некоторое повышение температуры полупроводника. Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т.д.

Рис. 1.4. Вольт-амперные характеристики полупроводникового диода средней мощности

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток (рис. 1.4), обусловленный движением неосновных носителей заряда через р-п-переход. При повышении температуры р-п-перехода количество неосновных носителей заряда увеличивается, поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду большого обратного напряжения может произойти лавинный пробой р-п-перехода, обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает разогрев диода, дальнейший рост тока и, как следствие, тепловой пробой и разрушение р-п-перехода.

Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно; для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно. Для последовательного и параллельного включений подходящими являются диоды с идентичными характеристиками.

Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения.

Рис. 1.5. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

ВАХ стабилитрона приведена на рис. 1.5. В области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации Iст. Такую характеристику стабилитрона используют для получения стабильного напряжения.

Напряжение стабилизации стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р-п-перехода. Участок стабилизации расположен на характеристике стабилитрона от Iст min до Iст mах; Iст min=1-10 мА, Iст mах=50-2000 мА. Значение Iст min ограничено нелинейным участком характеристики стабилитрона, значение Iст mах - допустимой температурой полупроводника.

Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов:

Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, т.к. из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном стабилитроне, имеющем наименьшее напряжение стабилизации.

Туннельный диод - полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью (кривая 1 на рис. 1.6).

Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика туннельного (1) и обращенного (2) диодов

Основными параметрами туннельного диода являются ток пика Iп (рис. 2.3, кривая 1) и отношение тока пика к току впадины . Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных (ВЧ) колебаний и импульсных переключателях.

Обращенный диод - диод, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении.

Обращенные диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика Iп=0 (рис. 1.6, кривая 2). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение , то ток диода . В то же время даже при небольшом обратном напряжении обратный ток достигает нескольких миллиампер. Таким образом, обращенные диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильным свойством не обладают.

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости р-п-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис. 1.7.

Рис. 1.7. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения

Основными параметрами варикапа являются общая емкость Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uобр=2-5 В, и коэффициент перекрытия по емкости . Для большинства варикапов С=10-500 пФ и Кс=5-20.

Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды. В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями зарядами (электронами или дырками) в запирающемся слое р-п-перехода.

В фотодиоде в результате освещения р-п-перехода повышается обратный ток. В полупроводниковом фотоэлементе при освещении р-п-перехода возникает обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в зоне р-п-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Размещено на Allbest.ru