Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

Институт новых информационных технологий

Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Утверждено в качестве учебного пособия

Ученым советом Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

С.Н. Гринфельд

Комсомольск-на-Амуре 2004

УДК 621.38 (07)

ББК 32.85 я7

Г 85

Гринфельд С.Н. (автор-составитель)

Г 85 Физические основы электроники: Учебное пособие. - Комсомольск-на-Амуре: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2004. - 137 с.

Рассмотрены физические процессы, устройство, характеристики и параметры основных полупроводниковых приборов - диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров. Изложены принципы работы, синтеза и простейшие методы анализа электронных усилителей; освещены вопросы схемотехники аналоговых устройств на основе операционных усилителей. Даны краткие сведения по микроэлектронике.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей заочной формы обучения с использованием дистанционных технологий.

ББК 32.85 я7

© Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2004.

© Институт новых информационных технологий Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2004.

микроэлектроника полупроводниковый транзистор тиристор

СОДЕРЖАНИЕ

• 1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
• 1.1 Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел
• 1.2 Электропроводность собственных полупроводников
• 1.3 Электропроводность примесных полупроводников
• 1.4 Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках
• 2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
• 2.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения
• 2.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении
• 2.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении
• 2.4 Вольт-амперная характеристика электронно- дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода
• 3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
• 3.1 Общие характеристики диодов
• 3.2 Виды диодов
• 4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
• 4.1 Биполярные транзисторы
• 4.1.1 Общая характеристика
• 4.1.2 Принцип действия транзистора
• 4.1.3 Схемы включения транзисторов
• 4.1.4 H-параметры транзистора
• 4.1.5 Влияние температуры на статические характеристики БТ
• 4.16 Составной транзистор
• 4.2 Полевые транзисторы
• 4.2.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
• 4.2.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором
• 5. ТИРИСТОРЫ
• 5.1 Классификация тиристоров
• 5.2 Диодные тиристоры (динисторы)
• 5.3 Триодные тиристоры
• 5.4 Симметричные тиристоры (симисторы)
• 5.5 Зависимость работы тиристора от температуры
• 6. УСИЛИТЕЛИ
• 6.1 Классификация, основные характеристики и параметры усилителей
• 6.2 Искажения в усилителях
• 6.3 Обратные связи в усилителях
• 6.3.1 Виды обратных связей
• 6.3.2 Влияние последовательной отрицательной ОС по напряжению на входное и выходное сопротивления усилителя
• 6.3.3 Влияние отрицательной ОС на нелинейные искажения и помехи
• 6.3.4 Влияние отрицательной ОС на частотные искажения
• 6.3.5 Паразитные ОС и способы их устранения
• 6.4 Усилители низкой частоты
• 6.5 Каскады предварительного усиления
• 6.5.1 Каскад с ОЭ
• 6.5.2 Стабилизация режима покоя каскада с ОЭ
• 6.5.3.Работа каскада с ОЭ по переменному току76
• 6.5.4 Каскад с ОК
• 6.5.5 Усилительный каскад на полевом транзисторе
• 6.5.6 Схема с ОС (истоковый повторитель)
• 7. УСИЛИТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
• 7.1 Определение усилителя постоянного тока. дрейф нуля
• 7.2 Однотактные усилители прямого усиления
• 7.3 Дифференциальные усилители
• 7.3.1 Схема дифференциального каскада и ее работа при подаче дифференциального и синфазного входных сигналов
• 7.3.2 Схемы включения дифференциального усилителя
• 7.3.3 Коэффициент ослабления синфазного сигнала
• 7.3.4 Разновидности дифференциальных усилителей
• 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ операционных услителей
• 8.1 Устройство операционных усилителей
• 8.2 Характеристики операционных усилителей
• 8.3 Классификация ОУ
• 8.4 Применение операционных усилителей
• 9. УСТРОЙСТВА СРАВНЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ СИГНАЛОВ
• 9.1 Компараторы
• 9.2 Мультивибратор
• 10. МИКРОЭЛЕКТРОНИКА
• 10.1 Основные определения
• 10.2 Типы Интегральных схем
• 10.2.1 Классификация ИС
• 10.2.2 Полупроводниковые ИС
• 10.2.3 Гибридные ИС
• 10.3 Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов
• ЛАБОРАТОРНые РАБОТы
• Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
• Лабораторная работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОКАСКАДНОГО УСИЛИТЕЛЯ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ125
• Лабораторная работа 3. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УСИЛИТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
• КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
• Задание
• ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЙ
• Последовательность расчета усилителя
• Последовательность Расчета усилителя в области низких частот
• ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ
• ЛИТЕРАТУРА

1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1 Строение и энергетические свойства кристаллов твердых тел

По способности проводить электрический ток все твердотельные материалы принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики. К проводникам относят материалы с проводимостью у > 10⁶ Ом^-1см^-1; к ним относятся металлы, в которых высокая проводимость обеспечивается высокой концентрацией электронов проводимости. В диэлектриках при комнатной температуре электронов очень мало, и их проводимость мала у < 10^-10 Ом^-1см^-1. В промежуточную группу попадают полупроводники, которые могут иметь концентрацию электронов, близкую к нулю (тогда они являются диэлектриками) и близкую к концентрации электронов в металле (тогда они являются проводниками).

Металлы и полупроводники помимо того, что они имеют разную электропроводность, отличаются также и зависимостью электропроводности от температуры. В металлах электропроводность с повышением температуры, как правило, падает почти по линейному закону. В полупроводниках, в которых отсутствуют дефекты и примеси (их принято называть собственными) с ростом температуры проводимость растет примерно по экспоненциальному закону:

Чтобы рассмотреть структуру и энергетические свойства кристаллических твердых тел, к которым относятся кремний и германий (полупроводники, получившие наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых приборов), следует сначала обратиться к энергетическим свойствам отдельного атома.

Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны, создавая электронную оболочку. Суммарный отрицательный заряд электронов уравновешивает положительный заряд ядра, так что в нормальном состоянии атом электрически нейтрален. Согласно квантовой теории, электроны атома могут обладать только строго определенными значениями энергии, именуемыми разрешенными. Эти значения энергии называют энергетическими уровнями. Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. Двигаясь вокруг ядра по определенным орбитам, электроны удалены от ядра на разные расстояния и, соответственно, обладают разной по величине энергией: чем дальше от ядра, тем больше энергия электрона и тем слабее он связан с ядром.

Электроны наружного слоя электронной оболочки называют валентными. Они обладают наибольшей энергией и слабее всего связаны с ядром. Графически энергетический спектр электронов в отдельном атоме можно представить в виде энергетической диаграммы. Пример такой диаграммы представлен на рис. 1.1, а. По вертикали отложены значения энергии, а соответствующие энергетические уровни показаны горизонтальными линиями. В соответствии с принципом Паули на одном энергетическом уровне могут находиться одновременно не более двух электронов, имеющих разные направления вращения вокруг своей оси (противоположные спины).

Если атом находится в нормальном состоянии и не поглощает извне энергию, то все нижние разрешенные энергетические уровни заняты электронами; переход электрона с одного уровня на другой невозможен. Более высокие разрешенные уровни остаются не занятыми электронами и называются свободными. Переход электрона на более высокий свободный энергетический уровень, т.е. на более удаленную от ядра орбиту, возможен лишь при поглощении им извне строго определенной порции (кванта) энергии (тепловой, световой, электрической, магнитной), равной разности значений энергии свободного и занятого этим электроном уровней. В этом случае атом переходит в возбужденное состояние.

Возбужденное состояние атома очень неустойчиво. Оно длится всего стомиллионную долю секунды, и атом возвращается в нормальное состояние, что сопровождается переходом электрона обратно на свой прежний энергетический уровень. Переход атома из возбужденного в нормальное состояние сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта электромагнитных излучений.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Если электрон получит достаточный квант энергии, он отрывается от атома, происходит ионизация атома: он расщепляется на свободный электрон и положительный ион. Обратный процесс - соединение свободного электрона и положительного иона в нейтральный атом - носит название рекомбинации и сопровождается выделением избытка энергии в виде кванта излучения. Выделяемая энергия равна энергии, затраченной ранее на ионизацию атома.

При образовании кристаллов твердого тела возникает взаимодействие между атомами, в результате которого разрешенные уровни энергии отдельных атомов расщепляются на N подуровней, образуя энергетические зоны (рис.1.1, б). При этом, как и в отдельном атоме, на одном энергетическом уровне не может быть более двух электронов с противоположными спинами (сохраняется принцип Паули). Поскольку количество подуровней (N) велико (в 1 см³ твердого тела находится около 10²² - 10²³ атомов), то энергетическое расстояние между подуровнями весьма мало, и электрон способен перемещаться с подуровня на подуровень от дна зоны к потолку даже при небольших внешних энергетических воздействиях, т.е. он ведет себя, как свободный. Это, однако, справедливо только в том случае, если верхние энергетические уровни в зоне не заняты, т.е. зона заполнена не полностью.

Уровни энергии отдельного атома, занятые электронами при температуре абсолютного нуля (Т = 0 К), образуют в кристалле заполненные зоны, верхняя из которых, занятая валентными электронами, называется валентной зоной.

Разрешенные более высокие уровни энергии атома, не занятые электронами при

Т = 0 К, образуют в кристалле свободные зоны. Ближайшую к валентной зоне свободную зону называют зоной проводимости, так как попавшие туда электроны могут перемещаться между атомами и создавать электрический ток. Электроны, находящиеся в заполненной зоне, перемещаться под действием поля (и соответственно набирать энергию) не могут, поскольку все энергетические уровни заняты, а согласно принципу Паули электрон не может переходить с занятого состояния на занятое. Поэтому электроны полностью заполненной валентной зоны не участвуют в создании электропроводности.

Между зоной проводимости и валентной зоной находится запрещенная зона E_g (она измеряется в электрон-вольтах (эВ)), в которой согласно законам квантовой механики электроны находиться не могут (подобно тому, как электроны в атоме не могут иметь энергии не соответствующие энергиям электронных оболочек). Ширина запрещенной зоны является основным параметром, определяющим электрические свойства твердого тела

По характеру заполнения зон электронами все тела можно разделить на две большие группы:

· к первой группе относят тела, у которых над целиком заполненными зонами расположена зона, заполненная лишь частично (рис. 1.2, а). Такая зона возникает в том случае, когда атомный уровень, из которого она образуется, заполнен в атоме не полностью. Наличие зоны, заполненной лишь частично, присуще металлам. У металлов запрещенная зона отсутствует;

· ко второй группе относят тела, у которых над целиком заполненными зонами расположены свободные зоны (рис. 1.2, б, в). Типичным примером таких тел являются химические элементы IV группы таблицы Менделеева: углерод в модификации алмаза, кремний, германий и серое олово, имеющее структуру алмаза. К этой же группе тел относятся многие химические соединения - оксиды металлов, нитриды, карбиды, галогениды щелочных металлов и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

По ширине запрещенной зоны тела второй группы условно делят на диэлектрики и полупроводники. К диэлектрикам относят тела, имеющие относительно широкую запрещенную зону. У типичных диэлектриков Е_g > 3 эВ. Так, у алмаза E_g = 5,2 эВ; у нитрида бора E_g = 4,6 эВ; у А1₂О₃ E_g = 7 эВ и т.д.

К полупроводникам относят тела, имеющие сравнительно узкую запрещенную зону (рис. 1.2, б). У типичных полупроводников E_g ? 1 эВ, например:

· у германия Е_g= 0,72 эВ;

· у кремния E_g = 1,12 эВ;

· у антимонида индия E_g = 0,17 эВ;

· у арсенида галлия E_g = 1,43 эВ и т.д.

Энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков при

T = 0 К представлены на рис. 1.2. На этих диаграммах валентная зона, заполненная электронами, показана более толстыми сплошными линиями, а зона проводимости, в которой при этих условиях нет электронов, - тонкими линиями.

1.2 Электропроводность собственных полупроводников

Химически чистые полупроводники называют собственными полупроводниками. К ним относят ряд чистых химических элементов (германий, кремний, селен, теллур и др.) и многие химические соединения, такие, например, как арсенид галлия (GaAs), арсенид индия (InAs), антимонид индия (InSb), карбид кремния (SiC) и т.д. Полупроводники имеют кристаллическую решетку типа алмаза, которая состоит из множества одинаковых тетраэдров

При образовании кристалла полупроводника каждый атом, находясь в узле кристаллической решетки, создает связи с четырьмя соседними атомами. Каждая связь образуется парой валентных электронов (одним - от данного атома и другим - от соседнего) и называется ковалентной. Оба электрона ковалентной связи в кристалле вращаются по орбите, охватывающей оба атома. Электроны связывают атомы и удерживаются в этой связи силами притяжения к ядрам этих атомов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При отсутствии примесей и температуре абсолютного нуля Т = 0 К в кристалле полупроводника все валентные электроны находятся в ковалентных связях атомов, так что свободных электронов нет. В этом случае кристалл не может проводить электрический ток и является идеальным диэлектриком.

При температуре выше абсолютного нуля атомы кристалла под воздействием тепловой энергии совершают колебания около узлов кристаллической решетки. Амплитуда этих колебаний тем больше, чем выше температура кристалла. Те электроны ковалентных связей, которые получают тепловую энергию, равную ширине запрещенной зоны или превышающую её, отрываются и уходят из связей. Они становятся свободными (рис. 1.4, а) и могут перемещаться внутри кристалла, создавая электрический ток. Свободный электрон является подвижным носителем отрицательного заряда. При этом ему будет соответствовать энергетическое состояние, которое находится в зоне проводимости.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На месте, откуда ушел электрон, условие электронейтральности нарушается, и возникает положительно заряженная вакансия электрона, которую принято называть дыркой (положительный заряд обусловлен не скомпенсированным зарядом ядра). Этой положительно заряженной дырке на энергетической диаграмме соответствует свободное энергетическое состояние, образовавшееся в валентной зоне после ухода электрона (у потолка валентной зоны). У электронов валентной зоны появилась возможность занять это состояние, при этом, по мере того как валентные электроны занимают соответствующее дырке вакантное состояние, дырка в энергетической зоне перемещается от потолка валентной зоны к ее дну.

В координатном пространстве рассмотренному процессу соответствует переход на место дырки электрона из соседней ковалентной связи (при этом дырка оказывается в другом месте). Перемещение положительно заряженной дырки сопровождается возникновением тока. Таким образом, в кристалле помимо электронов в переносе заряда могут участвовать положительно заряженные дырки (см. рис. 1.4), т.е. дырку можно рассматривать как частицу, являющуюся подвижным носителем положительного заряда. Направление движения дырки в электрическом поле противоположно направлению движения электрона.

Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки - по ковалентным связям, поэтому подвижность отрицательных носителей заряда больше, чем положительных.

Процесс образования пары «свободный электрон - дырка» называют генерацией пары носителей заряда. Для совершенного, не имеющего примесей и дефектов, кристалла концентрация электронов (n_i) будет равна концентрации дырок (p_i). Это собственная концентрация носителей заряда: n_i = p_i. Индекс i означает концентрацию носителей для собственного полупроводника (intrinsic - собственный).

Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры кристалла и ширины запрещенной зоны: концентрация носителей заряда возрастает с повышением температуры и уменьшением ширины запрещенной зоны. Следовательно, удельная электрическая проводимость полупроводника, пропорциональная концентрации носителей заряда, также увеличивается с повышением температуры, а ее значение больше в полупроводниках с меньшим значением ширины запрещающей зоны (ДW_з).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Свободный электрон, совершая хаотическое движение, может заполнить дырку в ковалентной связи. Тогда разорванная ковалентная связь восстанавливается, а пара носителей заряда (электрон и дырка) исчезает, т.е. происходит рекомбинация носителей заряда противоположных знаков. Этот процесс сопровождается выделением избыточной энергии в виде тепла или света. На энергетической диаграмме (рис. 1.5) рекомбинация соответствует переходу электрона из зоны проводимости на вакантный уровень в валентной зоне.

Оба процесса - генерация пар носителей заряда и их рекомбинация - в любом объеме полупроводника происходят одновременно. Соответствующая концентрация носителей заряда устанавливается из условия динамического равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заряда равно числу рекомбинирующих. Промежуток времени между моментом генерации носителя заряда и его рекомбинацией называют временем жизни свободного электрона или дырки, а пройденное носителем заряда за время жизни расстояние - длиной свободного пробега. Учитывая, что время жизни отдельных носителей заряда различно, под этими терминами понимают среднее время жизни и среднюю длину свободного пробега.

Подвижные носители заряда обусловливают электропроводность полупроводника. При отсутствии электрического поля носители заряда движутся хаотически. Под действием электрического поля электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом движении, смещаются вдоль поля: электроны - в сторону положительного потенциала, дырки - в сторону отрицательного. Направленное движение обоих видов носителей заряда создает электрический ток в кристалле, который имеет две составляющие - электронную и дырочную.

Электропроводность полупроводника, обусловленную равным количеством электронов и дырок, появляющихся вследствие разрушения ковалентных связей, называют собственной электропроводностью.

1.3 Электропроводность примесных полупроводников

Химически чистые полупроводники используют в полупроводниковой технике в основном в качестве исходного материала, на базе которого получают примесные полупроводники. За счет введения примеси можно значительно улучшить электропроводность полупроводника, создав в нем существенное преобладание одного какого-либо типа подвижных носителей заряда - дырок или электронов. В зависимости от валентности атомов примеси получают полупроводники с преобладанием либо электронной, либо дырочной электропроводности. Сочетание областей с разным типом электропроводности позволяет придать полупроводниковым приборам различные свойства. Примесь вводится в очень малом количестве: один атом примеси на 10^{6 -} 10⁸ атомов исходного полупроводника. При этом атомная кристаллическая решетка не нарушается.

При введении в четырехвалентный полупроводник, например кристалл кремния или германия, примеси пятивалентного химического элемента (мышьяка, сурьмы, фосфора) атомы примеси замещают атомы исходного вещества в некоторых узлах кристаллической решетки (рис. 1.6, а). Четыре валентных электрона атома примеси создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами исходного полупроводника, а пятый электрон, не занятый в связи, оказывается избыточным и легко отрывается от атома. На его отрыв требуется затратить существенно меньшую энергию, чем на разрыв ковалентной связи, так что уже при комнатной температуре избыточные электроны атомов примеси становятся свободными.

Атом примеси, потерявший один электрон, превращается в неподвижный положительный ион, связанный в узле кристаллической решетки, т.е. происходит ионизация атомов примеси. Положительный заряд иона примеси компенсируется отрицательным зарядом свободного электрона, и слой полупроводника с примесью остается электрически нейтральным, если свободный электрон не уходит из этого слоя. В случае ухода электрона в другие слои полупроводникового кристалла неподвижные заряды ионов примеси образуют нескомпенсированный положительный объемный заряд.

Примесь, атомы которой отдают электроны, называют донорной, При введении донорной примеси концентрация электронов в кристалле резко возрастает. Она определяется в основном концентрацией атомов примеси. Одновременно происходит генерация пар «электрон - дырка», но количество электронов, возникающих при этом, значительно меньше, чем количество электронов, отдаваемых донорами. Поэтому концентрация электронов становится значительно выше концентрации дырок:

n_n >> p_n.

Электрический ток в таком полупроводнике создается в основном электронами, т.е. преобладает электронная составляющая тока. Полупроводник, обладающий преимущественно электронной электропроводностью, называют полупроводником n-типа. В таком полупроводнике электроны являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.1.6. Появление свободного электрона при введении донорной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника n-типа (б)

Поскольку содержание примесей невелико, атомы примеси можно рассматривать, как отдельные, не взаимодействующие друг с другом. Тогда их энергетические уровни соответствуют уровням отдельного атома и не расщепляются в кристалле на зоны. Такие местные уровни называют локальными.

На энергетической диаграмме полупроводника n-типа (рис. 1.6, б) введение донорной примеси отражается появлением в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости близко друг от друга расположенных локальных уровней энергии, занятых избыточными валентными электронами атомов доноров при температуре абсолютного нуля. Число этих локальных уровней энергии равно числу атомов примеси в кристалле. На рисунке эти уровни показаны штрихами.

Ширина зоны ?W_д равна разности между энергией нижнего уровня зоны проводимости и локального валентного уровня донора в запрещенной зоне. Она очень мала и составляет 0,01 - 0,07 эВ в зависимости от выбранного полупроводника и материала примеси. Этим объясняется то, что при комнатной температуре почти все электроны с локальных донорных уровней переходят в зону проводимости и могут участвовать в создании электрического тока.

При введении в кристалл кремния или германия примеси трехвалентного химического элемента (например, индия, алюминия, бора или галлия) атом примеси, войдя в узел кристаллической решетки, образует своими тремя валентными электронами только три ковалентные связи с соседними атомами четырехвалентного полупроводника (рис. 1.7, а). Для четвертой связи у него не хватает одного электрона; она оказывается незаполненной, т.е. создается дырка. Для заполнения этой связи атом примеси может захватить электрон из ковалёнтной связи соседнего атома, так как требуемая для перехода электрона энергия в этом случае невелика. В результате присоединения лишнего валентного электрона атом примеси превращается в неподвижный отрицательный ион, а в соседней ковалентной связи, откуда этот электрон ушел, появляется дырка.

Положительный заряд дырки компенсирует отрицательный заряд иона примеси, и слой кристалла остается электрически нейтральным. В случае прихода в данный слой электрона из другого слоя и рекомбинации его с дыркой неподвижные заряды ионов примеси создают нескомпенсированный отрицательный объемный заряд.

Примесь, атомы которой захватывают электроны соседних атомов, называют акцепторной. Введение акцепторной примеси приводит к образованию избыточного числа дырок, концентрация которых значительно превышает концентрацию электронов, возникающих вследствие разрушения ковалентных связей полупроводника:

р_p > n_p.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.7. Появление дырки при введении акцепторной примеси (а) и энергетическая диаграмма полупроводника р-типа (б)

В электрическом токе, возникающем в таком полупроводнике, преобладает дырочная составляющая. Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводности называют полупроводником р-типа. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.

Энергетическая диаграмма полупроводника р-типа представлена на рис. 1.7, б. Локальные уровни энергии атомов акцепторной примеси (показаны штрихами) расположены в запрещенной зоне вблизи валентной зоны исходного полупроводника. Все эти уровни свободны при температуре абсолютного нуля, а число их соответствует количеству атомов примеси в кристалле. Величина энергии ?W_д равна разности между энергией акцепторного уровня и верхнего уровня валентной зоны. Она, как и величина ?W_д для полупроводников n-типа, мала и составляет 0,01 - 0,07 эВ в зависимости от материала исходного полупроводника и примеси. Поэтому при комнатной температуре все акцепторные уровни энергии оказываются занятыми электронами, которые переходят на них из валентной зоны. В результате в валентной зоне появляется большое количество вакантных уровней - дырок.

Таким образом, в примесных полупроводниках основные носители заряда появляются главным образом за счет атомов примеси, а неосновные - за счет разрушения ковалентных связей и вызванной этим генерации пар носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда превышает на два-три порядка концентрацию неосновных носителей. При этом удельная электрическая проводимость примесного полупроводника превышает удельную проводимость собственного полупроводника в сотни тысяч раз.

Кроме кремния и германия в качестве исходных полупроводниковых материалов в промышленности применяют арсенид галлия, селен, оксиды, карбиды и другие химические соединения элементов III и V групп, а также II и VI групп периодической системы Менделеева.

1.4 Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носителей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия). Если электрическое поле отсутствует, и носители заряда имеют в кристалле равномерную концентрацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле. Движение носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки - к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заряда, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрейфом, а вызванный этим движением ток - дрейфовым током. При этом характер тока может быть электронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным перемещением дырок.

Средняя скорость носителей заряда в электрическом поле прямо пропорциональна напряженности электрического поля:

н = м E

Коэффициент пропорциональности называют подвижностью электронов (_n), или дырок (_p). Свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки - по ковалентным связям, поэтому средняя скорость, а следовательно, и подвижность электронов больше, чем дырок. У кремния подвижность носителей заряда меньше, чем у германия.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа - дырками, а в полупроводниках n-типа - электронами.

При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т.е. движутся в направлении уменьшения их концентрации.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, - диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т.е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

2.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход, - это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна - n-типа, другая - р-типа). Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n⁺-переход) и дырочно-дырочный (р-р⁺-переход). Знак «плюс» относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую - акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 2.1, а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: а - двухслойная р-n-структура полупроводника; б - распределение концентраций носителей заряда; в - распределение неподвижных объемных зарядов доноров (+) и акцепторов (-); г - потенциальный барьер в p-n-переходе

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми:

p_p = n_n,

где p_p - концентрация дырок в р-области; n_n - концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричным

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:

p_n << n_n иn_p << p_p,

где p_n - концентрация дырок в n-области; n_p - концентрация электронов в р-области.

Из распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре (рис. 2.1, 6) видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой - неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны - из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере продвижения дырок вглубь их концентрация уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация электронов уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p- и n-областей создает ток диффузии в p-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I_диф = I_{p диф} + I_{n диф}.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси:

· уход электронов - положительный заряд ионов доноров в n-области;

· уход дырок - отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 2.1, а, в).

Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в p-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (), измеряемой в электрон-вольтах (рис. 2.1, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где «выступили» неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно p-n-переход. Из него уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем или областью пространственного заряда (ОПЗ). Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через p-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в p-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I_др = I_рдр + I_nдр.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока (I_т), поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому:

I_диф = I_др,

т.е. ток через p-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера ₀.

Установившаяся высота потенциального барьера (₀) в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U_к) в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы:

₀ = U_к.

Величина ₀ зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается, с увеличением концентрации примеси и ширины запрещенной зоны потенциальный барьер возрастает.

В состоянии равновесия p-n переход характеризуется также шириной (l₀).

Рассмотренный симметричный p-n-переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей. В этом случае p-n-переход называют несимметричным.

В несимметричном p-n-переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой. В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два-три, порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.

2.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

При подаче на p-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области (рис. 2.2, а), а минусом к n-области, называют прямым напряжением (U_пр). Напряжение U_пр почти полностью падает на p-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения (U_nр) противоположна полярности контактной разности потенциалов (U_к), поэтому электрическое поле, созданное на p-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на p-n-переходе (рис. 2.2, б):

= U_{к -} U_nр.

Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и p-областях основные носители заряда диффундируют через p-n-переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через p-n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к p-n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая, таким образом, ширину (l) обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления p-n-перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока U_nр < U_к, еще существует потенциальный барьер. Обедненный носителями заряда слой p-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до U_к = U_nр потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя p-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через p-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током (I_пр), который с увеличением прямого напряжения растет.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а - схема включения; б - потенциальный барьер

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией. В симметричном p-n-переходе инжекции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область по интенсивности одинаковы.

Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в n-область дырки компенсируются электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у p-n перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.

Движение основных носителей заряда через p-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из n-области к p-n-переходу и далее в р-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в р-области, ушедших к p-n-переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектированные из р-области в n-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи p-n-перехода, а дрейф - вдали от него, внутри соответствующей области. На определенном расстоянии от p-n-перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т.е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда в сторону от p-n-перехода внутрь области создает тепловой ток (I_т). Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока (I_пр), и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда - дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

Мы рассмотрели процессы в симметричном p-n-переходе. В используемых на практике несимметричных p-n-переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если концентрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n-области (p_p >> n_n), то диффузия дырок в n-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в р-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в n-область, а диффузионный ток через p-n-переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляющей. Таким образом, в несимметричном p-n-переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.

При несимметричном p-n-переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, - базой.

2.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением (U_обр) называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом - к р-области (рис. 2.3, а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 2.3, б):

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении: а - схема включения; б - потенциальный барьер

= U_к + U_обр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении U_обр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяется слой, обедненный носителями заряда, и расширяется p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки - из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал.

Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током (I_обр)..Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током (I_обр = I_т), который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентраций в данной области около границы p-n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к p-n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу создает электрический ток в объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.

2.4 Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода. Пробой и емкость p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

,

где I₀ - тепловой обратный ток p-n-перехода; U_д - напряжение на p-n-переходе; _т = k T/ q - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов (_к) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, _т = 0,025 В); k - постоянная Больцмана; T - абсолютная температура; q -заряд электрона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.4. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода и влияние температуры на прямой и обратный токи

При отрицательных напряжениях порядка 0,1...0,2 В экспоненциальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е⁴ 0,02), при положительных напряжениях, превышающих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е⁴ 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изменению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода характерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I₀), а с дальнейшим увеличением U_обр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (U_{обр.проб}) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

...