 |
РУБРИКИ |
Физические основы электроники |
РЕКОМЕНДУЕМ |
||
|
Физические основы электроникиФизические основы электроникиМинистерство Российской Федерации по связи и информатизации Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики В.Л. Савиных ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие для специальностей 071 700, 200 700, 200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400 Новосибирск 2003 УДК 621.385 Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики, параметры и простейшие схемы применения полупроводниковых электронных приборов. ктн, доц. В.Л. Савиных, Для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 071700, 200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400. Кафедра технической электроники. Ил. 8, табл. 11, список лит. 4 назв. Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А. Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия @ Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2003 г. Содержание Введение……………………………………………………… 1 Основы теории электропроводности полупроводников....... 1 Общие сведения о полупроводниках.................................... 1 Полупроводники с собственной проводимостью.............. 2 Полупроводники с электронной проводимостью............. 3 Полупроводники с дырочной проводимостью.................. 2 Токи в полупроводниках .................................................... 1 Дрейфовый ток.................................................................. . 2 Диффузионный ток........................................................... 3 Контактные явления........................................................... 1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия 2 Прямое включение p-n перехода...................................... 3 Обратное включение p-n перехода................................. 1 Теоретическая характеристика p-n перехода........................... 4 Реальная характеристика p-n перехода............................ 5 Ёмкости p-n перехода...................................................... 4 Разновидности p-n переходов.......................................... 1 Гетеропереходы....................................................... .... 2 Контакт между полупроводниками одного типа проводимости 3 Контакт металла с полупроводником.......................................... 4 Омические контакты............................................................ ....... 5 Явления на поверхности полупроводника.............................. 2 Полупроводниковые диоды..................................................... 1 Классификация....................................................... ................ 2 Выпрямительные диоды....................................................... 3 Стабилитроны и стабисторы................................................. 4 Универсальные и импульсные диоды................................... 5 Варикапы............................................................ .................. 3 Биполярные транзисторы........................................................... 3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы..... 1 Общие сведения............................................................ .................. 2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном транзисторе 2 Статические характеристики биполярных транзисторов......... 1 Схема с общей базой............................................................... 2 Схема с общим эмиттером........................................................ 3 Влияние температуры на статические характеристики БТ..... 3 Дифференциальные параметры биполярного транзистора.................. 3 Линейная (малосигнальная) модель биполярного транзистора...... 4 Частотные свойства биполярного транзистора................................... 5 Способы улучшения частотных свойств биполярных транзисторов. 6 Работа транзистора в усилительном режиме...................................... 7 Особенности работы транзистора в импульсном режиме.................. 1 Работа транзистора в режиме усиления импульсов малой амплитуды........................................................... ................................... 2 Работа транзистора в режиме переключения................................. 3 Переходные процессы при переключении транзистора.............. 4 Полевые транзисторы........................................................... ... 1 Полевой транзистор с p-n переходом........................................ 2 Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-ранзистор)... Литература............................................................ .................................. ВВЕДЕНИЕ Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупровод-ников, контактным явлениям между полупроводниками различной прово-димости и между полупроводником и металлом. Рассматриваются принципы работы, характеристики и параметры полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых транзисторов различной структуры. Для освоения дисциплины (Физические основы электроники( достаточно
знаний по общеобразовательным и общетехническим предметам в объёме,
предусмотренном учебными программами. После изучения данной дисциплины
студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного
освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения
различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором
электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре. Однако в учебном пособии отсутствуют сведения о большой и постоянно обновляемой номенклатуре электронных приборов. Необходимый материал по этим вопросам можно найти в справочниках, каталогах и других изданиях. 1 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1.1.1 Полупроводники с собственной электропроводностью К полупроводникам относятся вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Отличительным признаком полупроводников является сильная зависимость их электропроводности от температуры, концентрации примесей, воздействия светового и ионизирующего излучений. В создании электрического тока могут принимать участие только
подвижные носители электрических зарядов. Поэтому электропроводность
вещества тем больше, чем больше в единице объема этого вещества находится
подвижных носителей электрических зарядов. В металлах практически все
валентные электроны (являющиеся носителями элементарного отрицательного
заряда) свободны, что и обусловливает их высокую электропроводность. Характерной особенностью полупроводников является ярко выраженная температурная зависимость удельного электрического сопротивления. С повышением температуры оно, как правило, уменьшается на 5...6% на градус, в то время как у металлов удельное электрическое сопротивление с повышением температуры растет на десятые доли процента на градус. Удельное сопротивление полупроводника также резко уменьшается при введении в него незначительного количества примеси. Большинство применяемых в настоящее время полупроводников относится к
кристаллическим телам, атомы которых образуют пространственную решетку. Каждой орбите соответствует своя энергия электрона. Электрон в атоме обладает только некоторыми, вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных энергетических уровней атома. В процессе образования кристаллической решетки между атомами возникает сильное взаимодействие, приводящее к расщеплению энергетических уровней, занимаемых электронами атомов (рисунок 1.1). Совокупность этих уровней называют энергетической зоной. Число подуровней в каждой зоне определяется числом взаимодействующих атомов. Разрешенные энергетические зоны 1, 3 отделены друг от друга
запрещенной зоной 2. Запрещенная зона объединяет уровни энергий, которые не
могут принимать электроны атомов данного вещества. Поскольку ширина
разрешенных зон в твердом теле не превосходит несколько электрон-вольт Верхняя разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры
все энергетические уровни заняты, называется заполненной или валентной
зоной (на рисунке 1.1. это зона 3). Разрешенная зона, в которой при Т = 0( Ширина запрещенной зоны (зона 2 на рисунке 1.1) является важным параметром, определяющим свойства твердого тела. Вещества, у которых ширина запрещенной зоны (W ( 3 эВ, относятся к полупроводникам, а при (W > 3 эВ - к диэлектрикам. У металлов запрещенная зона отсутствует. В полупроводниковой электронике широкое применение получили германий
кружками с цифрой 4 обозначены атомы без валентных электронов, называемые
атомным остатком с результирующим зарядом +4q (q - заряд электрона, равный [pic] Рисунок 1.2. Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с собственной электропроводностью. Разрыв ковалентной связи на энергетической диаграмме характеризуется
появлением в валентной зоне свободного энергетического уровня (см. рис. [pic] [pic] (1.1) где Wф - уровень Ферми, соответствующий уровню энергии, формальная
вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень [pic]. (1.2) 1.1.2 Полупроводники с электронной электропроводностью При введении в 4-валентный полупроводник примесных 5-валентных атомов [pic] Рисунок 1.4 Условное обозначение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с электронной электропроводностью. увеличением дырок в валентной зоне, в таком полупроводнике концентрация электронов оказывается значительно больше концентрации дырок. Дырки в полупроводниках образуются только в результате разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводниками n- типа. Подвижные носители заряда, преобладающие в полупроводнике, называют основными. Соответственно те носители заряда, которые находятся в меньшем количестве, называются неосновными для данного типа полупроводника. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными - дырки. В состоянии теплового равновесия в таком полупроводнике концентрации свободных электронов ([pic]) и дырок ([pic]) определяются соотношениями: [pic]; [pic]. (1.3) С учетом соотношений (1.1) выражения (1.3) можно представить в следующем виде: [pic]; (1.4) [pic]. (1.5) Из этих соотношений следует, что для полупроводника n-типа выполняется неравенство [pic](( [pic]. Атомы 5-валентных примесей, "потерявшие" по одному электрону, превращаются в положительные ионы. В отличие от дырок положительные ионы прочно связаны с кристаллической решеткой основного полупроводника, являются неподвижными положительными зарядами и, следовательно, не могут принимать непосредственное участие в создании электрического тока в полупроводнике. Если считать, что при комнатной температуре все атомы донорных примесей ионизированы ([pic]= Nд, [pic]( 0), на основании выражения (1.4) можно записать: [pic], (1.6) где Nд - концентрация донорных атомов в полупроводнике. Из соотношения (1.6) видно, что в полупроводниках n-типа уровень Ферми располагается в верхней половине запрещенной зоны, и тем ближе к зоне проводимости, чем больше концентрация доноров. При увеличении температуры уровень Ферми смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации основных атомов полупроводника. Повышение концентрации электронов в данном полупроводнике значительно
снижает его удельное сопротивление. Например, чистый кремний имеет ( = 1.1.3 Полупроводники с дырочной электропроводностью Если в кристалле 4-валентного элемента часть атомов замещена атомами 1.5, а). Этот электрон может быть получен от атома основного элемента
полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв связи приводит к
появлению дырки, так как сопровождается образованием свободного уровня в
валентной зоне. Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны,
называют акцепторными или акцепторами. Энергия активизации акцепторов
составляет для германия 0,0102-0,0112 эВ и для кремния 0,045-0,072 эВ, что
значительно меньше ширины запрещенной зоны беспримесного полупроводника. Ввиду малого значения энергии активизации акцепторов уже при
комнатной температуре электроны из валентной зоны переходят на уровни
акцепторов. Эти электроны, превращая примесные атомы в отрицательные ионы,
теряют способность перемещаться по кристаллической решетке, а
образовавшиеся при этом дырки могут участвовать в создании электрического
тока. [pic] Рисунок 1.5 Условное изображение кристаллической решетки (а) и энергетическая диаграмма (б) полупроводника с дырочной электропроводностью.
подвижными носителями заряда. Такие полупроводники носят название
полупроводников с дырочной электропроводностью или полупроводников р-типа. [pic]; (1.7) [pic] (1.8) Из уравнений (1.7) и (1.8) следует, что для полупроводника р-типа выполняется неравенство [pic](( [pic]. Если считать, что при комнатной температуре все акцепторные атомы ионизированы, т. е. [pic]=0, то на основании соотношения можно записать: [pic], (1.9) где Na — концентрация акцепторных атомов в полупроводнике. Соотношение (1.9) показывает, что уровень Ферми в полупроводнике р- типа располагается в нижней половине запрещенной зоны, так как Na >> ni, и при повышении температуры смещается к середине запрещенной зоны за счет ионизации атомов основного полупроводника. Кроме того, на основании уравнений (1.4), (1.5), (1.7) и (1.8) можно записать следующее выражение: [pic] (1.10) которое показывает, что введение в полупроводник примесей приводит к увеличению концентрации одних носителей заряда и пропорциональному уменьшению концентрации других носителей заряда за счет роста вероятности их рекомбинации. 1.2 ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ 1.2.1 Дрейфовый ток В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупроводника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует. При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на
хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая
направленного движения. Направленное движение носителей зарядов в
электрическом поле обусловливает появление тока, называемого дрейфовым [pic] прерывисто и характеризуется подвижностью (. Подвижность равна средней скорости [pic], приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е. [pic]. (1.11) Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследования показывают, что подвижности электронов (n и дырок (p имеют различное значение ((n > (p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение температуры приводит к уменьшению подвижности, что зависит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени. Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрейфом свободных
электронов под действием внешнего электрического поля со средней скоростью Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со средней скоростью [pic]
создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого [pic]. Подставляя в выражение для плотности тока соотношение для средней скорости электронов и дырок (1.11), получаем [pic] (1.12) Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =(Е, то удельная электропроводность полупроводника определяется соотношением [pic]. У полупроводника с собственной электропроводностью концентрация электронов равна концентрации дырок (ni = pi), и его удельная электропроводность определяется выражением [pic]. В полупроводнике n-типа [pic] > [pic], и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности может быть определена выражением [pic]. В полупроводнике р-типа [pic]> [pic], и удельная электропроводность такого полупроводника [pic] В области высоких температур концентрация электронов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону. 1.2.2 Диффузионный ток Кроме теплового возбуждения, приводящего к возникновению равновесной
концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника,
обогащение полупроводника электронами до концентрации np и дырками до
концентрации pn может осуществляться его освещением, облучением потоком
заряжённых частиц, введением их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом
случае энергия возбудителя передается непосредственно носителям заряда и
тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. После прекращения действия возбудителя за счет рекомбинации электронов и дырок концентрация избыточных носителей быстро убывает и достигает равновесного значения. Скорость рекомбинации неравновесных носителей пропорциональна избыточной концентрации дырок (pn - [pic]) или электронов (np - [pic]): [pic]; [pic], где (p - время жизни дырок; (n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носителей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с. Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупроводника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носителей зарядов сопровождается их диффузией в сторону меньшей концентрации. Это движение носителей зарядов обусловливает прохождение электрического тока, называемого диффузионным (рисунок 1.6, б). Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупроводнике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являются функциями координаты. Это приведет к диффузионному движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией. Диффузионное движение носителей зарядов обусловливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяются из соотношений: [pic]; (1.13) [pic]; (1.14) где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; Dn, Dp [pic]; [pic]. Знак "минус" в выражении (1.14) означает противоположную направленность электрических токов в полупроводнике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций. Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следующим уравнениям: [pic]; [pic]. 1.3 КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ 1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. При этом преимущественно используются контакты: полупроводник-полупроводник; металл- полупроводник; металл-диэлектрик-полупроводник. Если переход создается между полупроводниками n-типа и p-типа, то его называют электронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных и разнообразных технологических операций. Рассмотрим p-n переход, в котором концентрации доноров Nд и акцепторов [pic]. Электроны и дырки, переходя через контакт навстречу друг другу (благо- даря диффузии), рекомбинируют и в приконтактной области дырочного полу- проводника образуется нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в электронном полупроводнике нескомпенсирован -ный заряд положительных донорных ионов (рис. 1.6, в). Таким образом, электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный - отрицательно. Между областями с различными типами электропроводности возникает собственное электрическое поле напряженностью Eсоб (рис. 1.7, а), созданное двумя слоями объемных зарядов. Этому полю соответствует разность потенциалов Uк между n- и p- областями, называемая контактной (рис. 1.7, г). За пределами области объемного заряда полупроводниковые области n- и р-типа остаются электрически нейтральными. Собственное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и [pic] Рисунок 1.7 Равновесное состояние p-n перехода. дырки n-области, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя ток дрейфа, или ток проводимости. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем называют экстракцией носителей заряда. Используя выражение (1.12) и учитывая, что Е = -dU/dx, определяем плотность полного дрейфового тока через границу раздела p- и n-областей: [pic]. Так как через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие: [pic]. (1.15) Приконтактную область, где имеется собственное электрическое поле, называют p-n переходом. Поскольку потенциальная энергия электрона и потенциал связаны соотношением W = -qU, образование нескомпенсированных объемных зарядов вызывает понижение энергетических уровней n-области и повышение энергетических уровней р-области. Смещение энергетических диаграмм прекратится, когда уровни Ферми W фn и W фp совпадут (рис. 1.7, д). При этом на границе раздела (x = 0) уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны. Это означает, что в плоскости сечения x = 0 полупроводник характеризуется собственной электропроводностью и обладает по сравнению с остальным объемом повышенным сопротивлением. В связи с этим его называют запирающим слоем или областью объемного заряда. Совпадение уровней Ферми n- и p-областей соответствует установлению динамического равновесия между областями и возникновению между ними потенциального барьера Uk для диффузионного перемещения через p-n переход электронов n-области и дырок p-области. Из рис. 1.7, д следует, что потенциальный барьер [pic]. Подстановка в это выражение результатов логарифмирования соотношений [pic]. Если обозначить (т = kT/q и учесть уравнение (1.10), то можно записать: [pic]; (1.16) [pic]. (1.17) Из уравнений (1.16) и (1.17) следует: [pic]; [pic]. (1.18) При комнатной температуре (Т = 300 К) (т ( 0,026 В. Таким образом, контактная разность потенциалов зависит от отношения концентраций носителей зарядов одного знака в р- и n-областях полупроводника. Другим важным параметром p-n перехода является его ширина, обозначаемая ( = (p + (n. Ширину запирающего слоя ( можно найти, решив уравнения Пуассона для n- области и p-области: [pic]; (1.19) [pic]. (1.20) Решения уравнений (1.19) и (1.20) при граничных условиях [pic]; [pic] [pic]; [pic] имеют вид: [pic] для -(p < x < 0; [pic] для 0 < x > (т, то: [pic]; [pic]. При комнатной температуре [pic]; (1.42)
1.4 РАЗНОВИДНОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ 1.4.1 Гетеропереходы Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследованными являются пары: германий-арсенид галлия, арсенид галлия-мышьяковидный индий, германий-кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание структур n-n и p-p. [pic] Рисунок 1.16 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии. На рисунке 1.16 приведена упрощенная энергетическая диаграмма n-p
перехода между арсенидом галлия р-типа ((WP = 1,5 эВ) и германием n-типа [pic] Рисунок 1.17 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода, включенного в прямом состоянии. В состоянии равновесия ток через n-p переход равен нулю. Поскольку
потенциальные барьеры для дырок и электронов различны, при приложении к
гетеропереходу прямого напряжения смещения он обеспечит эффективную
инжекцию дырок из полупроводника с большей шириной запрещенной зоны (рис. 1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа электропроводности Контакт полупроводников с одним типом электропроводности, но с разной концентрацией примесей обозначают р+-р или п+-п (знаком "плюс" отмечается полупроводник с большей концентрацией примесей). В таких контактах носители из области с большей концентрацией примеси переходят в область с меньшей концентрацией. При этом в области с повышенной концентрацией нарушается компенсация зарядов ионизированных атомов примеси, а в другой области создается избыток основных носителей зарядов. Образование этих зарядов приводит к появлению на переходе собственного электрического поля и контактной разности потенциалов, определяемой следующими соотношениями: для p+-р перехода [pic]; для n+-n перехода [pic]. В этих переходах не образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов, и их сопротивление определяется в основном сопротивлением низкоомной области. Поэтому при прохождении тока непосредственно на контакте падает небольшое напряжение и выпрямительные свойства этих переходов не проявляются. В p+-p и n+-n- переходах отсутствует инжекция неосновных носителей из низкоомной области в высокоомную. Если, например, к переходу n+-n подключен источник тока плюсом к n-области, а минусом к n+- области, то из n+-области в n-область будут переходить электроны, являющиеся в ней основными носителями зарядов. При изменении полярности внешнего напряжения из n+-области в n-область должны инжектироваться дырки, однако их концентрация мала, и этого явления не происходит. Переходы типа p+-p и n+-n возникают при изготовлении омических контактов к полупроводникам. [pic] Рисунок 1.18 Энергетическая диаграмма p-i перехода. Промежуточное положение между p+-p- или n+-n- и p-n переходом занимают p-i и n-i переходы. Такие переходы образуются между двумя пластинами, одна из которых имеет электронную или дырочную электропроводность, а другая - собственную. На рис 1.18 показаны энергетическая диаграмма и изменение концентраций на границе двух полупроводников с p- и i-областями. Вследствие разности концентраций носителей зарядов в p- и i-областях происходит инжекция дырок из p-области в i-область и электронов из i-области в p-область. Вследствие малой величины инжекционной составляющей электронного тока потенциальный барьер на границе перехода создается неподвижными отрицательными ионами акцепторов р-области и избыточными дырками i-области, диффундирующими в нее из p-области. Поскольку [pic] >> [pic], глубина распространения запирающего слоя в i-области значительно больше, чем в р-области. 1.4.3 Контакт металла с полупроводником Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W0м) и из полупроводника (W0n или W0p). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия W0n < W0p электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W0м < W0p, будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника. Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны и служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения. Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие 1.4.4 Омические контакты Омическими называют контакты, сопротивление которых не зависит от
величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие
практически линейной вольт-амперной характеристикой. Омические контакты
обеспечивают соединение полупроводника с металлическими токопроводящими
элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной
характеристики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и
обеспечивать отсутствие инжекции носителей из металлов в полупроводник. Эти
условия выполняются путем введения между полупроводником рабочей области
кристалла и металлом полупроводника с повышенной концентрацией примеси [pic] Рисунок 1.19 Структура омического контакта. 1.4.5 Явления на поверхности полупроводника В результате взаимодействия полупроводника и окружающей среды на
поверхности кристалла образуются различные соединения, отличающиеся по
своим свойствам от основного материала. Кроме того, обработка кристалла
приводит к дефектам кристаллической решетки на поверхности полупроводника. Поверхностные состояния меняют концентрацию носителей заряда, и в приповерхностном слое полупроводника возникает объемный заряд, приводящий к изменению уровня Ферми. Поскольку в состоянии равновесия уровень Ферми во всем кристалле полупроводника одинаков, поверхностные состояния вызывают искривление энергетических уровней в приповерхностном слое полупроводника. В зависимости от типа полупроводника и характера поверхностных состояний может происходить обеднение или обогащение поверхности кристалла носителями заряда. Обеднение возникает в том случае, если поверхностный заряд совпадает
по знаку с основными носителями заряда. На рис. 1.20 показано образование
обедненного слоя на поверхности полупроводника n-типа при такой плотности
поверхностных состояний, что уровни Win и Wфn не пересекаются. Повышение
плотности пространственного заряда может привести к пересечению уровня [pic] Если знаки поверхностного заряда и основных носителей противоположны, происходит обогащение приповерхностной области основными носителями зарядов. Такую область называют обогащенным слоем (рис. 1.22). Электропроводность приповерхностного слоя полупроводника может изменяться под действием электрического поля, возникающего за счет напряжения, прикладываемого к металлу и полупроводнику, разделенным диэлектриком. Если предположить, что до включения напряжения поверхностные состояния на границе полупроводника и диэлектрика отсутствуют, то электропроводности приповерхностного слоя и объема полупроводника будут одинаковыми. При включении напряжения между металлом и полупроводником возникает
электрическое поле, и на поверхности металла и в приповерхностном слое
полупроводника, как на пластинах конденсатора, накапливаются заряды. [pic] поверхности увеличиваются концентрация электронов и электропроводность приповерхностного слоя полупроводника (см. рис. 1.22). При изменении полярности напряжения концентрация электронов в приповерхностном слое уменьшается, а дырок - увеличивается. В связи с этим электропроводность приконтактной области уменьшается, стремясь к собственной. Увеличение напряжения приводит к тому, что концентрация дырок становится выше концентрации электронов и происходит изменение (инверсия) типа электропроводности слоя. При этом электропроводность приповерхностного слоя увеличивается. Зависимость электропроводности приповерхностного слоя полупроводника n-типа от напряжения показана на рис. 1.23. Это явление принято называть эффектом поля. 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 2.1 Классификация Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам: - методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.; - материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.; - физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды. диоды Ганна и др.; - назначению: выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смесительные, СВЧ-диоды и др. Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рассмотрены в настоящей главе, а другие - в соответствующих разделах учебного пособия. 2.2 Выпрямительные диоды Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Основой диода является обычный p-n переход. В практических случаях p-n переход диода имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала. Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются - максимальный прямой ток Iпр max; - падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр - максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода Uобр max ; - обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значение обратного тока германиевых диодов на два -три порядка больше, чем у кремниевых); - барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины; - диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока; - рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне [pic] Рисунок 2.1 К определению параметров выпрямительных диодов. Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0.3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно. Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p- n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие Iпр max до 1 А и Uo6p max до 600 В. При протекании больших прямых токов Iпр и определенном падении напряжения на диоде Uпp B нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное). Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером 2.3 Стабилитроны и стабисторы Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ
которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения. Напряжение стабилизации Uст равно напряжению электрического [pic] К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации Ucт,
минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max. Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы. Рисунок 2.2 К определению параметров стабилитронов. 2.4 Универсальные и импульсные диоды Они применяются для преобразования высокочастотных и импульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить минимальные значения реактивных параметров, что достигается благодаря специальным конструктивно- технологическим мерам. Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни ( используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в запрещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и следовательно уменьшается Сдиф. Разновидностью универсальных диодов является диод с короткой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузионной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носителей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (временем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площади являются маломощными. Страницы: 1, 2 |
|
© 2010 |
|