БОЛЬШОЙ набор материала по курсу / Лекции

Лекция 6

Классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы можно разделить на две большие группы: биполярные и униполярные. К биполярным приборам относятся: диоды с PN переходом, биполярные транзисторы, тиристоры. К униполярным относятся: диоды с контактом металл-полупроводник, диоды Ганна, полевые транзисторы. Кроме того отдельную группу составляют приборы, в которых используются объемные свойства материала: термисторы, фоторезисторы, варисторы и т.п.

Раздел. БИПОЛЯРНЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Тема. Основные уравнения, используемые для анализа полупроводниковых приборов

Левая часть уравнения непрерывности характеризует изменение концентрации со временем, в правой части уравнения первый член характеризует генерацию, второй рекомбинацию и третий изменение концентрации носителей заряда в рассматриваемом объеме за счет внешних потоков.

Тема. Полупроводниковые диоды

Электронно-дырочный переход

Рассмотрим полупроводниковый кристалл,одна область которого легирована акцепторной примесью, другая донорной, с резкой границей между ними (PN-переход).

В месте контакта P и N областей возникнет встречная диффузия электронов и дырок в соседнюю область. Уход из прикотнтактной области свободных носителей заряда приведет к нарушению электронейтральности. В приконтактной P-области возникнет нескомпенсированный отрицательный заряд ионизованных акцепторов, в приконтактной N области возникнет положительный заряд ионизованных доноров. Образование двойного слоя пространственного заряда создаст внутреннее электрическое поле и соответственно потенциальный барьер, препятствующий диффузии.

Расчет контактной разности потенциалов. Зависимость граничной концентрации носителей заряда от внешнего смещения

На нижней картинке показаны энергетические диаграммы для P и N областей "до контакта" (слева) и "после контакта" (справа). Фp и Фn-термодинамические работы выхода для "Р" и "N" областей, qUк-величина потенциального барьера, возникающего на границе PN-перехода.

Используя зонную диаграмму для PN-перехода, можно получить.

Лекция 7

Принцип работы PN перехода

При изменении высоты барьера (при внешнем смещении) изменяется соотношение между потоками носителей заряда идущими против поля PN перехода (диффузионная составляющая) и по полю (дрейфовая составляющия). См. нижний рисунок.

Вольтамперная характеристика диода (вывод ВАХ)

Основные допущения:

- резкий PN переход;

- в полупроводниковых областях, примыкающих к контакту выполняется условие электронейтральности и напряженность электрического поля примерно равна нулю, поэтому можно пренебречь дрейфовым током;

- все параметры постоянны по сечению (одномерный случай) и не зависят от концентрации носителей заряда ;

- толщина P и N областей много больше диффузионной длины инжектированных носителей заряда (полубесконечное прибижение);

Исходное уравнение:

Рассмотрим P-область (p>>n), стационарный случай (dp/dt=0), поскольку допускается, что E=0 третьим челном в исходном уравнении пренебрегаем. Тогда исходное уравнение и граничные условия примут вид:

Откуда получим

Зная распределение носителей заряда возможно вычислить ток, который вне ОПЗ будет преимущественно диффузионным:

Выполнив аналогичные вычисления для N области, рассчитаем дырочный ток, просуммировав оба тока при x=0 получим выражение для ВАХ диода:

На нижнем рисунке в логарифмическом масштабе показана ВАХ диода. Кривые 1 и 2 соответствуют случаю, когда генерационно-рекомбинационными токами можно пренебречь. Кривые 3 и 4 соответствуют случаю, когда преобладают генерационно-рекомбинационные токи.

На нижнем рисунке, в качестве примера, приведены ВАХ диодов, выполненных из различных полупроводниковых материалов. Левый рисунок соответствует прямому смещению (линейный масштаб), правый - обратному смещению (логарифмический масштаб).

Лекция 8

Эквивалентная схема диода

Эквивалентная схема диода содержит нелинейный униполярный элемент (PN-переход), последовательное (нелинейное) сопротивление толщи материала и котнтактов к P и N областям (rs) и сопротивление (rsh) шунтирующее переход (поверхностные утечки). В правой части рисунка показаны ВАХ каждого из элементов эквивалентной схемы и диода вцелом.

Влияние температуры на характеристики диода

Изменение характеристик диода с температурой обусловлено прежде всего изменением с температурой: котнтактной разности потенциалов, теплового тока перехода, сопротивления толщи материала и пробивного напряжения.

Туннельный диод

Если P и N области диода сильно легированы (до вырождения), то ширина барьерного слоя становится очень узкой и электроны могут туннелировать через него.

На нижнем рисунке слева показаны вольтамперные характеристики туннельных диодов, справа - обращенных. Обращенными эти диоды называются, поскольку при малых смещениях у них при обратном смещении ток значительно выше, чем при прямом (инверсия выпрямления).

На следующем рисунке показаны энергетические диаграммы, соответствующие различным точкам на ВАХ туннельного диода. Стрелками обзначены направления туннелирующих электронов (точки 2 и 3) и надбарьерный переход электронов и дырок (точка 5).

В точках 1 и 4 туннельные токи отсутствуют, так как электроны не могут туннелировать с занятого состояния на занятое и в запрещенную зону, в которой разрешенных состояний нет.

Лекция 9

Полупроводниковая емкость (варикап)

При приложении к диоду напряжения изменяются величина барьера и величина заряда в ОПЗ, обусловленная нескомпенсированным зарядом доноров и акцепторов. Это приводит к тому, что барьер обладает емкостью, которую называют барьерной. Для барьерной емкости справедлива формула плоского конденсатора:

Рассчитаем эту емкость, пренебрегая концентрацией свободных носителей заряда в ОПЗ, и, предпологая, что вся легирующая примесь ионизована. Для нахождения распределения потенциала в ОПЗ воспользуемся уравнением Пуасона.

Суммарный заряд в ОПЗ должен быть равен нулю:

При x=0 решение для потенциала, полученное при отрицательной координате, должно сшиваться с решением полученным при положительной координате.

Добротность варикапа

На нижнем рисунке показана эквивалентная схема варикапа (1). Используя ее рассчитаем добротность конденсатора.

Лекция 11

Тема. Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор - активный трехэлектродный прибор, состоящий из двух электронно-дырочных переходов, разделенных узкой областью кристалла-базой. В активном (усилительном) режиме один из переходов (эмиттерный) включается в прямом направлении, второй переход (коллекторыный) в обратном. Последовательно с коллекторным переходом включается нагрузка, в которой выделяется энергия усиленного сигнала. Для успешной работы транзистора важно, чтобы ширина базы (W) была значительно меньше диффузионной длины инжектируемых в базу носителей заряда (W<<

Принцип работы транзистора

Инжектированные эмиттером носители заряда диффундируют через базу к коллектору, при этом некоторая часть инжектированных носителей рекомбинирует по дороге к коллектору. Коллекторный переход собирает все, дошедшие до него инжектированные носители, так как потенциальный барьер для них отсутствует. Транзистор проектируется таким образом, чтобы потери инжектированных носителей в базе были малы, поэтому коллекторный ток близок к эмиттерному.

Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, обусловленные сигналом небольшие изменения напряжения на нем приводят к изменению высоты потенциального барьера и соответственно инжекционного тока, который модулируется, подаваемым на вход транзистора сигналом. Коллекторный переход включен в обратном направлении, поэтому величина включенного в коллекторную цепь сопротивления нагрузки может во много раз превосходить входное сопротивление транзистора и соответственно напряжение сигнала на выходе транзистора (на коллекторном переходе) будет во много раз выше, чем на входе (на эмиттерном переходе).

Примеры конструкций транзисторов.

На нижнем рисунке показан пример конструкции планарного транзистора, часто используемой в интегральных схемах.

Внизу показан пример конструкции мощного транзистора, в котором 1 - электрод эмиттера,2 - электрод базы, 3 - контакт к области коллектора, 4 - слой окисла, 5 - активная база, 6 - пассивная база.

Ниже показан другой тип конструкции мощного NPN - транзистора, где 1 - электроды эмиттера (включены параллельно), 2 - электроды базы (включены параллельно) , 3 - контакт к области коллектора. Область базы закрашена голубым цветом.

Лекция 12

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с общей базой

Для вывода ВАХ можно воспользоваться эквивалентной схемой, показанной слева на нижнем рисунке (для npn транзистора), где I1=f(Uэ)=Iэoexp(qUэб/Ut), I2=f(Uк)=Iкoexp(qUкб/Ut).Тогда:

Справа (на нижнем риснуке) показаны кривые, описываемые этими уравнениями.

Вольтамперные характеристики реальных pnp и npn транзисторов показаны на нижнем рисунке. Различным цветом выделены возможные режимы: отсечки (1), активный или усилительный (2), режим насыщения (3).

Возможные распределения носителей в базе pnp транзистора, соответствующие различным режимам его работы показаны на нижнем рисунке: слева - активный режим, в центре - режим насыщения, справа - режим отсечки.

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

На нижнем рисунке показаны ВАХ биполярных транзисторов в схеме ОЭ (значения раскраски областей те же, что и на верхнем рисунке).

Вольтамперные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером

ВАХ транзитора в ОЭ можно получить из ВАХ в ОБ, если учесть, что Uбэ=-Uэб, Uкэ=Uбэ+Uкб, Iб=Iэ-Iб (см. нижний левый рисунок).

Транзистор в усилительном каскаде

На нижнем рисунке, в качестве примера, показаны сигналы на выходе усилительного какскада с ОЭ. Левая осциллограмма соответствует случаю, если транзистор все время находится в активном режиме. Правая, если при больших амплитудах транзистор попадает либо в режим отсечки, либо насыщения.