1. Структура полупроводников и типы проводимости.

Полупроводник — материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Характерными особенностями полупроводников являются резко выраженная зависимость удельной электропроводности от температуры, от количества и природы вводимых примесей, а также ее изменение под влиянием электрического поля, света, ионизирующего излучения и других факторов. Все современные электронные устройства в основном строятся на полупроводниковых приборах, что бы отвечать требованиям миниатюризации и микроминиатюризации. Типы проводимости полупроводников: электронный тип, дырочный тип.

Электронный тип.

Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси добавляемые в этом случае называются донорными

Дырочный тип.

Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

2. Зонная структура полупроводников.

Между зоной проводимости Е_п и валентной зоной Е_в расположена зона запрещённых значений энергии электронов Е_з. Разность Е_п−Е_в равна ширине запрещенной зоны Е_з. С ростом ширины Е_з число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает. Для перехода электрона из низшей энергетической зоны в высшую требуется затратить энергию, равную ширине запрещенной зоны. При ширине запрещенной зоны в несколько электрон-вольт внешнее электрическое поле практически не может перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости, так как энергия, приобретаемая электроном, движущимся ускоренно на длине свободного пробега. Длина свободного пробега – расстояние, проходимое электроном между двумя соударениями с атомами кристаллической решетки.

3. Распределение электронов по энергии в кристалле полупроводника

4. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

где   — удельное сопротивление,   — подвижность электронов,   — подвижность дырок,   — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

Электропроводность полупроводника может обусловливаться не только генерацией пар носителей «электрон – дырка» вследствие какого-либо энергетического воздействия, но и введением в структуру полупроводника определенных примесей.

Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

Донор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электроном и способный в возбужденном состоянии отдать электрон в зону проводимости.

Акцептор – это примесный атом или дефект кристаллической решетки, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электрона в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны в возбужденном состоянии.

5. Электрические переходы.

Электрическим переходом в полупроводнике называется граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых имеют существенные физические различия.

Различают следующие виды электрических переходов:

• Электронно-дырочный, или p-n переход – переход между двумя областями полупроводника, имеющими разный тип электропроводности.

• Переход метал-полупроводник - переход между двумя областями, если одни из них является металлом, а другая полупроводником p- или n-типа.

• Переход между двумя областями с одним типом электропроводности, отличающиеся значением концентрации примесей.

• Гетеропереход – переход между двумя полупроводниковыми материалами с различной шириной запрещенной зоны.

6. Идеализированный p-n переход.

7. Емкостные свойства p-n перехода.

Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.

Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.

Барьерная емкость соответствует обратно включенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями

   – относительная диэлектрическая проницаемость;

 

 –электрическая постоянная ;

   – площадь запирающего слоя;

   – толщина запирающего слоя.

Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов +Q_диф  и –Q_диф , накопленных в n- и p-областях за счет диффузии носителей через переход.

Емкость С_диф представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:

С увеличением U_пр прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т. к. вольт-амперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому Q_диф растет быстрее, чем U_пр  и C_диф увеличивается.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.

8. Температурные свойства p-n перехода.

9. Пробой p-n перехода.

Пробоем называют резкое изменение режима работы p-n-перехода, находящегося под большим обратным напряжением. ВАХ для больших значений обратных напряжений показана на рис. 1.5

Рис. 1.5

Началу пробоя соответствует точка А. После этой точки дифференциальное сопротивление перехода стремится к нулю.

Различают три вида пробоя p-n-перехода:

Туннельный пробой (А-Б),

Лавинный пробой (Б-В),

Тепловой пробой (за т.В).

Пробои бывают обратимые и необратимые. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный.

Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

• Лавинный пробой возникает в том случае, если при движении до очередного соударения с нейтральным атомом кристалла электрон или дырка приобретают энергию, достаточную для ионизации этого атома, при этом рождаются новые пары электрон-дырка, происходит лавинообразное размножение носителей зарядов; здесь основную роль играют неосновные носители, они приобретают большую скорость. Лавинный пробой имеет место в переходах с большими удельными сопротивлениями базы («высокоомная база»), т.е. в p-n-переходе с широким переходом.

• Туннельный пробой возникает при малой ширине p-n-перехода (например, при низкоомной базе), когда при большом обратном напряжении электроны проникают за барьер без преодоления самого барьера. В результате туннельного пробоя ток через переход резко возрастает и обратная ветвь ВАХ идет перпендикулярно оси напряжений вниз.

• Тепловой пробой характеризуется сильным увеличением тока в области p-n-перехода в результате недостаточного теплоотвода. Если туннельный и лавинный пробои, называемые электрическими, обратимы, то после теплового пробоя свойства перехода меняются вплоть до разрушения перехода. Напряжения и токи в p-n-переходах зависят от параметров перехода и его температуры

• Поверхностный пробой распределение напряженности электрического поля в p-n-переходе может существенно изменить заряды, имеющиеся на поверхности полупроводника. Поверхностный заряд может привести к увеличению или уменьшению толщины перехода, в результате чего на поверхности перехода может наступить пробой при напряженности поля, меньшей той, которая необходима для возникновения пробоя в толще полупроводника. Это явление называют поверхностным пробоем. Большую роль при возникновении поверхностного пробоя играют диэлектрические свойства среды, граничащей с поверхностью полупроводника. Для снижения вероятности поверхностного пробоя применяют специальные защитные покрытия с высокой диэлектрической постоянной.

10. Переход между полупроводниками с одинаковым типом примесной проводимости.

Области вблизи контакта полупроводников с одним типом проводимости, но с различной концентрацией примесей, обычно обозначают p+ – p или n+ – n-переход, причем значком + обозначают полупроводник с большей концентрацией примесей. На рис. 1.25 приведен пример контакта p+ – p, где обе области полупроводника обладают электропроводностью р-типа электропроводностью р-типа.

Процессы вблизи такого контакта аналогичны происходящим в р-n-переходе, т. е. носители из области с большой концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, в результате чего в области p+ возникает объемный заряд из нескомпенсированных зарядов ионов примеси, а в области p – объемный заряд из избыточных носителей – дырок, перешедших из области p+. Появление объемных электрических зарядов приводит к образованию диффузионного электрического поля   и контактной разности потенциалов. Но в отличие от обычных р-n-переходов здесь отсутствует запирающий слой, так как здесь не может быть области с концентрацией, меньшей чем в слаболегированном полупроводнике. Поэтому такие контакты вентильными свойствами не обладают, но зато в них при любой полярности приложенного напряжения не происходит инжекции из низкоомной области в высокоомную, что является важным для некоторых типов полупроводниковых приборов. Аналогичные процессы протекают в контакте n+ – n.

11. Переход металл-полупроводник.

В современных полупроводниковых приборах помимо контактов с p-n-переходом применяются контакты «металл – полупроводник».

Контакт «металл – полупроводник» возникает в месте соприкосновения полупроводникового кристалла n или р-типа проводимости с металлами. Происходящие при этом процессы определяются соотношением работ выхода электрона из металла   и из полупроводника  . Под работой выхода электрона понимают энергию, необходимую для переноса электрона с уровня Ферми на энергетический уровень свободного электрона. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела.

В результате диффузии электронов и перераспределением зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникает контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов.

Отличительной особенностью контакта «металл – полупроводник» является то, что в отличие от обычного p-n-перехода здесь высота потенциального барьера для электронов и дырок разная. В результате такие контакты могут быть при определенных условиях неинжектирующими, т. е. при протекании прямого тока через контакт в полупроводниковую область не будут инжектироваться неосновные носители, что очень важно для высокочастотных и импульсных полупроводниковых приборов.

Контакт «металл – полупроводник», не обладающий выпрямляющим свойством

12. Типы полупроводниковых диодов.

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство выпрямляющего электрического перехода. В полупроводниковых диодах выпрямляющим электрическим переходом может быть электронно-дырочный (p-n) переход, либо контакт «металл – полупроводник», обладающий вентильными свойствами, либо гетеропереход. Классификация диодов производится по различным признакам: по типу полупроводникового материала – кремниевые, германиевые, из арсенида галлия; по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.; по технологии изготовления электронно-дырочного перехода – сплавные, диффузионные и др.; по типу электронно-дырочного перехода – точечные и плоскостные. Основными классификационными признаками являются тип электрического перехода и назначение диода.

В зависимости от геометрических размеров p-n-перехода диоды подразделяют на плоскостные и точечные.

Плоскостными называют такие диоды, у которых размеры, определяющие площадь p-n-перехода значительно больше его ширины. У таких диодов площадь p-n-перехода может составлять от долей квадратного миллиметра до десятков квадратных сантиметров.

Плоскостные диоды имеют сравнительно большую величину барьерной емкости (до десятков пикофарад), что ограничивает их предельную чистоту до 10 кГц.

Промышленность выпускает плоскостные диоды в широком диапазоне токов (до тысяч ампер) и напряжений (до тысяч вольт), что позволяет их использовать как в установках малой мощности, так и в установках средней и большой мощности.

Точечные диоды имеют очень малую площадь p-n-перехода, причем линейные размеры ее меньше толщины p-n-перехода.

Точечные р-n-переходы образуются в месте контакта монокристалла полупроводника и острия металлической проволочки – пружинки. Для обеспечения более надежного контакта его подвергают формовке, для чего уже через собранный диод пропускают короткие импульсы тока.

В результате формовки из-за сильного местного нагрева материал острия пружинки расплавляется и диффундирует в кристалл полупроводника, образуя слой иного типа электропроводности, чем полупроводник. Между этим слоем и кристаллом возникает p-n-переход полусферической формы. Благодаря малой площади p-n-перехода барьерная емкость точечных диодов очень незначительна, что позволяет использовать их на высоких и сверхвысоких частотах.

По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при прямом включении подключается отрицательный полюс источника питания, называют катодом, а противоположную – анодом.

13. Вах полупроводникового диода.

ВАХ – это вольт амперная характеристика. Ну а нас в этом разделе интересует вольт амперная характеристика полупроводникового диода.

Рис. 6. ВАХ полупроводникового диода.

На графике изображены ВАХ для прямого и обратного включения диода. Ещё говорят, прямая и обратная ветвь вольт-амперной характеристики. Прямая ветвь (Iпр и Uпр) отображает характеристики диода при прямом включении (то есть когда на анод подаётся «плюс»). Обратная ветвь (Iобр и Uобр) отображает характеристики диода при обратном включении (то есть когда на анод подаётся «минус»).

На рис. 6 синяя толстая линия – это характеристика германиевого диода (Ge), а чёрная тонкая линия – характеристика кремниевого (Si) диода. На рисунке не указаны единицы измерения для осей тока и напряжения, так как они зависят от конкретной марки диода.

Что же мы видим на графике? Ну для начала определим, как и для любой плоской системы координат, четыре координатных угла (квадранта). Напомню, что первым считается квадрант, который находится справа вверху (то есть там, где у нас буквы Ge и Si). Далее квадранты отсчитываются против часовой стрелки.

Итак, II-й и IV-й квадранты у нас пустые. Это потому, что мы можем включить диод только двумя способами – в прямом или в обратном направлении. Невозможна ситуация, когда, например, через диод протекает обратный ток и одновременно он включен в прямом направлении, или, иными словами, невозможно на один вывод одновременно подать и «плюс» и «минус». Точнее, это возможно, но тогда это будет короткое замыкание))). Остаётся рассмотреть только два случая – прямое включение диода иобратное включение диода.

График прямого включения нарисован в первом квадранте. Отсюда видно, что чем больше напряжение, тем больше ток. Причём до какого-то момента напряжение растёт быстрее, чем ток. Но затем наступает перелом, и напряжение почти не меняется, а ток начинает расти. Для большинства диодов этот перелом наступает в диапазоне 0,5…1 В. Именно это напряжение, как говорят, «падает» на диоде. То есть если вы подключите лампочку по первой схеме на рис. 3, а напряжение батареи питания у вас будет 9 В, то на лампочку попадёт уже не 9 В, а 8,5 или даже 8 (зависит от типа диода). Эти 0,5…1 В и есть падение напряжения на диоде. Медленный рост тока до напряжения 0,5…1В означает, что на этом участке ток через диод практически не идёт даже в прямом направлении.

График обратного включения нарисован в третьем квадранте. Отсюда видно, что на значительном участке ток почти не изменяется, а затем увеличивается лавинообразно. Что это значит? Если вы включите лампочку по второй схеме на рис. 3, то светиться она не будет, потому что диод в обратном направлении ток не пропускает (точнее, пропускает, как видно на графике, но этот ток настолько мал, что лампа светиться не будет). Но диод не может сдерживать напряжение бесконечно. Если увеличить, напряжение, например, до нескольких сотен вольт, то это высокое напряжение «пробьёт» диод (см. перегиб на обратной ветви графика) и ток через диод будет течь. Вот только «пробой» - это процесс необратимый (для диодов). То есть такой «пробой» приведет к выгоранию диода и он либо вообще перестанет пропускать ток в любом направлении, либо наоборот – будет пропускать ток во всех направлениях.

В характеристиках конкретных диодов всегда указывается максимальное обратное напряжение – то есть напряжение, которое может выдержать диод без «пробоя» при включении в обратном направлении. Это нужно обязательно учитывать при разработке устройств, где применяются диоды.

Сравнивая характеристики кремниевого и германиевого диодов, можно сделать вывод, что в p-n-переходах кремниевого диода прямой и обратный токи меньше, чем в германиевом диоде (при одинаковых значениях напряжения на выводах). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещённой зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.