Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Кафедра «Приборы и биотехнические системы»

УТВЕРЖДАЮ

Декан факультета СAУ

____________ А.Э. Соловьев

«____»_____________2009 г.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

«Электроника и микропроцессорная техника»

Направление подготовки: 200100 «Приборостроение»

Форма обучения - очная.

Тула 2009 г.

1.1. Элементная база электронных устройств

1.1.1. Пассивные элементы

К пассивным элементам электронных схем относятся элементы, в которых нет преобразования энергии источника питания в энергию полезного сигнала. Наиболее распространенными пассивными элементами являются резисторы (сопротивления), конденсаторы (емкости), катушки индуктивности, трансформаторы.

1.1.2. p-n-переход и его свойства

Электроны, расположенные на внешних оболочках атома и способные вступать в химическое взаимодействие, называют валентными. Свободные атомы имеют дискретный набор энергетических уровней, на которых могут находиться валентные электроны. Эти уровни называются разрешенными.

В кристалле (рис. 1, а) атомы взаимодействуют между собой, поэтому каждый разрешенный энергети­ческий уровень атома расщепляется на ряд новых энергетических уровней, энергии которых близки друг к другу. Совокупность энергетических уровней, на которых могут находиться электроны, называют разрешенной зоной (поз. 1 и 3 на рис. 1, 6). Промежутки между разрешенными зонами носят название запре­щенных зон (поз. 2 на рис. 1, б).

Рис. 1. Структура кристалла полупроводника (а) и его зонная диаграмма (б)

Валентная зона характеризуется тем, что все ее уровни при температуре заполнены электронами.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться элект­роны.

Зона проводимости характеризуется тем, что электроны, нахо­дящиеся в ней, обладают энергиями, позволяющими им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела, например, под воздействием электрического поля.

У металлов валентная зона и зона проводимости взаимно пе­рекрываются, поэтому даже при металл обладает электропровод­ностью.

У полупроводников и диэлектриков зона проводимости при пуста и электропроводность отсутствует. Различие между ни­ми определяется шириной запрещенной зоны , которая у наиболее распространенных полупроводников составляет 0,1...3 эВ.

В полупроводниках при температуре от­личной от нуля часть электронов имеет энергию, доста­точную для перехода в зону проводимости. Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня. Вакантное энерге­тическое состояние носит название дырки. Валентные электроны соседних атомов в присутствии электрического поля могут пере­ходить на эти свободные уровни, создавая дырки в другом месте. Такое перемещение электронов можно рассматривать как движе­ние фиктивных положительных зарядов — дырок. Процесс образования пары электрон - дырка называется генерацией.

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов (т.е. электронов в зоне проводимости), называют электронной, а электропроводность, обусловленную движением дырок, — дырочной.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника число свободных электронов и дырок равно. Электропроводность такого полупроводника на­зывается собственной, или электропроводностью типа.

Свободные элект­роны и дырки совершают хаотическое движение в объеме полупроводника до тех пор, пока электрон не будет “захвачен” дыркой, а энергетический уровень дырки не будет “занят” электроном из зоны проводимости. При этом носители заряда — электрон и дырка — исчезают. Этот процесс называют рекомбинацией. Различают рекомбинацию через ловушки, межзонную и поверхностную.

Процесс межзонной рекомбинации показан на рис. 2, а. В этом случае рекомбинация происходит, когда электрон и дырка оказываются достаточно близко друг от друга.

Рис. 2. Процесс рекомбинации носителей заряда: а - межзонная рекомбинация; б - рекомбинация через уровень ловушки. - ширина запрещенной зоны

В большинстве полупроводников, используемых в настоящее время, рекомбинация осуществляется через рекомбинационные центры, (ловушки). Ловушки — это атомы примесей или дефекты кристаллической структуры полупроводника. Энергетические уровни ловушек на­ходятся в запрещенной зоне, как правило, достаточно далеко как от валентной зоны, так и от зоны проводимости. Электрон из зоны проводимости может перейти на энергетический уровень ловушки (переход 1), затем либо вернуться назад (переход 2), ли­бо перейти в валентную зону (переход 3) (рис. 2, б). Аналогичными путями может происходить и генерация носителей заряда.

Поверхностная рекомбинация обусловлена наличием на поверх­ности кристалла окислов, адсорбции посторонних атомов, дефектов кристаллической решетки. В результате указанных факторов появляются поверхностные состо­яния, энергетические уровни которых лежат в запрещенной зоне.

Время, прошедшее с момента генерации носителя заряда до его рекомбинации, называют временем жизни, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жизни,— диффузионной длиной. Полупроводник характеризуется средними значениями времени жизни и диффузионной длины. Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями

; , (1)

где — диффузионная длина электронов и дырок; — время жизни электронов и дырок; — коэффициенты диффузии электронов и дырок.

Электрические свойства полу­проводников сильно зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки.

Если в германий ввести трехвалентный атом индия, то в четырех ковалентных связях между индием и четырьмя соседними атомами германия не будет хватать одного электрона, т.е. образуется дыр­ка, которая добавляется к собственным дыркам, порожденным термогенерацией (рис. 3, а). В результате кон­центрация дырок p превысит концентрацию свободных электронов n (р>п). Следовательно, в полу­проводнике будет преобладать дырочная электропроводность. Та­кой полупроводник называют полупроводником р-типа, а примесь – акцепторной.

Рис. 3. Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника р-типа

Если содержание примесей мало, то их атомы можно рассматривать как изолированные. Их энер­гетические уровни не расщепляются на зоны (рис. 3, б). Энергетические уровни акцепторной примеси расположены в нижней части запрещенной зоны, поэтому электроны из валентной зоны могут легко переходить на этот уровень, образуя дырки.

Если концентрация акцепторной примеси велика, то примесные уровни расщепляются, образуя зону, которая может слиться с валентной зоной. Такой полупро­водник называют вырожденным. Концентрация собственных носителей в нем значительно меньше, чем в невырожденном, и мала по сравнению с концентрацией примес­ных носителей. Особенностью вырожденных полупроводников явля­ется слабая зависимость характеристик от тем­пературы.

Если в германий ввести пятивалентный атом сурьмы, то “лишний” валентный электрон будет слабо связан со своим ядром (рис. 4, а) и может легко перейти в зону проводимости. При этом в полупроводнике кон­центрация свободных электронов превысит концентрацию дырок (n>p). Следовательно, в полу­проводнике будет преобладать электронная электропроводность. Та­кой полупроводник называют полупроводником n-типа, а примесь – донорной.

Энергетические уровни донорной примеси находятся в верхней части запрещенной зоны (рис. 4, б), и электроны с этих уровней легко переходят в зону проводимости.

Рис. 4. Структура (а) и зонная диаграмма (б) полупроводника n-типа

При увеличе­нии концентрации донорной примеси её уровни расщепляются, об­разуя зону, которая может слиться с зоной проводимости. Полу­проводник становится вырожденным.

Носители заряда, концентрация которых в полу­проводнике преобладает, называют основными, а носители зарядов, концент­рация которых в полупроводнике мала в сравнении с основными,— неосновными.

В примесном полупроводнике при низких температурах пре­обладает примесная электропроводность. По мере повы­шения температуры собственная электропроводность непрерывно возрастает, в то время как примесная имеет предел, соответству­ющий ионизации всех атомов примеси. Поэтому при достаточно высоких температурах электропроводность всегда собственная.

Контакт полупроводников с разными типами проводимости называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход, у которого , т.е. концентрации основных носителей заряда в p и n областях равны, называют симметричным. Большее распространение получили несимметричные p-n-переходы, в которых концентрации основных носителей заряда в p и n областях значительно отличаются – в 100...1000 раз и более. Слой с большей концентрацией основных носителей называют эмиттером, слой с меньшей их концентрацией - базой.

В зависимости от характера распределения примеси разли­чают резкий (ступенчатый) и плавный переходы. В рез­ком переходе концентрация примеси на границе раздела областей изменяется на расстоянии, соизмеримом с диффузион­ной длиной, в плавном — на расстоянии, значительно большем диффузионной длины. На практике стремятся использовать резкие переходы, т.к. они обладают лучшими вентильными свойствами.

Поскольку концентрация дырок в области p-типа выше, чем в области п-типа, часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, где они рекомбинируют с электронами. Аналогично происходит диффузия электронов из n-слоя в р-слой и их рекомбинация с дырками в p-области. В результате концентрация носителей заряда в приграничной области умень­шается и образуется область нескомпенсированных объемных зарядов (рис.1.5, а).

Рис. 5. Несимметричный p-n-переход: а - структура перехода; б - распределение потенциала

Электрическое поле, возникающее между объемными зарядами, препятствует дальнейшему перемещению основных носителей заряда. Однако это поле способствует движению через переход неосновных носителей, что приводит к уменьшению объем­ного заряда и электрического поля в переходе. В результате через р-п-переход в равновесном состоянии (без приложения внешнего напряжения) движутся два на­правленных встречно потока зарядов, которые находятся в динамическом равновесии и взаимно компенсируют друг друга.

Разность концентраций разноименных носителей заряда создает в p-n-переходе контактную разно­сть потенциалов, также называемую потенциальным барьером.

Величина контактной разности потенциалов в первом приближении определяется формулой

, (2)

где и - концентрация основных носителей заряда в равно­весном состоянии в областях п и р соответственно; - концентрация собственных носителей заряда; - тепловой потенциал.

Значение контактной разности по­тенциалов у германиевых полупроводниковых приборов при комнатной температуре не превышает 0,4 В; в кремниевых приборах может достигать 0,7...0,8 В.

Ширину несимметричного ступенчатого перехода (в случае ) можно определить из выражения

, (3)

где - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, - диэлектрическая проницаемость вакуума; , - концентрация акцепторной и донорной примесей соответственно.

Если к переходу приложить напряжение плюсом к p-области, а минусом - к n-области, то это напряжение почти полностью будет падать на p-n-переходе. Внешнее электрическое поле будет уменьшать высоту потенциального барьера. Соответственно уменьшится ширина p-n–перехода:

. (4)

До тех пор, пока , обедненный носителями заряда p-n-переход имеет высо­кое сопротивление и ток мал. При переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает. В результате основные носители заряда начинают свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности. Через переход потечет ток, который называется прямым.

Введение носителей заряда через переход в область, где они явля­ются неосновными, называется инжекцией.

Если p-n-переход является несимметричным и концентрация дырок в p- области во много раз выше концентрации электронов в n-области, то диффузионный поток дырок будет во много раз превы­шать соответствующий поток электронов. При этом неосновные носители заряда в основном ин­жектируются из эмиттера (низкоомного слоя) в базу (высокоомный слой).

При диффузии неосновных носителей заряда от p-n-перехода внутрь полупро­водника их концентрация непрерывно убывает из-за рекомбина­ции.

Следовательно, вблизи перехода ток обусловлен в основном диффузионным движе­нием инжектированных носителей заряда. Вдали от перехода ток имеет дрейфовый характер.

При приложении к переходу прямого напряжения ток диффузии основных носителей за­ряда за счет снижения потенциального барьера увеличивается:

. (5)

Дрейфовый ток, обусловленный наличием неосновных носителей заряда, порожденных термогенерцией, остается практически неизменным и равным равновесному диффузионному току .

Если к электрон­но-дырочному переходу приложено обратное напряжение (“+” – к n-области, “-” – к p-области), то электроны и дырки начнут двигаться от p-n-перехода и концентрация свободных носителей заряда в переходе будет уменьшаться, а потенциальный барьер повышаться. Этот процесс называется экстракцией. Ток основных носителей заряда будет уменьшаться в соответствии с (5) и при некото­ром значении U совсем прекратится.

Величина дрейфового тока останется неизменной ( ), поскольку неосновные носители, попав в поле электронно-дырочного перехода, будут им захватываться и переноситься через p-n-переход.

Следовательно, результирующий ток через переход при любом смещении будет определяться выражением

. (6)

при этом прямому включению соответствует положительный знак напряжения, а обратному – отрицательный.

Ток называют тепловым током, или током насыщения. Величина теплового тока для конкретного полупроводника зависит только от темпера­туры и не зависит от приложенного напряжения.

Уравнение идеализированного p-n-перехода (6) показывает, он имеет вентильные свойства. При прямом напряжении ток через переход возрастает по экспоненциальному закону с увеличением напряжения. При обратном напряжении через переход протекает малый тепловой ток, значение которого не зависит от приложенного напряжения и увеличива­ется по экспоненциальному закону при повышении температуры.

Прямое падение напряжения на реальном p-n-переходе при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта), чем это следует из формулы (6), поскольку на это падение напряжения влияет сопротивление слоев полупроводника (особенно базы) и сопротивление контактов металл – полупроводник, через которые подключаются внешние выводы.

Обратный ток реального p-n-перехода на не­сколько порядков больше теоретического значения из-за процессов термогенерации неосновных носителей непосредственно в обла­сти р-n-перехода и поверхностных утечек.

Термогенерация в области р-n-перехода оказывает су­щественное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс ре­комбинации замедлен.

Причинами поверхностных утечек являются возникающие на поверхности кристалла полупроводника поверхностные энергетические уровни, обеспечива­ющие активные процессы генерации и рекомбина­ции, а также молекулярные и ионные пленки, шунтирующие р-п-переход.

При практических ориентировочных расчетах часто принимают, что общий обратный ток кремниевого диода увеличивается в 2 - 2,5 раза на каждые 10° С.

С учетом рассмотренных факторов запишем уравнение реального p-n-перехода в виде

; , (7)

где - тепловой ток; - омическое сопротивление базы диода, - коэффициент, учитывающий технологию изготовления р-п-перехода, - постоянный коэффициент, характеризующий изменение обратного тока в зависимости от температуры.

Коэффициент обусловлен поверхностными токами утечки и определяет степень технологического несовершенства перехода.

Пробой p-n-перехода

Пробоем называют резкое увеличение тока через переход, находящийся под обрат­ным напряжением. Другими словами, дифференциальное сопротивление перехода резко уменьшается, как показано на рис. 6.

В процессе пробоя ток может увели­чиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае диф­ференциальное сопротивление оказывается отрицатель­ным).

Рис. 6. ВАХ диода, учитывающая явление пробоя

В зависимости от физического явления, вызвавшего пробой p-n-перехода, различают туннельный пробой (эффект Зенера), лавинный пробой и тепловой пробой. Туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Если ширина потенциального барьера между валентной зо­ной и зоной проводимости достаточно мала, то возникает туннельный эффект — явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер, даже если они не обладают достаточной энергией для его преодоления. Туннельный пробой имеет место в р-п-переходах с низкоомной базой.

Лавинный пробой возникает в случае, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соуда­рения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой.

Тепловой пробой обусловлен разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной прово­димости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупровод­ник — кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогре­вается, а затем начинается тепловой пробой).

После элек­трического пробоя р-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел на­греться достаточно сильно, свойства перехода необрати­мо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).

Барьерная емкость p-n-перехода

При отсутствии внешнего напряжения вследствие диффузии че­рез р-n-переход электронов и дырок в приграничной области возникает область объемного заряда, обедненная подвижными носителями заряда. При приложении обратного напряжения непроводящая область, обедненная подвижными носителями заряда, увеличивается. При увеличении обратного напряжения на величину ширина области объемного заряда увеличивается на величину . При этом во внешнюю цепь будет вытеснен заряд электронов , где - площадь перехода; - концентрация примесей в слаболегированной области.

По определению , т.е. смещенный в обратном направлении переход обладает емкостью которая называется барьерной. Для резкого несимметричного перехода величина определяется формулой (4).

Дифференцируя уравнение (4), получим

. (8)

Если рассматривать р-n-переход как плоский конденсатор, то его емкость будет определяться выражением . Подставляя сюда значение из формулы (4), получим выражение (8). Таким образом, двумя различными путями получено одно и то же уравнение для определения барьерной емкости.

Диффузионная емкость p-n-перехода

При смещении p-n-перехода в прямом направлении начинается инжекция неоснов­ных носителей заряда. В случае несимметричного p-n-перехода основную роль игра­ет инжекция из эмиттера (области с высокой концентрацией носителей заряда) в базу (область с низкой концентрацией носителей заряда).

Предположим, что переход несимметричный и эмиттером является слой р, а базой – слой п. Тогда ин­жекция – это поступление дырок в слой п. Поступающие в базу дырки будут рекомбинировать с электронами, но поскольку процесс рекомбинации требует определенного времени, то в базе будет накапливаться объемный за­ряд дырок. Величина этого заряда будет прямо пропорциональна току через переход и времени жизни неосновных носителей заряда:

. (9)

Способность p-n-перехода накапливать этот заряд характеризуется диффузионной емкостью .

Для определения емкости учтем, что . Продифференцируем выражение (6) для тока через p-n-переход:

.

Учитывая формулу (9), получим уравнение для определения диффузионной емкости :

. (10)

Как и заряд, эта емкость будет прямо пропорциональна току.

Суммарная емкость p-n-перехода складывается из барьерной и диффузионной емкостей. При обратном смещении перехода (и<0) диффузион­ная емкость практически равна нулю и поэтому учитыва­ют только барьерную емкость. При прямом смещении обычно и учитывают только диффузионную емкость.