Тема 2. Полупроводниковые приборы

1.1. Электронные приборы.

Электронные приборы подразделяются на:

- электронные электровакуумные приборы (электронные лампы, электронно-лучевые трубки: осциллографические кинескопы, дисплеи и др.);

- ионные электровакуумные или газоразрядные приборы, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионной плазмой (тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны);

- полупроводниковые приборы, у которых движение зарядов происходит в твёрдом теле полупроводников.

Основными классами полупроводниковых приборов являются:

- диоды, биполярные и полевые транзисторы, тиристоры, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы;

- приборы, выполненные в виде интегральных микросхем разной степени интеграции и представляющие собой совокупность нескольких взаимосвязанных компонентов (транзисторов, диодов, резисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на полупроводниковых или диэлектрических подложках.

В зависимости от формы сигналов, обращающихся в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.

Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители, в том числе операционные.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др.

Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.

1.2. Полупроводниковые материалы. Собственная и примесная электропроводность. Электронно-дырочные p-n переход и его свойства

П олупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (беспримесные) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p- число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового I_др и диффузионного токов I_диф.

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие I_др= I_{n др}+I _{p др}.

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие I_диф= I_{n диф}+I _{p диф}

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между I_др и I_диф нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n-переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

Свойства p-n перехода.

К основным свойствам p-n перехода относятся:

- свойство односторонней проводимости;

- температурные свойства p-n перехода;

- частотные свойства p-n перехода;

- пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U). Будем считать прямое напряжение положительным, обратное –отрицательным.

Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при изменении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени –охлаждение. При увеличении температуры увеличивается генерация носителей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода:

- ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью;

- диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носителей заряда через p-n переход при прямом включении.

Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n перехода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ёмкостное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при прямом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.

П ри увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока.

Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении называется электрическим пробоем p-n перехода.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов - лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n-переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n-перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n-перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.