Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Чернівецький національний університет імені Юрія Федьковича

Твердотільна електроніка

Навчальний посібник

Укладачі: Я.І. Радевич, Г.О. Андрущак

Чернівці

Чернівецький національний університет

2013

УДК 621.382 (075.8)

ББК 32.852я73

Т263

Друкується за ухвалою редакційно-видавничої ради Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Рецензенти :

Політанський Леонід Францович, доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри радіотехніки та інформаційної безпеки ЧНУ.

Нічий Сергій Васильович, кандидат фізико-математичних наук, доцент кафедри фізики напівпровідників і наноструктур.

Т263 Твердотільна електроніка : навчальний посібник / уклад. Радевич Я. І., Андрущак Г. О. — Чернівці : Чернівецький національний університет, 2013. – 324 с.

Розглянуто фізичні процеси контактних явищ у напівпровідниках, контактах метал – напівпровідник, структурах метал – діелектрик – напівпровідник. Проаналізовано фізичні принципи роботи та наведені властивості і характеристики напівпровідникових діодів, біполярних і польових транзисторів, тиристорів, а також зміну їх параметрів і властивостей залежно від режимів роботи. Значна увага приділяється математичному аналізу роботи напівпровідникових приладів.

Для студентів напрямку “Електроніка”, широкого кола спеціалістів у галузі твердотільної електроніки і мікроелектроніки.

УДК 621.382 (075.8)

ББК 32.852я73

©Чернівецький національний

університет, 2013

ЗМІСТ

Вступ…………………………………………………………8

1. ФІЗИКА КОНТАКТНИХ

ЯВИЩ У НАПІВПРОВІДНИКАХ……………………10

1. Фізичні процеси в p – n-переходах……………………10

1.1.1. Елементи фізики напівпровідників……………………10

1.1.2. Класифікація приладів твердотільної електроніки……...19

1.1.3. Утворення і діаграма енергетичних зон p – n-переходу...22

1.1.4. Висота потенційного бар'єра і контактна

різниця потенціалів………………………………….....27

1.1.5. Типи p – n-переходів за розподілом концентрації

домішок………………………………………………..30

1.1.6. Розподіл напруженості електричного поля і потенціалу

в різкому p – n-переході. Ширина p – n-переходу……...31

1.1.7. Розподіл напруженості електричного поля і потенціалу

в лінійному р-п-переході. Ширина p – n-переходу……...39

1.1.8.Бар'єрна ємність p – n-переходу…………………………43

1.1.9. Граничні умови для концентрації неосновних носіїв заряду в p – n-переході. Інжекція та екстракція носіїв заряду…………………………………………………..48

1.1.10. Контакт двох напівпровідників з однаковим типом електропровідності (n – n⁺-і р – р⁺-переходи) ………….51

1.2. Фізичні основи контакту метал – напівпровідник………..54

1.2.1. Термоелектронна емісія в напівпровідниках…………...55

1.2.2. Діаграма енергетичних зон переходу

метал – напівпровідник………………………………..57

1.2.3. Внутрішнє електричне поле і розподіл потенціалу в приконтактній ділянці………………………………….61

1.2.4. Вольт-амперна характеристика контакту метал-напівпровідник (діода з бар'єром Шотткі) ……………..64

1.2.5. Вольт-ємнісна характеристика випрямного контакту метал – напівпровідник (бар'єра Шотткі) ……………………..71

1.2.6. Особливості ВАХ реальних випрямних контактів метал – напівпровідник (бар'єрів Шотткі) ………………………72

1.2.7. Невипрямні (омічні) контакти метал – напівпровідник…76

1.3. Фізичні процеси в структурах метал – діелектрик – напівпровідник………………………………………….81

1.3.1. Ідеальна МДН-структура. Напруга плоских зон………..82

1.3.2. Поверхневий потенціал МДН-структури. Режими збагачення, збіднення та інверсії……………………………..86

3. Порогова напруга МДН-структури…………………...93

1.3.4. Аналіз нерівноважного стану МДН-структури…………97

1.3.5. Ємність ідеальної МДН-структури……………………100

1.3.6. Вплив заряду в діелектрику на властивості МДН-структури……………………………………………...104

2. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ………………………….110

2.1. Стаціонарний режим роботи напівпровідникового

діода.…….……………………………………………..110

2.1.1. Структура і елементи напівпровідникового діода……..110

2.1.2. Вольт-амперна характеристика ідеального діода……...111

2.1.3. Струм насичення і його залежність від температури….119

2.1.4. Відхилення ВАХ напівпровідникового діода від ідеальної моделі. Процеси в діодах за високих рівнів інжекції….120

2.1.5. Розрахунок ВАХ діода за високих рівнів і нжекції……124

2.1.6. Вплив генерації та рекомбінації носіїв заряду в ОПЗ на ВАХ діода……………………………………………..127

2.1.7. ВАХ діода з урахуванням опору бази за значних прямих струмів………………………………………………...131

2.1.8. Особливості дослідження ВАХ діодів і опрацювання даних для аналізу механізму проходження струму……132

2.2. Нестаціонарні фізичні процеси в напівпровідникових

діодах…………….……………………………………...135

2.2.1. Процеси в діодах за малого періодичного сигналу……136

2.2.2. Дифузійна ємність…………………………………….140

2.2.3. Еквівалентна схема діода……………………………...142

2.2.4. Поняття про перехідні процеси в напівпровідникових діодів………………………………………………….143

2.3. ВАХ напівпровідникового діода під час пробою p – n-переходу………………………………………………147

2.3.1. Тунельний пробій p – n-переходу……………………..147

2.3.2. Лавинний пробій p – n-переходу………………………151

2.3.3. Тепловий пробій p – n-переходу ……………………...157

2.4. Функціональні властивості діодних структур…………..162

1. Випрямні діоди………………………………………..162

2. Імпульсні і високочастотні діоди……………………...170

3. Надвисокочастотні діоди……………………………...176

4. Перемикаючі і помножувальні діоди………………….181

5. Діоди Шотткі………………………………………….184

6. Діоди з накопиченням заряду…………………………185

7. Варикапи……………………………………………...187

8. Стабілітрони і стабістори……………………………...190

9. Тунельний діод………………………………………..194

3. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ…………………………….210

3.1. Фізичні основи біполярних транзисторів………………..210

3.1.1. Структура, режими роботи і типи транзисторів……….210

3.1.2. Основні фізичні процеси в бездрейфових транзисторах типу р – n – р………………………………………….213

3.1.3. Ефект Ірлі……………………………………………..215

3.1.4. Схеми ввімкнення транзисторів……………………....217

3.1.5. Розподіл концентрації основних носіїв заряду і струми при постійному зміщенні переходів……………………….218

3.2 Динамічні параметри і статичні характеристики

транзистора……………………………………………..223

3.2.1. Еквівалентна схема ідеального транзистора (без урахування електронних струмів) …………………….223

3.2.2. Ефективність емітера………………………………….224

3.2.3. Коефіцієнт перенесення……………………………….225

3.2.4. Власний коефіцієнт підсилення за струмом колектора..228

3.2.5. Коефіцієнт підсилення за струмом транзистора………229

3.2.6. Розподіл струмів в електродах біполярного

транзистора…………………………………………...232

3.2.7. Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою……………………………………..233

3.3. Залежність параметрів транзистора від режиму роботи і температури…………………………………………...236

3.3.1. Аналіз процесів перенесення носіїв заряду в базі транзистора при високих рівнях інжекції……………..236

3.3.2. Вплив режиму роботи на параметри транзистора……..238

3.3.3. Вплив температури на параметри транзисторів……….241

3.3.4. Шуми в транзисторах………………………………….244

4. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ……………………………….248

4.1. Польовий транзистор із затвором Шотткі……………….248

4.1.1. Структура і принцип дії польових транзисторів із затвором Шотткі………………………………………………...249

4.1.2. Статичні характеристики польових транзисторів із затвором Шотткі…………………………………………………253

4.1.3. Параметри польових транзисторів із затвором Шотткі…..258

4.1.4. Польові транзистори із затвором Шотткі і

гетеропереходом………………………………………..261

4.2. Польовий транзистор з керуючим р – n-переходом……….266

4.2.1 Структура і принцип дії польового транзистора з керуючим

р – n-переходом…………………………………………267

4.2.2. Вольт-амперні характеристики польового транзистора з керуючим р – n-переходом……………………………...270

4.2.3. Розрахунок вихідних статичних характеристик польового транзистора з керуючим р – n-переходом………………..272

4.2.4. Параметри і еквівалентна схема польового транзистора з керуючим р – n-переходом……………………………..276

4.3. Польовий транзистор зі структурою метал – діелектрик – напівпровідник (МДН-транзистор) ……………………..281

4.3.1. Структура і принцип дії МДН-транзистора………………282

4.3.2. Статичні характеристики МДН-транзистора………..287

4.3.3. Розрахунок вихідних статичних характеристик МДН-транзистора……………………………………………291

4.3.4. Параметри МДН-транзистора………………………...294

4.3.5. Еквівалентна схема і частотні властивості

МДН-транзисторів……………………………………...298

4.3.6. Порівняльні характеристики польових транзисторів……301

5. ТИРИСТОРИ……………………………………………...305

1. Діодний тиристор……………………………………..305

1. Структура і принцип дії……………………………….305

2. Вольт-амперна характеристикика діодного

тиристора…………………………………………..309

3. Діодний тиристор із зашунтованим емітерним переходом…………………………………………….313

1. Тріодний тиристор……………………………………315

2. Симетричний тиристор……………………………….318

Список літератури…………………………………………..322

ВСТУП

Основні напрямки розвитку сучасної твердотільної електроніки полягають у максимальному зменшенні габаритів напівпровідникових приладів при одночасному підвищенні їх надійності і поліпшенні технічних характеристик і властивостей.

Сьогодні напівпровідникові прилади широко використовуються в радіоелектроніці й обчислювальній техніці як компоненти дискретних та інтегральних схем. Крім цього, їх властивості такі, що, залежно від вибраної конструкції приладів і режиму роботи, вони можуть виконувати функції як активних, так і пасивних компонентів схем. Отже, існує можливість побудови складних електронних схем із використанням напівпровідникових структур, що особливо важливо для мікроелектроніки. Через наявність високого вхідного опору польові транзистори широко застосовуються в операційних і електрометричних підсилювачах. Розширюється їх використання в низькочастотних малошумових пристроях, мікропотужних підсилювачах тощо. Можливість побудови електронних схем на взаємодоповнюючих польових транзисторах із різним типом провідності каналу, що називаються комплементарними (КМОН), відкриває значні перспективи їх широкого використання в дискретній техніці. Логічні елементи, елементи збереження дискретної інформації на КМОН-структурах практично не споживають потужності в статичному режимі. Це дає змогу знизити енергетичні затрати на збереження і перетворення інформації й підвищити ступінь інтеграції компонентів інтегральних схем.

Польові транзистори з бар’єром Шотткі, як і МДН-прилади, дають змогу створити весь клас сучасних інтегральних мікросхем – аналогових і цифрових. Однак як у технології виготовлення, так і в проектуванні ці прилади мають свої відмінності, переваги й недоліки.

Навчальний посібник призначено для студентів базового напрямку “Електроніка”. Також він буде корисним для студентів інших спеціальностей, широкого кола спеціалістів, які мають бажання поповнити свої знання в галузі твердотільної електроніки.