2. Класифікація приладів твердотільної електроніки

Прилади твердотільної електроніки можуть бути класифіковані за:

• видом перетворення сигналу;

• використанням;

• застосовуваними структурними особливостями і об'ємними ефектами.

За видом перетворення сигналу всі прилади групують у шість класів: електроперетворюючі, оптоелектронні, гальваномагнітні, термоелектричні, п'єзоелектричні, корпускулярно-перетворюючі.

Електроперетворюючі прилади перетворюють електричний сигнал в електричний, тобто здійснюють підсилення струму або напруги, стабілізацію напруги, зміну частоти, перемикання та ін. До цього класу приладів належать: діоди різних типів, стабілітрони, варикапи, детектори, транзистори різних видів, тунельні діоди, лавинно – перелітні діоди, діоди Ганна, тиристори, нелінійні опори та ін.

Оптоелектронні прилади поділяються на такі групи:

- прилади, в яких світловий сигнал змінює електричний сигнал або ж перетворюється в електричний (фоторезистор, фотодіод, фотоелемент, фототранзистор, фототиристор та ін.);

- прилади, в яких електричний сигнал перетворюється у світловий (світловий діод, інжекційний лазер, електролюмінісцентний конденсатор);

прилади, в яких промінь здійснює зв'язок між елементами (оптронна пара).

Гальваномагнітні (магнітоелектричні) прилади перетворюють збудження електричного й магнітного полів в електричний сигнал (датчик Холла, магніторезистор, магнітодіод, магнітотранзистор, магнітотиристор).

Термоелектричні прилади перетворюють теплову енергію в електричний сигнал або навпаки (термогенератор, термохолодильник, терморезистор). П’єзоелектричні прилади перетворюють сигнал механічної дії (деформації) в електричний сигнал (тензорезистор, тензодіод, електроакустичний підсилювач).

Корпускулярно-перетворюючі прилади перетворюють енергію радіоактивного випромінювання в електричну енергію (атомні електроелементи) або реєструюють частинки високої енергії (датчики проникаючого випромінювання).

За структурними особливостями і об’ємними ефектами, що використовуються, прилади твердотільної електроніки поділяються на:

• прилади з використанням об’ємних властивостей однорідного напівпровідника в рівноважному стані (оптичні фільтри, варистори, термістори, болометри, фоторезистори, магніторезистори, тензорезистори, діоди Ганна, генератори Холла, лазери з безструмовою накачкою, електролюмінісцентні, конденсатори);

• прилади з одним переходом (випрямний діод, тунельний діод, обернений діод, лавинно-перелітний діод, стабілітрон, варикап, діод із бар’єром Шотткі, фотодіод, сонячний елемент, світлодіод, інжекційний лазер, термопара, термогенератор, термоохолоджуючий S–діод);

• прилади з кількома електроними переходами (біполярні транзистори, польові транзистори, тиристори, багатоперехідні сонячні елементи, фоторезистори, фототиристори, енергонезалежні елементи пам’яті та ін.).

1.1.3. Утворення і діаграма енергетичних зон р – n-переходу

Основи теорії р – n-переходів були закладені в роботах ІІІоклі і використовуються для пояснення фізичних явищ багатьох напівпровідникових приладів. Необхідно зауважити, що р – n-переходи відіграють важливу роль у сучасній напівпровідниковій електроніці як самостійні прилади - напівпровідникові діоди і є також основою інших прикладних структур: транзисторів, тиристорів, компонентів інтегральних схем (ІС) тощо.

Рис 1.3. Схематичний вигляд р – n-переходів, створених методом сплавлення (а) і дифузією домішок (б)

Розрізняють три види переходів:

-гомопереходи - це переходи, утворені між двома однаковими напівпровідниками, тобто такими, які мають однакову ширину забороненої зони, діелектричну проникність і т.д., але леговані домішками різного типу або в різній кількості, наприклад р-Si - n-Sі та ін;

-переходи (бар'єри) Шотткі утворюються на контакті між металом і напівпровідником, наприклад Аl- р-Sі та ін;

-гетеропереходи утворюються між двома різними напівпровідниками, що мають різні ширину забороненої зони, діелектричні проникності і т.д., наприклад Ge-Sі, СdTe-HgТе та ін.

Р – n-переходи можуть бути створені різними способами:

- сплавленням двох напівпровідників (рис. 1.3, а);

- епітаксійним нарощуванням;

- дифузією домішок у напівпровідник (рис. 1.3, б);

- іонним легуванням;

- лазерною технологією;

Розглянемо один і той самий домішковий невироджений напівпровідник з різним типом електропровідності. Нехай спочатку напівпровідник р-типу і напівпровідник n-типу провідності не знаходяться в електричному контакті, тоді діаграма енергетичних зон матиме вигляд, (рис.1.4), де Е_Fp і E_Fn, – рівні Фермі для напівпровідників р – і n – типів відповідно. Щоб побудувати енергетичну діаграму p – n-переходу, утвореного в одному напівпровіднику, треба мати на увазі, що межі енергетичних зон однорідного матеріау розташовуються паралельно між собою і по відношенню до осі “x” Енергетичні рівні, що відповідають межам зон для напівпровідника р-типу відносно рівня вакууму, розташовуються так само, як і для напівпровідника n- типу провідності (рис.1.4). Робота виходу електрона з напівпровідника визначається положенням рівня Фермі, який в матеріалі, легованому донорними домішками, знаходиться між серединою забореноної зони і дном зони провідності, а в напівпровіднику, легованому акцепторними домішками, - між серединою забороненої зони і стелею валентної зони. Отже, робота виходу електрона з напівпровідника р-типу провідності більша, ніж робота виходу того самого напівпровідника, але n-типу провідності, тому що визначається енергією, яку треба затратити, щоб перевести електрон із рівня Фермі на рівень вакууму. Під час зближення обох напівпровідників, тобто утворення електричного контакту, за якого відстань (d) така, що між ними можливий ефективний обмін електронами й дірками, частина електронів із напівпровідника n-типу перейде в напівпровідник р-типу, і відповідно, дірки з напівпровідника р-типу перейдуть у матеріал n – типу. Причиною таких переходів є тепловий дифузійний рух носіїв заряду. У кожному напівпровіднику утворюється шар об'ємного заряду, який збіднений основними носіями або, інакше у приконтактній ділянці напівпровідників виникає область просторового заряду (ОПЗ), що складається з двох протилежно заряджених шарів.

Рис. 1.4. Діаграма енергетичних зон невироджених напівпровідників p – і n – типів провідності

Рис. 1.5. Діаграма енерегтичних зон p – n- переходу для рівноважного стану (U=0)

Однак забезпечити ідеальний контакт за рахунок безпосереднього зіткнення двох твердих тіл практично неможливо, оскільки на поверхні твердого тіла завжди є атомні шари, що мають діелектричні чи напівпровідникові властивості. На рис 1.5 зображена діаграма енергетичних зон р – n-переходів для рівноваженого стану.

У р-області переходу (-х_р < х < 0), тобто ліворуч від металургійної межі (х=0), після дифузії з цієї області дірок залишаються нескомпепсовані іонізовані акцептори (від'ємний нерухомий заряд). В n-області (0 < х < х_n), тобто праворуч від металургійної межі, після дифузії з неї електронів залишаються нескомпенсовані іонізовані донори (додатний нерухомий заряд). Перехід дірок зліва направо і електронів справа наліво відбувається доти, доки рівень Фермі для n- і р-областей переходу не встановиться на одній висоті енергетичної діаграми.

Зарядження n-області переходу додатно призводить до пониження всіх її енергетичних рівнів, а зарядження р-області негативно - до підвищення, тобто виникає зсув енергетичних зон. Цей зсув визначає контактну різницю потенціалів (φ_k) і відповідає висоті потенційного бар'єра р-n-переходу (U_k). На контакті виникає внутрішнє (дифузійне) електричне поле з напруженістю (E_вн), спрямоване справа наліво (рис.1.5). Потенційний бар'єр перешкоджає рухові через контакт основних носіїв заряду і визначається через контактну різницю потенціалів

. (1.31)

Отже, р – n-переходом будемо називати контакт двох напівпровідників із різними типами електропровідності, в якому існує внутрішнє (дифузійне) електричне поле.

Металургійною межею р – n-переходу будемо вважати площину, на якій змінюється тип домішок, що переважає в напівпровіднику.

Рис. 1.6. Діаграма енергетичних зон під час прямого (а) і зворотного (б) зміщення р – n-переходу

Необхідно зазначити, що під час подачі зовнішньої напруги на р-n-перехід квазірівні Фермі зміщуються відносно рівноважного стану. На рис. 1.6 зображено діаграму енергетичних зон для р – n-переходу, якщо напруга пряма (U>0) і зворотна (U<0). Якщо U>0, то напруга вираховується з φ_k, сумарне електричне поле в переході знижується і ширина збідненої області зменшується. Якщо ж U<0, то U і φ_k додаються, сумарне електричне поле в переході підвищується, що призводить до розширення збідненої області.