Основные типы современных полупроводниковых приборных структур

Базовые полупроводниковые структуры современных изделий электроннй техники и лиоэнергетики можно условно разделить на три основные типа:

1. Однородные полупроводниковые структуры.

2. Диодные полупроводниковые структуры.

3. Транзисторные полупроводниковые структуры.

Более подробная классификация полупроводниковых приборных структур приведена в jpg-файле “Основные типы полупроводниковых структур”, выданном в наборе электронных документов по соответствующей тематике.

Ниже приведены определения указанных выше трех основных типов базовых полупроводниковых структур и некоторая информация, дополняющая содержание jpg-файла “Основные типы полупроводниковых структур”.

Однородные полупроводниковые структуры – это структуры, которые не содержат выпрямляющих переходов, а их свойства определяются только объемными свойствами макроскопически однородного полупроводникового материала.

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такой структуры приведено на рисунке 12. Вольт-амперная характеристика однородной полупроводниковой структуры, приведенная на рисунке 13, при малых электрических полях в полупроводнике является линейной и симметричной относительно полярности прикладываемого напряжения.

Рисунок 13 – Вольт-амперная характеристика однородной полупро-водниковой структуры при малых элек-трических полях в полупроводнике

Рисунок 12

Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) еще часто называется омической, поскольку соответствует закону Ома для участка цепи

I = (1/R)·U, (18)

где R – сопротивление участка цепи.

Однородные полупроводниковые структуры являются базовыми для изделий электронной техники, которые называются полупроводниковыми резисторами, а также для датчиков Холла.

Полупроводниковые резисторы в зависимости от области применения и связанных с последней особенностей конструктивно-технологического решения подразделяются на:

-терморезисторы (термисторы – α_Т < 0 и позисторы - α_Т > 0);

-фоторезисторы (изменяют – чаще уменьшают свое сопротивление при облучении фотоактивной компонентой электромагнитного излучения);

-газорезисторы (изменяют свое сопротивление – уменьшают или увеличивают при появлении посторонней газовой примеси в фоновой газовой среде);

-варисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием сильного электрического поля);

-магнеторезисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием магнитного поля);

-моностабильные и бтстабильные переключатели тока (разновидность быстродействующих варисторов);

--элементы оперативной и постоянной репрограммируемой энергонезависимой электрической памяти.

Диодные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат один выпрямляющий переход, определяющий наиболее важные с практической точки зрения электрические и фотоэлектрические свойства базирующихся на них приборов.

Как следует из jpg-файла “Основные типы полупроводниковых структур”, такие приборы подразделяются на диоды Шоттки (по фамилии немецкого физика, впервые предложившего указанные приборы и теоретически обосновавшего принцип их работы) и диоды с p-n-переходом.

Диод Шоттки – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой трехслойную структуру металл/полупроводник/металл с выпрямляющим переходом у контакта между полупроводником и одним из металлов и с омическим (не выпрямляющим) контактом между полупроводником и другим металлом (отличающимся по электронным параметрам от первого).

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 14.

Диод с p-n-переходом – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру металл/полупроводник р‑типа/полупроводник n-типа/металл с выпрямляющим переходом в области контакта полупроводников р- и n-типа, а также с омическими контактами этих полупроводников с металлическими электродами.

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 15.

Схематическое изображение ВАХ обоих типов диодов приведено на рисунке 16.

Рисунок 14 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения ди-ода Шоттки: МЭ1 и МЭ2 – металлические электроды 1 и 2; красная область – область обеднения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа); зеленая область - область обогащения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа)

Рисунок 15 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения диода с p-n-переходом: МЭ1 и МЭ2 – ме-таллические электроды 1 и 2; зеленые области - области обогащения полупро-водника основными носителями заряда (электронами в полупроводнике n-типа или дырками в полупроводнике р-типа);

розовые области – области обеднения полупроводниковых слоев основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа); внутри указанных облас-тей обеднения присутствует нескомпенси-рованный объемный заряд (отрицатель-ный со стороны полупроводника р-типа и положительный со стороны полупровод-ника n-типа.

Присутствие указанного объемного заряда в этих областях обеднения приводит к наличию в них встроенного электрического поля, вектор напряжен-ности которого направлен справа налево.

Так как концентрация посителей заряда в областях обеднения намного ниже, чем в остальных электронейтраль-ных областях полупроводникового мате-риала, то их сопротивление намного выше, чем сопротивление остального объема полупроводникового материала. Поэтому все прикладываемое к диодам извне напряжение U практически полнос-

Рисунок 16 – Схематические изображения ВАХ: 1 – диодов; 2 – для сравнения – ВАХ однородных полупроводниковых структур

тью падает на областях обеднения полупроводниковой приборной структуры, в связи с чем именно эти области и определяют особенности ВАХ диодов – как диодов Шоттки, так и диодов с p-n-переходами. Как показано теоретически и подтверждено экспериментально, в силу специфики переноса зарядов под влиянием прикладываемого к диодам внешнего напряжения U прямые (U >0) и обратные (U < 0) ветви их ВАХ (Рис. 16) описываются соотношением

I = I₀{exp[(eU/(kT)]-1}, (19)

где I₀ – не зависящий от U в случае диода Шокли диодный ток насыщения, наблюдаемый как полка на обратной ветви ВАХ при |U| > 0,1 В (Рис. 16, U < 0); e = 1,6·10^-19 Кл – абсолютное значение заряда электрона; k = 1,38·10^‑23 Дж/К (или 8,6·10^‑5 эВ/К) – постоянная Больцмана; Т – температура диода.

В связи с сильной нелинейностью и асимметрией ВАХ диоды широко используются, например, для выпрямления знакопеременного тока, в частности, промышленной частоты. При этом практически важным параметром диода является его коэффициент выпрямления К, который определяется соотношением

К = I(U*>0)/I(U*< 0), (20)

где * - указывает на то, что |U| = const при прямой и обратной полярностях подаваемого на диод напряжения.

Для получения представления о количественных значениях коэффициента выпрямления в зависимости от |U| предлагается, используя соотношения (19) и (20), выполнить самостоятельную расчетную работу по определению величины К для диода Шокли при |U|₁ = 0,2 В, |U|₂ = 0,4 В и |U|₃ = 0,6 В. Отчет о проведенной работе с приложением соответствующих конкретных численных операций оформить как самостоятельную работу и сдать преподавателю.

Транзисторные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат два взаимодействующих выпрямляющих электрических перехода, либо выпрямляющие электрические переходы и взаимодействующий с ними проводящий канал, свойства которого управляются электрическим полем, создаваемым внешним источником напряжения.

Такие структуры лежат в основе, прежде всего, трехэлектродных приборов – транзисторов, которые подразделяются на биполярные и полевые. Принцип работы этих приборов построен на изменении электросопротивления одних элементов структуры под влиянием других ее элементов, что и отражает составное слово «транзистор»:

transistor ≡ transfer resistor ≡ преобразуемый резистор.

Далее, начиная со следующей страницы, приведена несколько более подробная информация, относящаяся к указанным типам транзисторов.