3.2. Описание молекулы нитрида галлия

П о физическим свойствам нитрид галлия во многом схож с карбидом кремния. Это также бинарное ковалентное соединение с кристаллической структурой типа вюрцита, но без полиморфизма.

Рисунок 6. Элементарная ячейка GaN. Зеленые атомы – Ga. Коричневые – N.

GaN тугоплавок, тверд, обладает высокой теплопроводностью, но ниже, чем у карбида кремния. При нормальных условиях – бесцветный прозрачный кристалл.

Дальнейшее рассмотрение свойств, в первую очередь, важных для электротехники, бессмысленно без уточнения применения этих свойств. Поэтому, прежде чем рассматривать эти свойства, в данном реферате будут рассмотрены устройства на основе SiC и GaN, а после они будут сравнены с кремниевыми и GaNAl устройствами с рассмотрением характеристик молекул и веществ.

4. Диоды и транзисторы на основе SiC и GaN

1. p-n, p-n-p и n-p-n переходы, диоды и транзисторы

Не смотря на, казалось бы, общедоступное и необходимое понимание принципа работы p-n, n-p-n и p-n-p переходов, в курсе обучения они пока не были рассмотрены. Поэтому, прежде чем рассказывать о особенностях устройства переходов в полупроводниковых компонентах на основе карбида кремния и нитрида галлия, нужно вкратце рассказать о переходах в общем.

p-n переход другими словами можно назвать «электронно-дырочным переходом», от английского p – positive (положительная/дырочная) и n – negative (отрицательная/отрицательная) область. Соответственно p-n переход – это область соприкосновения полупроводников с указанными типами проводимости. Простейшим устройством основанным на p-n переходе является диод.

Р исунок 7. Схематическое устройство диода и его обозначение на принципиальных электрических схемах.

В зависимости от материалов, используемых при создании p-n переходов, примесей в них и легирования получен огромный набор самых разных диодов для различных целей. В данном реферате будут рассмотрены только самые подходящие диоды и транзисторы для карбида кремния и нитрида галлия.

Рассмотрим работу p-n перехода на основе выпрямительного диода.

Если к аноду диода приложить внешнее напряжение по направлению к катоду (против направления поля в переходе), то динамическое равновесие нарушится и диффузный ток (усредненный в одном направлении) начнет преобладать над дрейфовым (хаотичным движением электронов), быстро нарастая с увеличением напряжения. Это явление называется прямым смещением. Диод не идеален, поэтому обладает некоторым сопротивлением и вносит изменения в протекающий через себя ток. При достижении определенный силы тока диод не сможет рассеять мощность и выйдет из строя. Сила тока, при которой происходит выход из строя диода при постоянной и длительной работе называется максимальным прямым током I_{пр. макс.}

Если к катоду диода приложить внешнее напряжение по направлению к аноду (по направлению поля в переходе), то это приведет к увеличению толщины слоев пространственного заряда. Сопротивление на диоде увеличится, малый дрейфовый ток будет преобладать над диффузным при идеальном диоде. Это явление называется обратным смещением. В реальном же диоде малый диффузный ток присутствует, и называется током утечки (или обратным током) I_ут. Важно подбирать диоды так, чтобы ток утечки не влиял на работу цепи существенно. При увеличении напряжения под воздействием внешнего поля p-n барьер будет «пробит» и ток потечет через пробитый диод. Такое напряжение называют напряжением пробоя U­_пр­,, а тип пробоя - лавинным_. При еще большем увеличении обратного напряжения резко увеличится сопротивление на диоде, и он просто сгорит, не сумев рассеять приложенную мощность. Такой пробой называется тепловым или невосстановимым.

Простейший пример применения выпрямительных диодов – диодный мост, преобразующий ток переменного напряжения в постоянное.

Помимо p-n перехода, можно создать комбинацию из переходов p-n-p и n-p-n. Простейшими устройствами использующие свойства данных переходов называются биполярными транзисторами с каналами N типа и P типа проводимости соответственно.

Р исунок 8. NPN биполярный транзистор и его обозначение на схеме

Рисунок 9. PNP биполярный транзистор транзистор и его обозначение на схеме

Устройство транзисторов еще более понятно после ознакомления с устройством диодов. Рассмотрим их устройство на примере биполярного транзистора. В основе лежат все те же p-n переходы, только после p-n перехода добавляется еще один слой полупроводника p типа, либо аналогично с n-p-n. Порядок расположения разных слоев влияет на положение слоя p-n, который все так же подвержен прямому и обратному смещению.

Биполярный транзистор состоит из трех функциональных элементов. Эмиттер, Коллектор и База. Эмиттер и коллектор имеют проводимость одинакового типа n или p, база – отличную от них. В зависимости от способов подключения биполярный транзистор может выполнять различные функции, но рассматривать их сейчас мы не будем.

Рассмотрим NPN биполярный транзистор. В связи с наличием двух p-n переходов в разном направлении ток от коллектора к эмиттеру течь не будет по причине наличия хотя бы одного потенциального барьера. Вне зависимости от полюсов. Но если на тонкий P слой подать ток той же полярности что и на эмиттере, то электроны N области эмиттера устремятся в P область базы и начнут движение по дыркам. Но так как P слой тонкий и свободных дырок для всех электронов не хватает, то они остаются в P области, которая практически превращается в N область. На базе практически формируется N область, но и на коллекторе N область, также от эмиттера имеется разность потенциалов. В итоге те электроны что не смогли уйти по базе отправляются в коллектор. Притом количество электронов, а значит и сила тока будет прямо пропорционально зависеть от приложенному к управляющей цепи (базе) току.