книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

содержащем смежные области р- и «-проводимости. Этот слой часто называют также р—« переходом.

При одинаковой концентрации носителей в /5-области и «-области р—« переход располагается симметрично от­ носительно границы контакта полупроводников /5-прово­ димости и «-проводимости. Если же в /5-области концент­ рация носителей будет выше, чем в «-области, то толщина слоя, охватываемого р—« переходом, будет больше в об­ ласти, имеющей меньшую концентрацию носителей (в рассматриваемом случае в «-области). Область с мень­ шей концентрацией носителей, в которой локализуется большая часть слоя р—« перехода, называется базой. Область с большей концентрацией носителей, в которой располагается меньшая по толщине часть слоя р—п пе­ рехода, называется эмиттером. При отсутствии внешнего смещения в р—« переходе под действием сил градиента концентрации происходит перемещение основных носите­ лей в смежную область (дырок из дырочной области в электронную область и электронов из электронной в ды­ рочную область перехода). В результате этого в /5-обла­ сти перехода образуются отрицательные неподвижные ионы, а в «-области — положительные неподвижные ионы

При отсутствии внешнего напряжения в /5-области и «-области р—« перехода в результате явления собствен­ ной проводимости образуются пары электрон — дырка. Эти парные носители под действием соответствующих зарядов двойного запорного слоя приходят в движение, называемое дрейфовым и, сливаясь (рекомбинируя) с нонами противоположного знака, погашаются.

Силы градиента концентрации вызывают диффузион­ ное движение основных носителей в смежную область, в результате чего ликвидируется убыль ионов в запорном слое, происшедшая вследствие рекомбинации носителей собственной проводимости.

Токи дрейфового и диффузионного движения взаим­ но компенсируются и во внешнюю цепь тока не поступа­ ют. Рассмотренный процесс протекает непрерывно и по­ этому область запорного слоя постоянно обеднена носи­ телями обоих знаков.

40

©Д ы рки

©Элект роны

Рис. 15. р—п переход при отсутствии внешнего смещения

Если к положительной части запорного слоя (п-об- ласть) подключить положительный зажим внешнего ис­ точника напряжения, а к отрицательной (^-область) — отрицательный зажим, то р—п переход окажется смещен­ ным в запирающем направлении. При этом в запорном слое толщина слоя положительных ионов и слоя отрица­ тельных ионов увеличивается за счет дрейфового отбора источником носителей примесной проводимости

(рис. 16, а).

Поэтому ширина запорного слоя в целом также уве­ личивается. Под действием внешнего поля источника про­ исходит дрейфовое перемещение неосновных носителей

41

Рис. 16. Расширение запорного слоя при обратном смещении перехода (а); пробой диода при обратном

смещении (б)

собственной проводимости и во внешней цепи протека­ ет небольшой ток. Это так называемый обратный ток диода. Обратный ток диода зависит от температуры по экспоненциальному закону:

где / 0 (в) — обратный ток диода при температуре 0 ;

/0 (25) — обратный ток диода при температуре 25°С;

а— коэффициент, равный для германия

0,09—0,05 и для кремния 0,13—0,07.

42

С увеличением напряжения обратный ток диода вна­ чале увеличивается незначительно, а начиная с некоторо­ го предельного напряжения увеличивается сильно (рис. 16, б). Незначительное увеличение обратного тока объясняется расширением запорного слоя. Поскольку при этом увеличивается объем запорного слоя, то увеличива­ ется число пар электрон — дырка, образующих обрат­ ный ток.

Резкое увеличение обратного тока при некотором пре­ дельном запирающем напряжении может объясняться процессом лавинного умножения неосновных носителей в результате передачи кинетической энергии перемещаю­ щихся электронов валентным электронам узлов кристал­ лической решетки. Такое увеличение обратного тока на­ зывается лавинным пробоем р—п перехода.

Интересно отметить, что лавинное умножение носите­ лей по своему механизму аналогично явлению положи­ тельной обратной связи при малом петлевом усилении.

Резкое увеличение обратного тока диода при некото­ ром предельном напряжении может также происходить в результате образования пар электрон — дырка под действием электрического поля. Такое увеличение обрат­ ного тока под действием электрического поля называется полевым пробоем или пробоем Зенера. И, наконец, треть­ ей возможной причиной увеличения обратного тока явля­ ется повышение температуры перехода при протекании обратного тока. Этот вид увеличения обратного тока на­ зывается тепловым пробоем.

В реальных полупроводниковых приборах в том или ином сочетании наблюдаются все три вида пробоя р—п перехода. Однако тепловой пробой достаточно сильно выражен только у полупроводниковых приборов с малой площадью р—п перехода (полупроводниковые диоды точечной конструкции). Зенеровский пробой воз­ можен только при больших напряженностях поля. И по­ скольку напряженность поля в запорном слое тем выше, чем тоньше запорный слой, то полевой механизм пробоя преобладает у приборов с тонким запорным слоем или, иными словами, у приборов, выполненных из низкоом­ ных полупроводниковых материалов. У полупроводнико­ вых приборов с широким запорным слоем (высокоомный полупроводниковый материал), напротив, преобладает лавинный механизм пробоя, поскольку при большем

43

объеме запорного слоя количество пар электрон — дыр­ ка, генерируемых за счет лавинного процесса, увеличи­ вается.

Если к положительной части запорного слоя (п-об­ ласть) подключить отрицательный зажим внешнего ис­ точника напряжения, а к отрицательной части запорного слоя (р-область) — положительный зажим источника, то р—п переход оказывается смещенным в отпирающем направлении (рис. 17). При увеличении отпирающего напряжения запорный слой делается тоньше и при неко­ тором напряжении полностью ликвидируется. В резуль­ тате уменьшения толщины запорного слоя при измене­ нии отпирающего напряжения происходит изменение сопротивления р—п перехода. Поэтому ток р—п перехода при прямом смещении нелинейно зависит от напряжения. Изменение тока через р—п переход при прямом и обрат­ ном смещении отражает следующая формула:

I

44

q— заряд электрона;

к■— постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Поскольку неподвижные ионы двойного запорного слоя являются хранителями заряда, для увеличения или уменьшения двойного запорного слоя при изменении внешнего напряжения AU требуется затратить некоторое количество электрического заряда Aq.

„ Дq

Этот эффект обусловливает емкость С= —— перехо­

да, которая называется барьерной или зарядной. При прямом смещении перехода барьерная емкость уменьша­ ется с уменьшением запорного слоя. Однако при этом возникает накопление в базе неосновных носителей (ос­ новных носителей эмиттерной области, пролетевших в базу), которое при изменении напряжения AU требует отдачи некоторого количества электрического заряда

Aq.

Этот эффект обусловливает так называемую диффу­ зионную емкость перехода.

Значительное уменьшение барьерной емкости перехо­ да при прямом его смещении сопровождается незначи­ тельным ростом диффузионной емкости, в результате че го крутизна уменьшения суммарной емкости при увели­ чении прямого смещения значительно ниже, чем при уменьшении обратного смещения.

§ 3. Конструкция точечных и плоскостных диодов

Двухэлектродные полупроводниковые приборы (дио­ ды) по геометрии р—п перехода подразделяются на два существенно различных вида — точечные и плоскостные.

Точечные и плоскостные диоды различаются не толь­ ко по конструкции, но и своими электрическими свойст­ вами. В точечных диодах р—п переход образован в точ­ ке соприкосновения тонкой заостренной проволочки с пластинкой германия или кремния п-проводимости. Контактная проволочка содержит р-примеси. При про­ пускании через диод кратковременного импульса тока большой амплитуды контактная проволочка приварива­ ется к пластинке полупроводника п проводимости, в ре­ зультате чего на пластинке в месте контакта создается

45

небольшая точечная p-область, образующая с полупро­ водником n-проводимости р—п переход.

У точечных диодов площадь р—п перехода крайне мала. Поэтому межэлектродная емкость точечных диодов также невелика и не превышает одной пикофарады. Ма­ лая площадь р—п перехода обусловливает также высокое дифференциальное сопротивление точечных диодов в прямом направлении и высокое сопротивление в обрат­ ном направлении (малый обратный ток).

Из-за малой площади р—п перехода точечный диод имеет малый предельно допустимый ток (10—50 мА). Характерной особенностью точечных диодов является тепловой пробой, ярко выраженный падающим участком на вольт-амперной характеристике диода при обратном смещении (рис. 18, а).

Явление теплового пробоя диода связано с совмест­ ным действием нагрева полупроводника при протекании тока и увеличения обратного тока диода при повышении температуры. Первое явление можно рассматривать как эффект прямой передачи, второе — как эффект положи­ тельной обратной связи.

При напряжениях, близких к напряжению лавинно­ го пробоя, в результате значительного увеличения обрат­ ного тока и, соответственно, значительного увеличения температуры перехода, температурная изменчивость об­ ратного тока существенно возрастает. В результате этого петлевое усиление в цепи температурной положительной обратной связи становится равным единице и диод как

Рис. 18. Пробой точечного диода и кремниевого диода стабилитрона:

а — вольт-амперная характеристика точечного диода; б — вольт-ампер- ная характеристика стабилитрона

46

система с глубокой положительной связью теряет стати­ ческую устойчивость.

Плоскостные диоды по способу изготовления р—п пе­ рехода подразделяются, в основном, на сплавные и диф­ фузионные.

В сплавных плоскостных диодах р—п переход обра­ зуется путем вплавления в полупроводник п-проводи- мости трехвалентного металла. В сплавных плоскостных диодах площадь р—п перехода существенно больше, чем у точечных диодов, и может достигать нескольких квад­ ратных сантиметров. Поэтому дифференциальное сопро­ тивление сплавных диодов значительно ниже, чем точеч­ ных. Однако у сплавных диодов соответственно больше обратный ток и межэлектродная емкость (до 10 000 пФ).

Диффузионные плоскостные диоды изготовляются пу­ тем осаждения на поверхность полупроводника р.-прово­ димости пятивалентных примесей с последующей терми­ ческой обработкой, при которой происходит диффузия атомов п-примеси в полупроводник р-проводимости и об­ разование р—п перехода. Возможно также изготовле­ ние диодов диффузионным способом путем нанесения на поверхность пластины из чистого полупроводникового материала с одной стороны — трехвалентной примеси, с другой стороны — пятивалентной примеси.

Обработанная таким образом пластина полупровод­ никового материала (например, кремния с примесью бо­ ра и фосфора) далее подвергается термообработке. Диф­ фузионным способом можно изготавливать диоды с пло­ щадью до нескольких квадратных сантиметров. Та­ ким методом удается производить мощные полупровод­ никовые диоды с предельным прямым током, достигаю­ щим нескольких десятков и даже сотен ампер.

Разновидностью кремниевых плоскостных диодов сплавной технологии являются кремниевые стабилитро­ ны. Кремниевые стабилитроны при обратном смещении представляют собой нелинейность вида «генератор нап­ ряжения», то есть способны при изменении тока в опре­ деленных пределах поддерживать неизменное напряже­ ние на своих зажимах (рис. 18, б). Такую вольт-ампер- ную характеристику стабилитроны имеют за счет явле­ ния лавинного и полевого пробоя. Кремниевые стабилит­ роны эксплуатируются при сравнительно незначительных токах, так что лавинный пробой р—п перехода носит

47

обратимый характер, то есть не сопровождается разру­ шением перехода.

Основные параметры кремниевого стабилитрона: нап­ ряжение стабилизации Нст, максимальный ток стабили­ зации / максмаксимальная рассеиваемая мощность ^макс и температурный коэффициент напряжения ТКН.

§ 4. Конструкция и принцип действия полупроводникового триода (транзистора)

Полупроводниковый триод — транзистор представля­ ет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередованием полупроводниковых слоев р- и п-прово- димости (рис. 19). По принципу действия транзистор представляет собой совокупность двух р—п переходов, соединенных базами настолько близко, что становится возможен пролет неосновных носителей через базовую область из одного р—п перехода в другой р—п переход.

Один из внешних слоев полупроводникового триода выполняет роль эмиттирующего электрода и называет­ ся эмиттером, другой внешний слой выполняет роль со­ бирающего электрода и называется коллектором. Внут­ ренний слой имеет по сравнению с внешними слоями меньшую концентрацию примесей и поэтому является ба­ зой, то есть областью, внутри которой формируются за­ порные слои р—п переходов. База транзистора выполня­ ет функцию управляющего электрода. Транзисторы с ба­ зой n-проводимости и внешними слоями р-проводимости называются транзисторами рпр типа (рис. 19, а). Тран­ зисторы, в которых база состоит из материала р-прово- димости, а внешние слои из материала п-проводимости, называются транзисторами прп типа (рис. 19, б).

По электрическим свойствам и принципу действия транзисторы рпр типа и прп типа тождественны и раз­ личаются лишь направлением прохождения управляю­ щего и выходного тока. В графическом обозначении транзисторов рпр и прп типа направлению управляюще­ го и выходного тока соответствует направление стрелки, обозначающей эмиттер (рис. 19, в, г.).

Когда транзистор применяется в качестве усилителя, один из электродов используется как общий для входной и выходной цепи. На практике применяются все три способа включения транзисторов в усилительной схеме:

48