Артёмов К.С. Твердотельная электроника

Министерство образования Российской Федерации

Ярославский государственный университет им. П. Г. Демидова

К. С. Артемов

ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Курс лекций

Ярославль

2000

5

ББК 3 852.3я73

А 86

УДК 621.375.4 (075.8)

Артемов К.С. Твердотельная электроника: Курс лекций. / Яросл. гос.

ун-т. Ярославль, 2000. 77 с.

ISBN 5-8397-0090-8

Избранные лекции по курсу "Твердотельная электроника". Курс содержит краткие сведения по физике полупроводников, а также теорию диодов и биполярных транзисторов.

Предназначено для студентов, специализирующихся по радиофизике и электронике.

Р е ц е н з е н т ы : Научно-производственная фирма "ЯР";

канд. физ.-мат. наук, доц. А.С. Захаров

6

ЛЕКЦИЯ 1. ВВЕДЕНИЕ

Электроника – это предмет, изучающий компоненты и базовые элементы электронных схем. Электроника делится на три части: вакуумную (эмиссионную), твердотельную, или обобщенно физическую, и квантовую. Мы будем рассматривать твердотельную, а еще более точно полупроводниковую электронику. Она занимает большую часть всей электроники.

Электроника за время своего развития прошла несколько этапов.

1 этап. 1904 – 1948 гг.

В 1904 г. англичанин Д. Флеминг создал первую электронную лампу – диод. В 1907 г. американец Л. Форест ввел в диод управляющий электрод и получил триод, способный усиливать и генерировать колебания. В России первый триод изготовил в 1914 г. Н.Д. Папалекси. В 30-х годах началось активное исследование полупроводников и появились простейшие полупроводниковые элементы – селеновые и купруксные выпрямители. Плотность монтажа в этот период составляла 0,001 –0,003 элемента/см3.

II этап. 1948 – 1959 гг.

Он начался с изобретения точечного германиевого триода – транзистора американцами Бардином и Браттейном. Спустя менее года был сделан кремниевый транзистор. В СССР первые транзисторы были сделаны в 1949 году А.В. Красиловым и С.Г. Мадояном. В 1951 году разработан первый плоскостной транзистор. В 1953 году сделан дрейфовый транзистор. Первые в мире тонкопленочные детали на основе легирования (внесения примесей) разработаны в Англии во второй половине 40-х годов. Первая полупроводниковая ИМС разработана в США в 1958 году независимо друг от друга Д. Килби и Р. Нойсом. Плотность элементов составляла в этот период ~ 0,5 элемента/см3.

III этап. 1960 – 1980 гг.

Разработана планарная технология и появились планарные транзисторы. Были разработаны полевые транзисторы, МОП–транзисторы, туннельные диоды (диод Есаки), динисторы, тринисторы (тиристоры), фотодиоды, фототранзисторы, варикапы, видиконы, кремнеконы, светодиоды, твердотельные лазеры, термисторы и др. Начался промышленный выпуск интегральных схем и микросборок (1962 г.). Появились новые полупроводниковые высокотемпературные материалы и приборы на их основе. Например, максимальная рабочая температура германиевых приборов < 70 С, кремниевых < 125 С, а на основе арсенида галлия (GaAs) – 250 С. Плотность монтажа устройств третьего поколения составила < 50 элементов/см3.

Чем было определено появление интегральных схем? Основные факторы: надежность, габариты, масса, стоимость, мощность. Пример:

7

стоимость (только компоненты, без труда) 50 млн. руб.

Но практически мощность 1,5 МВт нельзя рассеять в объеме 100 м3, т.к. нагрев при этом превысит допустимые температуры для полупроводников. На монтаж необходимо 10 человеко-лет. Затрата непосильная для среднеразвитой страны, а производство небольшой партии – даже для развитой страны. Но, главное, она не будет работать, т.к. отказы

происходить будут очень часто: 10 5 108 103 час-1, т.е. 103 отказов в час или 1 отказ за 3 секунды.

IV этап. С 1980 г. по настоящее время. Появление больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС), представляющих часто готовые, законченные устройства приема, преобразования и передачи информации. Плотность монтажа достигла 1000 элементов/см3 и более. Получили широкое распространение диоды и транзисторы Шотки, диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды, оптоэлектронные, акустоэлектронные приборы. Возникло новое направление – наноэлектроника. Разработаны приборы на квантовых эффектах (работы Ж.И. Алфѐрова).

Таким образом, с 50-х годов электроника становится твердотельной, а точнее, полупроводниковой. Объяснение этому можно найти, если посмотреть на достоинства полупроводниковых приборов:

–малые габариты и вес;

–отсутствие цепей накала и связанных с этим недостатков (прогрев, фон источников питания, низкая надежность и малая долговечность);

–вибростойкость, способность работать при больших перегрузках;

–срок службы и надежность (срок службы определяется в десятки тысяч лет);

–способность работать от источников питания с низкими напряжениями.

Основные тенденции развития электроники:

–увеличение мощности;

–увеличение предельных частот;

–миниатюризация;

8

– функциональная электроника.

Классификация электронных устройств

По способу формирования и передачи сигналов электронные устройства делятся на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые электронные устройства (АУ) осуществляют прием,

обработку и передачу электрических сигналов, изменяющихся по закону непрерывной функции, описывающей реальную физическую величину. Этой физической величине приводится в соответствие некоторый электрический параметр (аналог), например, напряжение, ток, частота, фаза. Отсюда и название – аналоговая электроника. Например, аналогами механических колебательных систем являются R-C-L-цепи. Постепенно электрические аналоги стали существовать как бы независимо от своих физических прототипов, но название осталось. Главное то, что функции аналоговой электроники – непрерывные функции.

Достоинства АУ: высокая точность (теоретическая) и быстродействие, простота устройства.

Недостатки: нестабильность параметров от температуры, времени (старение элементов схемы), внешних воздействий; искажения при передаче на большие расстояния, трудность хранения результата; низкая энергетическая эффективность.

Дискретные электронные устройства (ДУ) – осуществляют прием,

обработку и передачу электрических сигналов, полученных дискретизацией (квантованием) исходной аналоговой функции. Квантование может быть по времени, по уровню, смешанное, т.е. по времени и уровню. В ДУ переход от аналогового сигнала к квантованному растянут во времени. В них используется только часть информации о реальной физической величине, частично информация теряется. Пример перевода аналогового сигнала в дискретный показан на рис. 1.1.

Основной недостаток ДУ – потеря части информации и более низкое быстродействие по сравнению с АУ.

Достоинства следующие:

1.Импульсная мощность может значительно превышать среднюю Pи Pср , где – скважность, т.е. отношение периода сигнала к его длительности

2.В дискретных усилительных устройствах мощность, выделяемая в нагрузке, может существенно превышать мощность, выделяющуюся в усилительном элементе (в 10 – 20 раз). С точки зрения усилителей это отражается коэффициентом использования

9

K Pн .

Pуэ

3.ДУ более устойчива к дестабилизирующим факторам (температура и т.д.).

4.Выше помехоустойчивость. Например, при временном квантовании помеха может попасть между двумя моментами дискретизации и т.о. полностью отфильтроваться.

5.Схемотехника ДУ строится на значительно меньшем количестве базовых элементов, чем аналоговая. Отсюда простота, повышенная надежность,

низкая стоимость и пр.

Дискретные электронные устройства по типу формирования сигнала из аналогового в дискретный подразделяются на импульсные, релейные и цифровые.

В импульсных устройствах осуществляется прием, преобразование, передача одиночных импульсов или импульсных последовательностей, а также с так называемыми радиоимпульсами, у которых модулируется: амплитуда – амплитудно-импульсная модуляция (АИМ); ширина (длительность) при неизменной амплитуде (широтно–импульсная модуляция ШИМ); фаза (фазо–импульсная модуляция ФИМ).

Импульсные сигналы показаны на рис. 1.2.

Релейные импульсные устройства используют квантование по уровню (см. рис. 1.1в). В этих устройствах сохраняется непрерывность отображения информации. Они проще импульсных устройств (отсутствует модуляция), более быстродействующие. Релейные импульсные устройства основаны на преобразовании энергии. Они применяются в силовой электронике.

Цифровые электронные устройства. Они осуществляют квантование как по времени, так и по величине. Поэтому цифровой сигнал лишь приближенно соответствует аналоговому. Полученным дискретным значениям исходной величины ставится некоторое число. Это число затем переводится в другую систему исчисления, в двоичную, т.е. кодируется. Т.о. осуществляется процесс преобразования аналогового сигнала в двоичный код и последующая обработка в двоичном коде.

Недостатки: растянутость процесса во времени (больше, чем в ДУ предыдущих); малая точность отражения аналогового сигнала.

Достоинства: высокая помехоустойчивость, надежность, экономическая эффективность, возможность длительного хранения информации, энергетическая эффективность, высокая технологичность, совместимость с интегральной технологией и др.

10

Следует отметить, что подавляющее большинство электронных устройств являются твердотельными, использующими свойства полупроводников.

ЛЕКЦИЯ 2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Основные полупроводниковые материалы – германий (Ge) и кремний (Si). Мы рассматриваем только их. Это классические полупроводники.

2.1. Характеристика полупроводников (ПП)

Сточки зрения агрегатного состояния ПП – твердые тела.

Сточки зрения химии – металлы (в отличие от металлоидов).

Сточки зрения электрофизики – полупроводники, занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Их основные отличия:

1.По удельному сопротивлению (сопротивлению единицы объема)

2. Сильная зависимость удельного сопротивления от температуры Т .

ТКС – температурный коэффициент сопротивления, показывающий, на сколько меняется сопротивление при изменении температуры на один градус.

3.Сильная зависимость от содержания (концентрации) примесей. Пример: нихром – рост сопротивления (сплав никеля и хрома); 10-5 % Аs в Ge уменьшает удельное сопротивление в 200 раз.

Сточки зрения структуры твердые тела бывают кристаллическими и аморфными. Кристаллические, в свою очередь, бывают поли- и монокристаллами.

В электронике используют монокристаллы германия и кремния. Кристаллическая структура полупроводников – периодически повторяющаяся, так называемая, элементарная ячейка, имеющая форму тетраэдра (рис. 2.1). Особенность такой структуры в одинаковых расстояниях центрального атома от всех остальных. Такую решетку называют решеткой типа алмаза. Именно такая структура придает алмазу необычайную твердость.

11

Мы будем пользоваться плоским аналогом кристаллической решетки

(рис. 2.1б).

За счет чего получается такая структура? За счет парноэлектронной или ковалентной связи. Вокруг каждого атома получается по 8 электронов – устойчивая оболочка (рис. 2.2). Соблюдается и принцип Паули – на одной орбите не более двух электронов с разными спинами. Такая картина имеет место лишь при температуре абсолютного нуля. Если температура выше, то атомы начинают колебаться, меняются расстояния между ними, какойнибудь электрон сможет оторваться от атома. Т.к. он принадлежал двум атомам, то эти соседние атомы частично ионизируются. На том месте, где был электрон, образуется нескомпенсированный положительный заряд, численно равный заряду электрона. Назовем его дыркой. На место дырки может прийти связанный электрон, например, от другого, соседнего атома. В результате наша дырка переместится на другое место и т.д.

В итоге при T 0 мы получим свободные (принадлежащие всему кристаллу, а не отдельному атому) электрон и дырку. Т.к. эти носители образовались в результате отрыва электрона от основного вещества (Si или Ge), то и называются они собственными. Концентрация их, т.е. число носителей заряда в единице объема, обозначается ni или pi . Нетрудно

заметить, что, так как возникновение или же генерация идет парами, то ni pi .Такие ПП называются собственными, а величина, обратная

удельному сопротивлению – проводимость – собственной проводимостью. Обозначения: i ; i ; i 1/ pi .

Кроме собственных ПП существуют примесные ПП. Например, вместо атома основного вещества Ge в решетку введен атом из V группы таблицы Менделеева – сурьма (Sb). 4 электрона он отдает соседним атомам Ge, а пятый остается не у дел (рис. 2.3а). Достаточно небольшой энергии, чтобы оторвать его от атома Sb и сделать свободным. При этом остается нескомпенсированным заряд ядра атома примеси, т.е. образуется положительный ион примеси и свободный электрон. Если примесных атомов много, то мы получим, что число электронов будет в ПП больше числа дырок, т.е. преимущественно электронную проводимость. Такой ПП называется электронным или n–типа, а примесь – донором.

Еще один пример, показанный на рис. 2.3б. Примесь – элементы 3-ей группы – бор (В). Три его валентных электрона идут на связь, а четвертая связь остается незавершенной. При Т 0 один из валентных электронов соседних атомов Si может оторваться от своего атома и завершить оболочку бора. В результате атом бора превратится в отрицательный ион. Так как электрон принадлежал сразу двум атомам Si, то они частично ионизируются, на месте валентного электрона образуется положительный заряд, т.е. дырка. Если таких атомов много, то такой полупроводник будет иметь

12

преимущественно дырочную проводимость или проводимость р-типа. Примесь такого типа – акцептор.

Типичные примеси: для Ge доноры: As , Sb, P; акцепторы: In, Al, Ga, B;

для Si донор: P; акцептор: B.

Маркировка кристаллов: ГЭС, КЭФ, ГДГ, КДБ. Первая буква – основное вещество (Ge, Si), вторая – тип проводимости (электронный, дырочный), третья – примесь (фосфор, галлий и т.д.). Т.о. в полупроводниках всегда есть носители обоих знаков – электроны и дырки. Носители, которых больше, – основные, меньше – неосновные. Обозначения: n – концентрация электронов, р – концентрация дырок. В примесном полупроводнике n р.

2.2. Зонная структура классических полупроводников

Изолированный атом характеризуется энергетическим спектром, состоящим из оболочек и подоболочек, а они в свою очередь – из дискретных энергетических уровней (рис. 2.4а). Валентные электроны находятся на самых высоких уровнях, если они покинут эту оболочку, то произойдет отрыв электрона и ионизация ядра. На каждом уровне находятся два электрона в соответствии с принципом Паули. Возьмем два таких атома и начнем их сближать. Уровни в оболочках этих атомов сместятся относительно друг друга, образуя как бы два гребешка. Если таких атомов много, то расстояние между уровнями в оболочках будет порядка 10-17 эВ, и оболочки можно рассматривать уже как оболочки одной гигантской молекулы (рис. 2.4б). Все внутренние оболочки полностью заполнены. Верхняя оболочка при T 0 тоже заполнена, а следующая полностью пустая. Самая верхняя заполненная оболочка называется валентной зоной, а следующая – зоной проводимости (рис. 2.5). Эти две зоны и играют основную роль в полупроводниках. Между ними – запрещенная зона. Все другие, более глубокие зоны, оказываются экранированными валентной зоной и в процессах не участвуют. С точки зрения зонной теории полупроводники отличаются от металлов и диэлектриков лишь шириной запрещенной зоны. У металлов валентная зона (ВЗ) и запрещенная зона (ЗЗ) сливаются, у диэлектриков ЗЗ значительно больше, чем у ПП. Так, для Si ЗЗ - 1,2 эВ, для Ge - 0,62 эВ, а у диэлектриков > 3 эВ.

Если в полупроводниках есть примеси, то они не образуют энергетических зон (т.к. атомов примеси значительно меньше, чем атомов основного вещества), а образуют энергетические уровни. На зонной диаграмме они обозначены как W d и W a .

13

Введем некоторые обозначения: граница зоны проводимости – Wc , валентной зоны Wv , уровни доноров Wd , уровни акцепторов Wa , концентрация атомов доноров Nd , акцепторов N a . При T 0 электроны

отрываются от доноров и становятся свободными. С точки зрения зонной диаграммы это соответствует появлению электрона в зоне проводимости, где он может свободно перемещаться с уровня на уровень и по координате х. Донор становится ионом. Валентные электроны переходят на уровни акцепторов. В валентной зоне образуются свободные дырки, которые тоже могут двигаться по зоне. Атомы акцепторов становятся отрицательными ионами.

Возникновение собственной проводимости соответствует переходу электрона из валентной зоны в зону проводимости, в результате возникают свободные дырки в валентной зоне и электроны в зоне проводимости, т.е. пара носителей.

Всякий переход носителя энергии на более высокий уровень – это переход в возбужденное состояние. Растратив за какое-то время избыточную энергию, носители возвращаются на свои места. Происходит уничтожение пары электрон – дырка. Этот процесс называют рекомбинацией. Рекомбинация может идти не только межзонная (переход электрона из зоны проводимости сразу в валентную зону), но и через уровни, расположенные недалеко от середины запрещенной зоны. Эти уровни называют ловушками. Причем считается, что рекомбинация через ловушки более вероятна, чем межзонная. Уровень ловушек может давать, например, золото. Время, в течение которого носитель участвует в процессах переноса заряда, называют временем жизни. По-другому, это время от генерации до рекомбинации носителей. Это очень условно и приближенно, т.к. носитель может быть захвачен ловушкой, но рекомбинации не произойдет, а он вновь вернется в зону проводимости. В общем, весь механизм в том виде, как мы его рассматриваем, очень и очень упрощен и дается лишь для понимания процессов. Обозначают n – время жизни электронов, p – время жизни

дырки.

Когда стали определять зависимость концентрации носителей от температуры, то оказалось, что в области низких температур происходит рост концентрации по причине ионизации примесей. На рис. 2.6а показан случай с электронным ПП. В области II изменений нет. Вся примесь ионизирована. Температура Ts – температура полной ионизации примесей. В

области III наблюдается резкий рост концентрации носителей. Эта область соответствует появлению (генерации) собственных носителей. Ti –

температура возникновения собственной проводимости. Следует отметить, что наклон отрезка строго соответствует энергии, необходимой для образования свободного носителя (собственного или примесного). Следует также отметить, что если образовался свободный носитель (появился,

14