Раздел 2. Основы электроники

Тема 2.1. Полупроводниковые приборы

1) Полупроводниковые приборы, их достоинства и недостатки. Виды примесей и проводимостей в полупроводниках. Электронно-дырочный (р-n) переход и его свойства. Вольт-амперная характеристика р-n перехода

Полупроводниковые приборы – это устройства, основанные на полупроводниках – материалах, по проводимости занимающих промежуточное место между проводниками и изоляторами.

Достоинства полупроводниковых приборов: малые размеры и вес; низкое энергопотребление; высокая надежность; долговечность; возможность миниатюризации; широкий диапазон рабочих температур; эффективность.

Недостатки полупроводниковых приборов: чувствительность к перегреву; ограниченная область применения по мощности; сравнительно высокая стоимость (по сравнению с некоторыми другими материалами).

Виды примесей и проводимостей в полупроводниках:

• Собственная проводимость: Чистый полупроводник, в котором число электронов проводимости (n) равно числу дырок (p).

• Электронная проводимость (n-тип): Полупроводник, легированный донорной примесью, которая создает избыток электронов проводимости (n > p).

• Дырочная проводимость (p-тип): Полупроводник, легированный акцепторной примесью, которая создает избыток дырок (p > n).

[Различают два основных вида примесей, которые используются для преднамеренного легирования полупроводников и создающих преимущественно электронный или дырочный тип проводимости. Примеси, введение которых в полупроводник создает электронный тип проводимости, называются донорными. P-тип полупроводник содержит примеси, называемые акцепторами, которые создают "дырки" - несвязанные электроны, которые могут перемещаться внутри материала. N-тип полупроводник содержит примеси, называемые донорами, которые создают избыток свободных электронов]

Полупроводники обладают двумя видами электропроводности: электронной, обусловленной движением свободных электронов в зоне проводимости, и дырочной, обусловленной движением дырок в валентной зоне.

Электронно-дырочный (p-n) переход:

• Образуется на границе между полупроводниками p-типа и n-типа.

• В области p-n перехода возникает диффузионный ток, обусловленный движением электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.

• Диффузионный ток приводит к образованию приграничного контактного потенциала и области пространственного заряда, обедненной носителями заряда.

С войства p-n перехода:

• Выпрямляющий эффект: Пропускает ток в одном направлении (прямое направление) и практически не пропускает в другом (обратное направление).

• Вольт-амперная характеристика (ВАХ): Имеет нелинейный характер, с резким ростом тока в прямом направлении и малым током в обратном. Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

• Фотовольтаический эффект: Генерирует электрический ток под действием света.

• Температурная зависимость: Прямой ток p-n перехода экспоненциально возрастает с ростом температуры.

Для изготовления полупроводниковых материалов n-типа и p-типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ «n», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative» («отрицательный»). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n-типа являются электроны. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ «p», используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive» («положительный»). Главными носителями заряда в них являются дырки. Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

p-n переход – основа многих полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, микросхемы и т.д.

Возьмем за исходное то, что n-область тесно соединена с p-областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем», где дырки и электроны, подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом.

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p-типа частично следуют в область n-типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p-типа заряжается отрицательно, а n-типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов, и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p-области подключается положительный полюс источника тока, а к n-области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода. Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода.

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода, то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается. Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками, а в обратном направлении – электронами.

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода, то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p, а электроны – из области p в область n. Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов, а в области n, соответственно, – дырок. Таким образом, при обратном включении полупроводникового прибора в цепь, переход через контакт двух областей осуществляется с помощью неосновных носителей заряда, количество которых совсем невелико. Поэтому электрическое сопротивление оказывается достаточно большим, а проводимость – незначительной. Это означает, что возникает запирающий слой.