Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехническое и конструкционное материаловедение. Полупроводниковые материалы и их применение. Учебное пособие
.pdf
Для донорного полупроводника произведение концентраций носителей
11
15
1313
10
10
1010
д
ii
n
ii
n
N
np
n
np
p
8
18
1313
10
10
1010
a
ii
p
ii
p
N
np
p
np
n
осталось таким же
pnnn= pini.
Так же, как в случае симметричного pn-перехода, получаем концентрацию неосновных носителей:
Для акцепторного полупроводника из постоянства произведений концентраций носителей
ppnp= pini
получаем концентрацию неосновных носителей
.
.
Таким образом, для электронов в донорном полупроводнике концентрация составляет nn=1015, в акцепторном – np=108. Иными словами, в донорном
полупроводнике в единице объема свободных электронов в 107=10 000 000 (10
миллионов) раз больше, чем в акцепторном. Поэтому на границе раздела областей донорного и акцепторного полупроводника возникает диффузия.
Для дырок в акцепторном полупроводнике концентрация составляет
pp=1015, в донорном – np=108. Иными словами, в акцепторном полупроводнике в
единице объема вакансий в 10 000 000 (10 миллионов) раз больше, чем в донорном. Поэтому на границе раздела областей донорного и акцепторного полупроводника возникает диффузионное движение дырок из акцепторной области
в донорную (рис. 16). Видно, что отношение концентраций одного и того же
носителя одинаково и составляет 107 раз. В рассматриваемом случае концентрация акцепторной примеси значительно больше концентрации донорной
примеси. Иными словами, количество ионов в единице объема для акцепторной
примеси больше, чем для донорной. Поэтому ионы акцепторной примеси располагаются друг от друга на меньших расстояниях, чем ионы донорной примеси (рис. 16). Иначе говоря, «обкладки конденсатора» объемного заряда будут
31
иметь разные размеры, но заряды на них будут одинаковыми - количество положительных нескомпенсированных ионов в полупроводнике n-типа и отрицательных нескомпенсированных ионов в полупроводнике p-типа будет одинаковым. Эти ионы создадут условия для дрейфа неосновных носителей (рис. 17).
Конкретному значению температуры соответствует определенная интенсивность этих двух уравновешивающих друг друга потоков носителей заряда –
диффузионного и дрейфового. В целом кристалл полупроводника остается
электрически нейтральным. Этому состоянию соответствует на вольт-амперной
характеристике полупроводникового диода точка, совпадающая с началом координат.
Поэтому одно и то же количество нескомпенсированных ионов в акцепторной области займет меньший объем, чем нескомпенсированные ионы в донорной области. Следовательно, толщина pn-перехода распределена неравномерно между донорным и акцепторным полупроводниками (рис. 16 и 17):
l
.
p«ln
32
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
-
Скомпенсированные ионы
акцепторной примеси
Скомпенсированные
ионы донорной примеси
НЕскомпенсированные ионы
акцепторной примеси
НЕскомпенсированные
ионы донорной примеси
e-
e-
Диффузия электронов
Диффузия дырок
e+
e+
e+
e+
p-область
n-область
pn-переход
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
lp ln
Рис. 16. Диффузия основных носителей при образовании
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
e-
e-
+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
-
Скомпенсированные ионы
акцепторной примеси
Скомпенсированные
ионы донорной примеси
НЕскомпенсированные ионы
акцепторной примеси
НЕскомпенсированные
ионы донорной примеси
e-
e-
Дрейф электронов
Дрейф дырок
e+
e+
e+
e+
p-область
n-область
pn-переход
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
-
e+
e+
lp ln
несимметричного pn-перехода
Рис. 17. Дрейф неосновных носителей при образовании
несимметричного pn-перехода
33
Пробой pn-переходов
Электрон на подуровне валентной зоны
p-полупроводника
Электрон на подуровне зоны
проводимости n-полупроводника
Пробой pn-перехода – это значительное уменьшение обратного сопро-
тивления, сопровождаемое ростом обратного тока при незначительном увеличении обратного напряжения. Различают три вида пробоя:
Туннельный – возникает при туннельном эффекте – явление перехода
электронов в соседнюю область практически без изменения энергии (рис. 18).
Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля
в переходе возрастает настолько, что электрон может перейти из валентной зоны полупроводника p-типа в зону проводимости полупроводника n-типа, не получая дополнительной энергии. Эти подуровни имеют одно и то же значение
энергии (рис. 18).
Рис. 18. Энергетическая диаграмма туннельного эффекта
Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному превышению
туннельного тока над обратным (рис. 19). При увеличении температуры напряжение, при котором происходит туннельный пробой, уменьшается.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, происходящей при
большой напряженности электрического поля при приложении обратного
напряжения. Неосновные носители заряда, проходящие через pn-переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами, разрушают ковалентные связи, увеличивая количество пар «электрон-дырка». Вновь появившиеся носители
34
заряда ускоряются электрическим полем, и в свою очередь могут вызвать ионизацию следующего атома и т.д. Процесс ударной ионизации идет лавинообразно, при этом лавинообразно растет количество носителей заряда и, соответственно, обратный ток. Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих достаточно большую ширину pn-перехода.
Рис. 19. Вольт-амперная характеристика различных видов пробоя pn-
перехода:1 – лавинный, 2 – туннельный, 3 – тепловой.
Тепловой пробой возникает в результате разогрева pn-перехода, когда
количество теплоты, выделяемой током в pn-переходе, больше количества теплоты, отводимой от него. При этом происходит усиленная термогенерация пар
«электрон-дырка» и увеличение обратного тока. Это, в свою очередь, приводит
к увеличению температуры и обратного тока. В результате ток через pnпереход лавинообразно увеличивается и наступает тепловой пробой (кривая 3
на рис. 19).
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод – прибор, состоящий из двух областей с различными свойствами и одного перехода соответствующего типа. Большинство
диодов представляют собой p- и n-области, разделенные несимметричным pnпереходом (рис. 16 и 17). В зависимости от выполняемой функции (рис. 20) диоды могут сильно отличаться друг от друга по внешнему виду, например, как
выпрямительные диоды и светодиоды. Они могут иметь существенно различ-
35
ные вольт-амперные характеристики, но практически неотличимы внешне,
Малой и средней
мощности
Большой мощности
Анод Катод
Условное графическое
обозначение
например как выпрямительный диод и стабилитрон. Но физические основы
процессов, происходящих во всех этих приборах, одинаковы и основаны на балансе диффузионного и дрейфового движения носителей зарядов.
Рис. 20. Классификация диодов по функциональному назначению
Выпрямительные полупроводниковые диоды предназначены для преоб-
разования переменного тока в постоянный.
Pn-переходы для них получают сплавлением или посредством диффузии
(рассматриваются ниже). Исходным материалом для диодов малой мощности
служит германий или кремний, для диодов средней и большой мощности –
кремний. Чем больше мощность диода, тем больше у него площадь pnперехода. Внешний вид диодов разной мощности и его условное графическое
обозначение (УГО) показаны на рис. 21, конструкция диодов - на рис. 22 и 23.
Рис. 21. Внешний вид и УГО выпрямительных диодов
36
Рис. 22. Конструкция выпрямительного диода малой мощности
1 — внешний гибкий вывод (анод);
2— стакан;
3— стеклянный изолятор;
4— внутренний гибкий вывод анода;
5 — корпус;
6 — чашечка;
7 — кристалл с рn-переходом;
8 — кристаллодержатель (катод);
9 — шпилька для крепления к радиатору
Рис. 23. Конструкция мощного кремниевого диода
37
Импульсный диод — диод, предназначенный для работы в импульсных
схемах. Положительный импульс диод пропускает без искажений, и при прямом напряжении через диод проходит большой ток. При смене полярности
входного напряжения на отрицательную, диод запирается, но не сразу, в начале
происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания
неравновесных носителей, восстанавливается высокое сопротивление pnперехода, и диод запирается. Данный тип диодов применяют в импульсных
ключевых схемах с малым временем переключения. Условное графическое
обозначение у него такое же, как у выпрямительного диода.
Отличительная особенность импульсных диодов в том, что они имеют
малую емкость pn-перехода (доли пикофарад) и малую длительность переходных процессов. Уменьшение емкости достигается за счет уменьшения площади
pn-перехода, поэтому эти диоды маломощные (30-40 мВт).
В быстродействующих импульсных цепях применяются диоды Шотки, в
которых переход выполнен на основе контакта металл-полупроводник. Повышенное быстродействие диодов Шотки объясняется тем, что в контакте металлполупроводник практически нет неосновных носителей зарядов - дырок. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния,
на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен
слой металла.
Высокоомный слой – слой вещества с меньшим содержанием примеси. В
нем содержится меньше основных носителей. При этом электропроводность
меньше, сопротивление, соответственно, больше, отсюда и название.
Туннельный диод (диод Эсаки) - полупроводниковый диод, содержащий pn -переход с очень малой толщиной запирающего слоя. Туннельные диоды изготовляют на основе полупроводников с концентрацией примесей до 10251027 м -3. При этом получается резкий pn -переход с толщиной запирающего
слоя 5…15 нм.
38
Первый туннельный диод был изготовлен в 1957 г. в Германии. В насто-
Анод Катод
Анод
Катод
Подключение обратного
напряжения
Условное графическое
обозначение варикапа
ящее время при изготовлении туннельных диодов обычно применяют Ge и
GaAs; реже используют Si, InSb, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. Для германиевых
диодов в качестве донорных примесей, как правило, используют P или As, в качестве акцепторных - Ga и Аl; для арсенид-галлиевых - Sn, Pb, S, Se, Те (доноры), Zn, Cd (акцепторы). Узкий рn -переход получают чаще всего методом
вплавления. Наибольшее распространение на практике получили туннельные
диоды из Ge, GaAs, а также из GaSb. Эти диоды находят широкое применение в
качестве генераторов и высокочастотных переключателей, они работают на частотах до 30…100 ГГц.
Стабилитрон или диод Зенера – полупроводниковый диод, работающий
при обратном смещении в режиме пробоя (рис. 24). При наступлении пробоя
напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком
диапазоне обратных токов.
Рис. 24. Внешний вид и УГО стабилитрона
Варикап – полупроводниковый диод, в котором величина емкости pnперехода управляется изменением напряжения. Варикап тоже работает на обратном напряжении (рис. 25). УГО варикапа представлено на рис. 25.
Большинство представленных диодов изготавливается из кремния и германия.
Рисунок 25. Варикап
39
Классификация всех полупроводниковых транзисторов представлена на
рис. 26.
Полупроводниковые транзисторы
Классификация
Рис. 26. Классификация полупроводниковых транзисторов
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор,
состоящий из трех слоев полупроводника с чередующимся типом электропроводности. Соответственно различают pnp- и npn-структуры (рис. 27). Транзистор называется биполярным, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Для pnp-структуры дырки являются основными, а электроны - неосновными носителями заряда. Для
npn-структуры наоборот, электроны являются основными, а дырки - неосновными носителями заряда. Условные обозначения npn- и pnp-транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает направление тока транзисторе.
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]