- •Физические основы электроники
- •Тема 1. Основы теории твердого тела
- •1.1 Строение твердых тел
- •2. Кристаллическое строение веществ:
- •4. Дефекты кристалла
- •1.3 Собственная проводимость полупроводников
- •1.5 Примесные полупроводники
- •1.6 Оптические и электрические свойства полупроводников
- •1.7 Жидкокристальные приборы для отображения информации
- •Тема 2. Физические эффекты в твердых и газообразных диэлектриках
- •2.1 Поляризация, электропроводность, диэлектрические потери, проницаемость
- •Виды поляризации: электронная, ионная, дипольно-релаксационная, ионно-релаксационная, самопроизвольная и др.
- •Ионная поляризация. Она возникает вследствие упругого смещения связанных ионов из положения равновесия на расстояние, меньшее постоянной кристаллической решетки.
- •Дипольно-релаксационная поляризация. Заключается в повороте (ориентации) дипольных молекул в направлении электрического поля.
- •Диэлектрики с ионной структурой. К ним относятся твердые неорганические диэлектрики с выше перечисленными поляризациями и делятся по потерям на 2 группы:
- •2.2 Электропроводность диэлектриков, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, виды пробоя в диэлектриках
- •Электропроводность. В твердых диэлектриках представляет собой сумму токов:
- •Пробой диэлектриков. Явление образования в диэлектрике проводящего канала под действием электрического поля называется пробоем. Различают два вида пробоя: полный и неполный.
- •Тепловой пробой. Обусловлен нарушением теплового равновесия диэлектрика вследствие диэлектрических потерь. Мощность, выделяющаяся в образце равна:
- •2.3 Сегнетодиэлектрики
- •2.4 Пьезоэлектрики
- •2.5 Активные диэлектрики
- •Вывод. При отсутствии внешнего поля сегентодиэлектрики представляет собой как бы мозаику из доменов - областей с различными направлениями поляризованности.
- •2.6 Электропроводность газообразных диэлектриков
- •4 Вида самостоятельного разряда:
- •Закон Пашека. Пробивное напряжение воздуха и других газов в электрическом поле является функцией произведения давления газа на расстояние между электродами:
- •2.7 Электролюминесценция, катодолюминесценция
- •Тема 3. Физические эффекты в проводниках
- •3.2 Полукристаллические и аморфные металлы и сплавы
- •2 Алюминий
- •3 Железо
- •4 Натрий
- •5 Вольфрам
- •6 Молибден
- •7 Благородные металлы
- •8 Никель и кобальт
- •9 Свинец
- •10 Олово
- •11 Цинк и кадмий
- •12 Индий и галлий
- •13 Ртуть
- •3.3 Особенности металлов в тонкопленочном состоянии
- •Вольфрамобариевые катоды
- •Вторичная эмиссия
- •3.4 Сверхпроводящие проводники. Статический эффект Джозефсона. Применение сверхпроводимости
- •Применение
- •3.5 Контактная разность потенциалов, термо-эдс, эффекты
- •Два закона:
- •Механизм возникновения
- •Тема 4. Физические эффекты в магнитных материалах
- •4.2 Зависимость параметров от температуры. Свойства магнитных материалов в свч полях
- •Магнитодиэлектрики
- •Тема 5. Физические основы процессов в полупроводниковых материалах
- •Концентрация зарядов в пп. Вероятность Fn (w) нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии w определяется функцией Ферми- Дирака:
- •5.2 Понятие об электронно-дырочном переходе, типы переходов, токи в p-n-переходе
- •5.3 Прямо смещенный p-n-переход
- •5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель
- •2 Вольтамперная характеристика
- •3. Физические процессы в контактах пп с различной шириной запрещенной зоны (гетеропереходы), металл - пп
- •4. Гетеропереходы
- •5. Люминесценция полупроводников
- •6. Фотопроводимость полупроводников
- •7. Эффект Холла
- •5.5 Эффект поля
- •2 Эффекты в структурах мдп
- •3. В идеальных мдп-структурах не учитывалось влияние зарядов в окисле и на границе окисел - кремний
5.4 Вольтамперные характеристики и p-n модель
Модель p-n, ВАХ
Рисунок 5.14 - Эквивалентная схема ПП диода
где R0 - суммарное сопротивление n и p - областей и контактов (небольшое).
Rнл - нелинейное сопротивление, значение которого зависит от полярности приложенного напряжения. При прямом Rнл = Rпр и мало, а при обратном Rнл = Rобр и велико.
Св - емкость между выводами областей.
Сдиф - диффузионная емкость.
Сб - барьерная емкость.
L - индуктивность, создаваемая выводами от перехода.
p-n - переход при Uобр подобен конденсатору с емкостью Сбарьерная.
Сб = Qобр/Uобр
Для переменного U
Сб = ∆Qобр/∆Uобр.
В зависимости от площади перехода значение Сб может быть от единиц до сотен пикофарад и подобно нелинейной емкости, т.к. изменяется с изменением Uобр.
Сб вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует p-n - переход и через Сб с повышением частоты протекает ток.
Сдиф проявляется при прямом включении, она также нелинейная и возрастает при увеличении Uпр
Сдиф = Qдиф/Uпр
Сдиф значительно больше барьерной и влияет на коэффициент передачи на нижних частотах.
2 Вольтамперная характеристика
Вольтамперная характеристика реального p-n - перехода при Uвнешнее=0. В реальных условиях в запирающем слое происходит генерация и рекомбинация пар носителей, которые разделяются электрическим полем перехода так, что электроны переходят в n-область, а дырки в р-область, создавая дополнительную составляющую обратного тока, называемую генерационным током Iген. По своей природе он, как и I0 является тепловым, различие лишь в том, что I0 создается неосновными носителями, а образовавшиеся пары будут основными носителями. В состоянии равновесия Iген уравновешивается рекомбинационным током Iрек. Некоторые основные носители, вошедшие в обедненный слой, но не имеющие достаточной энергии для преодоления барьера, могут быть захвачены ловушками и рекомбинировать с носителями, приходящими таким же образом из другой области. Рекомбинация в самом переходе означает появление дополнительного тока Iген. В состоянии равновесия Iген = Iрек и ток через p-n - переход равен нулю.
Рисунок 5.15 - Токи через обедненный слой
Что произойдет при включении p-n - перехода в обратном направлении? Потенциальный барьер возрастает и ток основных носителей прекращается, поэтому исчезает рекомбинационный ток, а ток генерации - возрастает, так как расширяется обедненный слой.
При прямом включении произойдет сужение обедненного слоя, поэтому Iген уменьшается, а ток Iрек увеличивается из-за увеличения потока основных носителей через переход.
На рисунке 5.15 штриховой линией показана ВАХ идеализированного p-n - перехода.
I0 - тепловой ток является важным параметром p-n - перехода. Его значение пропорционально равновесной концентрации неосновных носителей в нейтральных областях.
I0 - сильно снижается с ростом ширины запрещенной зоны и увеличения концентрации носителей.
Пробой p-n- перехода. Существуют виды электрического пробоя: лавинный, туннельный, тепловой, поверхностный.
Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией атомов кристаллической решетки в обедненном слое при обратном включении.
При Uобр ток создается дрейфовым движением неосновных носителей, приходящих из нейтральных областей. Эти носители ускоряются в обедненном слое, приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при соударении с нейтральными атомом ПП произвести их ионизацию, т.е. появляются пары электрон-дырка. Вновь образовавшиеся носители будут ускоряться полем и вызывают дополнительную ионизацию и при определенном значении Uобр = Uпробив процесс становится лавинообразным, что приводит к резкому увеличению обратного тока.
Значение Uобр зависит от ширины запирающего слоя, чем шире, тем Uпробоя больше, так как необходимо сообщить большую энергию носителям.
Uобр зависит от температуры и типа полупроводника. Для p-n - переходов, сделанных на базе кремния Uпробив возрастает с повышением температуры, так как уменьшается длина свободного пробега носителей и для сообщения носителям необходимой энергии требуется большая напряженность.
Туннельный пробой. Возникает, когда напряженность поля в обедненном слое возрастает настолько (Е ≥ В/м), что проявляется туннельный эффект - переход электронов сквозь барьер без изменения энергии. Эффект наблюдается в узких переходах (порядкамкм), а для этого нужна большая концентрация примеси (более) Туннельный эффект возникает как при прямом так и при обратном включении.
При Uобр возникает эффект за счет перехода валентных электронов из валентной зоны р-области без изменения энергии на свободный уровень в зону проводимости n-области.
С повышением температуры U пробоя уменьшается (отрицательный коэффициент) из-за некоторого уменьшения ширины запрещенной зоны (высоты барьера).
Экспериментально установлено, что при концентрации примеси (менее ) напряжение лавинного пробоя ниже, чем туннельного, т.е. будет лавинный пробой.
Для высоких концентраций (более ) напряжение лавинного пробоя выше, чем туннельного, и происходит туннельный пробой.
При средних концентрациях носителей крутизна ВАХ обратной ветви с туннельным пробоем меньше, чем при лавинном. Пробой объясняется обоими механизмами и механизм преобладания определяется по знаку температурного коэффициента.
Тепловой пробой происходит за счет обратного тока, так как протекая через переход выделяется мощность виде тепла, которая вызывает разогрев p-n - перехода и прилегающих к нему областей ПП и дальнейший рост тока.
Отводимая мощность за счет теплопроводности и последующего рассеяния теплоты в окружающую среду пропорциональна перегреву p-n - перехода.
Ротвода = (Т - Токр)/Rт,
где Т-Токр - разность температур перехода Т и Т окружающей среды
Rт - тепловое сопротивление участка переход - окружающая среда.
После включения, через некоторое время, устанавливается тепловое равновесие - баланс мощностей выделяемой и отводимой.
При нарушении баланса наступает пробой, что приводит к разрушению p-n - перехода, за счет перегрева.
Поверхностный пробой (ток утечки) возникает из-за загрязнений поверхности ПП и наличия поверхностных зарядов между p-n - областями, что приводит образованию токопроводящие пленки и каналы. Iутечки увеличивается с увеличением Uобр и может превысить тепловой ток (I0) и ток генерации (Iген)
Для уменьшения Iутечки применяют защитные покрытия. От температуры Iутечки зависит слабо.
Зависимость прямого тока диода от материала и площади перехода.
Рисунок 5.16 - Зависимость прямого тока от материала и площади перехода
С увеличением площади (S) прямой ток возрастает, характеристика тока идет круче. Начальный участок прямой ветви ВАХ зависит от материала. Для кремниевых диодов характерен более резкий переход от пологого начального участка к области, где проявляются особенности высокого уровня инжекции. В германиевых диодах омический участок более крутой, так как подвижность носителей в германии значительно выше, чем в кремнии.
Изменение ВАХ при изменении температуры. Обратный ток зависит от материала - у германиевых начальный ток больше, чем у кремниевых, так как у кремниевых ток определяется в основном процессами рекомбинации носителей в переходе, который преобладает над процессами тепловой генерации. С увеличением температуры токи увеличиваются согласно соотношению:
I0(T) = I0(T0)eαΔTz,
где αSi = 0,13 K-1;
αGe = 0,09 K-1;
ΔT = T - T0, T0 = 300 K.
Прямая ветвь характеристик сдвигается влево и становится более крутой. Но сдвиг незначительный. Для оценки температурной зависимости прямой ветви используют величину ε - температурный коэффициент напряжения (ТКН). ε = ΔU/ΔT и показывают изменение прямого напряжения (ΔU) за счет изменения ΔТ = 10С, при некотором значении прямого тока. Для германиевых и кремниевых диодов ε = -2 мВ/0С.
Рисунок 5.17 - Зависимость токов при изменении температуры
Из графиков видно, что в германиевых диодах с ростом температуры Uобр = Uпроб уменьшается, а у кремниевых диодов возрастает. Значение обратного тока возрастает примерно в 2 раза на каждые 100С у диодов сделанных на базе германия. Если изменить температуру с 200С до 700С, то ток обратный возрастает в 32 раза. У кремниевых диодов ток увеличивается примерно в 3 раза.