Полупроводниковая электроника

Шаг 4. Полупроводники

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет

колосально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становиться чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию ) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекоминировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме

того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсинид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме

Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

Шаг 5. PN-переход

Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов.

Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремиться уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбенированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при

определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток не основных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какойнибудь энергией, например, электрической.

Ситуация №1. На концы куска материала, где присутствует pn-переход, подключены провода, которые создают разность потенциалов, в результате чего можно говорить о том, что внешним источником энергии создаётся некоторое поле с напряжённостью E.

Его обычно так и называют — внешним полем. Конструкция показана на рисунке ниже.

В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определят то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе.

Можно заметить, что внешнее поле и то, что имеется внутри соединения, имеют разные направления. В связи с этим, внешнее поле перекрое внутренне и оно не будет оказывать влияния на материал. Это приведёт к тому, что переход выйдет из равновесия. Соответственно диффузионный ток уже сдерживаться не будет, а дрейфовый (неосновных носителей заряда) наоборот — будет подавляться. Таким образом, видно, что подключение вот по такой схеме, как на рисунке, приводит к появлению тока внутри полупроводника, причём ток направлен от p области к n области. Данную ситуацию называют «прямое смещение» pn-перехода.

Ситуация №2. Та же самая конструкция, но потенциалы на концах материала поменялись местами. Такая ситуация тоже интересна. Конструкция показана на рисунке ниже.

В этом случае внешнее поле направлено в одну сторону с внутренним, что, конечно же, приводит к повышению дрейфового тока неосновных носителей заряда, т.к. неосновных носителей мало, то величина такого тока мала. Данную ситуацию называют «обратное смещение» pn-перехода.

Ситуация №3.Та же самая конструкция, но теперь провода не будут подключены к источнику энергии, они будут просто соединены между собой. Внешним источником энергии будет выступать излучение, например свет. Конструкция показана на рисунке ниже.

То как свет действует на материал — это тематика отдельного разговора и понятно рассказать без использования квантовой электродинамики сложно. Поэтому будем

просто считать, что в тот момент когда свет попадает на pn-переход, там образуются пары электрон-«дырка». Т.к. присутствует внутреннее поле, то это поле «выкидывает» частицы подальше друг от друга так, что они не успевают уничтожиться. Если посмотреть на провод, который соединяет p и n части конструкции, то там будет течь некоторый ток. Нужно отметить, что не всякое излучение может создавать такие пары частиц, т.е. нужен «определённый» свет. Эта определённость заключается в длине волны или частоте излучения. Проще говоря, если посветить на один и тот же pnпереход синим фонариком, а затем красным, то не факт, что он будет в том и другом случае создавать ток в проводе. На этом принципе работают солнечные панели. Более эффективно такая система будет работать, если совместить её с обратным включение pn-перехода, тогда можно с помощью света управлять уже значительным током во внешней цепи.

Ситуация №4. Конструкция аналогична первой ситуации.

Дело в том, что энергия, о которой постоянно идёт речь и которая очень важна для физики, обладает таким свойством, что она ниоткуда не берётся и никуда не уходит, одна лишь способна менять свою форму. Когда электрон с дыркой рекомбенируют, а это, если вспомнит про зонную теорию, значит, что электрон встал на своём место в валентной зоне, т.е. уменьшил свою энергию. Данная энергию никуда не исчезает, а лишь трансформируется. Можно сделать такие конструкции, что эта энергия будет излучаться в виде света. Тогда можно использовать pn-переход в качестве излучателя. От типа примеси значительно зависит частота (длина волны) излучения. Другими словами, подмешивая разные примеси в полупроводник, можно управлять цветом его излучения. Существуют также более сложные конструкции с несколькими pnпереходами. Какой из них будет светить — зависит от тока. Так можно делать излучатель на несколько цветов.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираюсь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещение, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным.

Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включение перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для

того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересно использоваться на практике. Дело в том, что при обратном смещение от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжением изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Шаг 6. Переход полупроводник-металл

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явление: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру.

Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода на много меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.