1. Полупроводниковые приборы

1. Физические основы полупроводниковых приборов

До 40-х годов в электронике использовались в основном два вида материалов: проводники и диэлектрики. Полупроводники фактически не использовались и их физические свойства не изучались. Хотя простейшие детекторы были использованы ещё в конце 19 – го века в опытах Попова. В 20 – х 30 – х годах появились медно-землистые и семновые выпрямители. В 30 – х 40 – х были изобретены термисторы и оротоэлементы и в 48 – ом году появился первый полупроводниковый транзистор этот год и считается началом полупроводниковой эры в электронике. Из курса квантовой физики известно, что электроны в атоме могут находиться на строго определённых энергетических уровнях. Энергетический уровень на котором электрон находится невозбуждённом состоянии называется валентным. С получением кванта энергии электрон переходит на более высокий энергетический уровень (разрешённый).

При образовании кристалла в результате взаимодействия атомов металлической решётки, энергетические уровни отдельных атомов разделяются на энергетические зоны.

Энергетические

зоны

Запрещённая

зона

Рис. 1.1. Энергетические уровни атомов

У диэлектриков , у полупроводников . У проводников запретная зона отсутствует.

Электронная проводимость материала определяется концентрацией электронов в зоне проводимости. У проводников эта концентрация высока и мало зависит от внешних воздействий. У полупроводников концентрация элементов в зоне проводимости сильно зависит от внешних воздействий. Поэтому с увеличением температуры концентрация электронов в зоне проводимости увеличивается следовательно его сопротивление уменьшается.

2. Собственные и примесные полупроводники

Собственные проводники – полупроводники не содержащие примесей.

В процессе облучения или других внешних воздействий на полупроводник происходит возбуждение атомов, при этом в валентной зоне остаётся свободный энергетический уровень, который называется дыркой. В этом случае говорят о генерации пары электрон – дырка.

Особенности собственных полупроводников:

1. При температуре равной относительному нулю все атомы полупроводника находятся в невозбужденном состоянии и концентрация носителей зарядов равна нулю.

2. При повышении температуры концентрация увеличивается, но концентрация электронов равна концентрации дырок.

В процессе создания полупроводников полупроводники возникающие с избыточной концентрацией электронов – (n – тип), а с избыточной дырочной концентрацией – (р – тип). Это достигается путём добавления примесей.

Полупроводник n – типа образуется при добавлении донорной примеси.

Рис. 1.2. Возникновение примесной электропроводности

Валентные элементы атомов мышьяка образуют ковалентную связь с валентными элементами атомов кремния при этом остаётся один свободный электрон. Этот электрон находится вне валентной зоны и легко может перейти а зону проводимости.

Полупроводник p – типа образуется путём добавления акцепторной примеси. Атом гелия имеет три валентных элемента. Они образуют ковалентную связь с тремя атомами кремния, при этом остаётся свободным один энергетический уровень в валентной зоне.

Рис. 1.3. Возникновение примесной дырочной электропроводности

Электронно-дырочный переход – это переход образуемый при соединении двух полупроводников разного типа проводимости.

Рис. 1.4. р–n тип

Рис. 1.5. Энергетическая диаграмма. Переход электронов

Под действием градиента концентрации электронов из n – области переходят в р – область. В результате в р – области на границе р – n перехода возникает объемный отрицательный заряд, а в n – области – объёмный положительный заряд. Взаимодействие этих зарядов создаёт диффузионное электрическое поле. Разность потенциалов возникающих на границе называется - контактной разностью потенциалов .

Рис. 1.6. Искривление энергетической диаграммы

Наличие диффузии электрического поля приводит к искривлению энергетических диаграмм n – p – перехода. Возникает потенциальный барьер для основных носителей зарядов. Наступает состояние равновесия.

Если мы приложим к n – р – переходу прямое напряжение (“+”к р-обл. и “–“ к n-обл.), то внешнее электрическое поле будет направленно навстречу диффузионному. Это приведёт к уменьшению потенциального барьера. В результате основные носители зарядов смогут передвигаться через n – р – переход. В этом случае говорят об инжекции основных носителей зарядов.

Приложим обратное напряжение (“+” к n – обл.). В этом случае внешнее электрическое поле совпадает по направлению с диффузионным. При приложении обратного напряжения потенциальный барьер для основных носителей заряда увеличивается. Преодолеть его могут только электроны с большой энергией. В любой точке полупроводника, кроме примесной концентрации носителей заряда, существует и собственная концентрация носителей заряда. Для них обратное напряжение является прямым. В этом случае говорят об экстракции электронов неосновных носителей зарядов.

Для улучшения выпрямительных свойств n – р – перехода соединяемые области выполняют с разной концентрацией носителей зарядов.

Рис. 1.7. Графическая реализация реального и идеального р-n перехода

Область, имеющая более высокую концентрацию зарядов называют эмиттером, другую область называют базой.

Рис. 1.8. Вольт – амперная характеристика идеального n – р – перехода.

Основное отличие идеального n – р – перехода от реального наличие пробоев в обратной ветви ВАХ и небольшое падение напряжения на n – р – переходе при прямом включении.