1 врпрос

физические основы явлений в полупроводниках

Полупроводник – это вещество, основным электрическим свойством которого является сильная зависимость его электропроводности от воздействия внешних факторов (температуры, электрического поля, света и т.д.).

Полупроводники представляют самый многочисленный класс веществ.К ним относятся химические элементы: бор, кремний, фосфор, сера, германий, йод, мышьяк и другие. для изготовления полупроводниковых приборов используют кремний (Si) и германий (Ge). Бор, фосфор, мышьяк и некоторые другие вещества используют в качестве примесей. Основным признаком, выделяющим полупроводники как особый класс веществ. Является влияние температуры или концентрации примесей на их электрическую проводимость. Даже при увеличении температуры на 1⁰С проводимость возрастает на 5-6%. Введение примеси в полупроводник в количестве 10^-7-10^-9% уже существенно увеличивает его электрическую проводимость. Примесный полупроводник. Введением в кристалл соответствующей примеси (легированием) можно резке увеличить электропроводность полупроводника. Так, например, добавление в гер­маний 10^-5 % мышьяка понижает его удельное сопротивление в 200 раз. Полупроводник, не имеющий примесей, принято называть собственным.

2 вопрос

Методы получения и свойства электро дырочного перехода. ВАХ перехода , виды пробоя.

В полупроводниковых приборах широко применяют электрические переходы. Электрический переход – это переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости. Наибольшее применение имеет электронно-дырочный переход (рn – переход), представляющий собой переходной слой между областями полупроводника с электропроводностью р – типа и n – типа. Если концентрация примесей в обеих областях примерно одинакова, то такой переход называют симметричным. При значительном преобладании концентрации примеси в одной из областей рn – переход называют несимметрич. Сущность сплавного метода (рисунок 1.5) состоит в том, что к пластинке, например n – германия, прикрепляют таблетку индия и нагревают в вакууме до 500⁰С, при этом таблетка индия расплавляется и растворяет прилегающую к ней поверхность пластинки германия. На границе между пластинкой германия и таблеткой индия образуется тонкий слой германия с примесью индия, то есть р - германий. Между слоем р - германия и пластинкой n - германия возникает pn - переход. Германиевый точечный рп - переход получают следующим образом. К хорошо отполированной поверхности пластинки n - германия прижимают заостренную иглу из бериллиевой бронзы. Затем полученный контакт подвергают формовке, заключающейся в том, что через контакт пропускают мощный, но кратковремен­ный импульс тока. При этом» происходит сильный местный нагрев контакта, в результате чего атомы бериллия, являющиеся акцептором по отношению к гер­манию, диффундируют в пластинку n - германия и образуют тонкую полусфери­ческую р - область вблизи иглы. Кончик иглы сплавляется с проводником, благо­даря чему обеспечивается стабильность и механическая прочность рn - перехода.Если постепенно повышать напряжение Uобр, приложенное к рn - переходу, то мож­но заметить, что после достижения определенной его величины обратный ток че­рез переход резко возрастает даже при незначительном повышении напряжения на переходе (рисунок 1.20), что свидетельствует о резком увеличении дифференци­альной проводимости рn - перехода

Пробой рп - перехода — это явление резкого увеличения дифференциальной проводимости рn - перехода при достижении обратным напряжением (током) кри­тического значения для данного перехода.

Различают электрический и тепловой пробой.

• Электрический пробой — явление обратимое, то есть при снятии напряжения Uобр, свойства рn - перехода полностью восстанавливаются.

• Тепловой пробой — необратимый процесс, в результате которого разрушается кристаллическая решетка полупроводника и pn -переход выходит из строя.

В опрос 3

Энергетические зоны твёрдого тела

На рис. 314, а самая верхняя зона, содержащая электроны, заполнена лишь частично, т. е. в ней имеются вакантные уровни. В данном случае электрон, получив сколь угодно малую энергетическую «добавку» (например, за счет теплового движения или электрического поля), сможет перейти на более высокий энергетический уровень той же зоны, т. е. стать свободным и участвовать в проводимости. Внутривенный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения kT  10^-4 эВ, т. е. гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10^-22 эВ). Таким образом, если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело всегда будет проводником электрического тока. Именно это свойственно металлам.

Твердое тело является проводником электрического тока и в том случае, когда валентная зона перекрывается свободной зоной, что в конечном счете приводит к не полностью заполненной зоне (рис. 314, б). Это имеет место для щелочно-земельных элементов, образующих II группу таблицы Менделеева (Be, Mg, Ca, Zn, ...). В данном случае образуется так называемая «гибридная» зона, которая заполняется валентными электронами лишь частично. Следовательно, в данном случае металлические свойства щелочно-земельных элементов обусловлены перекрытием валентной и свободной зон.

Помимо рассмотренного выше перекрытия зон возможно также перераспределение электронов между зонами, возникающими из уровней различных атомов, которое может привести к тому, что вместо двух частично заполненных зон в кристалле окажутся одна полностью заполненная (валентная) зона и одна свободная зона (зона проводимости). Твердые тела, у которых энергетический спектр электронных состояний состоит только из валентной зоны и зоны проводимости, являются диэлектриками или полупроводниками в зависимости от ширины запрещенной зоны E.

Если ширина запрещенной зоны кристалла порядка нескольких электрон-вольт, то тепловое движение не может перебросить электроны из валентной зоны в зону проводимости и кристалл является диэлектриком, оставаясь им при всех реальных температурах (рис. 314, в). Если запрещенная зона достаточно узка (Е порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источ ника, способного передать электронам энергию Е, и кристалл является полупроводником (рис. 314, г).

Различие между металлами и диэлектриками с точки зрения зонной теории состоит в том, что при 0 К в зоне проводимости металлов имеются электроны, а в зоне проводимости диэлектриков они отсутствуют. Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl Е = 6 эВ), для полупроводников - достаточно узка (например, для германия E = 0,72 эВ). При температурах, близких к 0 К, полупроводники ведут себя как диэлектрики, так как переброса электронов в зону проводимости не происходит. С повышением температуры у полупроводников растет число электронов, которые вследствие теплового возбуждения переходят в зону проводимости, т. е. электрическая проводимость проводников в этом случае увеличивается.

Вопрос 4

Выпрямительный диод

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямля­ющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электронно-дырочного перехода (ЭДП).

Графическое обозначение полупроводникового диода:

В диодах ЭДП используется в качестве выпрямляющего электрического пе­рехода, разделяющего р- и n -области кристалла полупроводника (рисунок 2.1).

К р - и n-областям кристалла привариваются или припаиваются металличе­ские выводы, и вся система заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус.

Рисунок 2.1 - Схема включения полупроводникового диода и пространственное распределение объемны зарядов pn – перехода при отсутствии внешнего напряжения

Одну из полупроводниковых областей кристалла, имеющую более высокую концентрацию примесей, а, следовательно, и основных носителей заряда, называют эмиттером. Другую область, с меньшей концентрацией примесей, называют базой. Если эмиттером является р - область, для которой основными носителями за­ряда служат дырки РР, а базой - n-область (в ней основными носителями заряда служат электроны Nn), то выполняется условие РР » Nn .

Технология изготовления:

На практике находят применение точечные, плоскостные (сплавные) и диффу­зионные диоды.

Рисунок 2.2 -Структура точечного диода

Точечный диод образуется в месте контакта небольшой пластины полупроводни­ка и острия металлической проволоки — пружины (рисунок 2.2). Поэтому линейные размеры перехода меньше его ширины. Для более надежного контакта через переход пропускают импульс тока в не­сколько ампер, который вплавляет ост­рие проволоки в полупроводник. Между ними происходит диффузия и образуется полусферический рn -переход (закрашен­ный серым цветом сектор на рисунке 2.2).

Благодаря малой площади диод об­ладает очень малой емкостью перехода и используется до частот порядка сотен МГц. Малая площадь перехода определяет также небольшой допустимый ток диода. Точечные диоды обычно выполняют на основе германия.

Плоскостной (сплавной) диод имеет плоский электрический переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше ширины рn – перехода.Переход в таких диодах может вы­полняться методом сплавления полу­проводниковой пластины с металлом. На пластину исходного полупровод­ника накладывают металл или сплав, содержащий донорные или акцептор­ные примеси (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 - Структура плоскостного диода: а – до вплавления в пластину; б – после вплавления в пластину

Затем этот материал нагревают до температуры, достаточной для того, чтобы часть полупроводника раство­рилась в полученном расплаве. При последующем охлаждении происходит рекристаллизация исходного полупро­водника с примесью вплавленного металла, и образуется рn -переход. Диффузионные диоды изготавливают посредством диффузии в полупровод­никовую пластину примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах. Если диффузия примеси производится через отверстия в защитном слое, на­несенном на поверхности полупроводника, то получают так называемый планарный рп - переход.

Диффузионные диоды отличаются от сплавных диодов меньшей собственной емкостью и малым значением постоянной времени. Так, у диффузионного диода КД512АА Сд  1-2 пФ; ₆= 3 нс.