ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Конспект лекцій

По дисципліні “Твердотільна електроніка”

Для студентів спеціальності

“Електронні системи”

Розглянуто на засіданні кафедри

“Електронна техніка”

Протокол № 7 від 13.11.2008

Затверджено на засіданні

Навчально-видавничої ради ДонНТУ

Протокол №_____ від _________ 2008р

м. Донецьк

Излагается теория работы, физические процессы и составляющие полупроводниковых приборов.

Рассмотрены вопросы построения теоретических вольт-амперных характеристик диодов, транзисторов, тиристоров и оптоэлектронных приборов.

Приведены основные вопросы физики полупроводников, принципы действия, параметры, схемы включения, модели и особенности использования полупроводниковых приборов.

Конспект лекций составлен в соответствии с программой подготовки бакалавров для направления “Электроника” специальности “Электронные системы” и может быть полезным для других направлений, где изучается полупроводниковая техника.

Составитель: доцент к.т.н. Винниченко Н.Г.

Оформление студентов: Пелипенко Д.В.

Трифонов И.И.

Укладач: доцент к.т.н. Винниченко М.Г.

Напівпровідникові прилади Загальна характеристика напівпровідників

По здібності проводити електричний струм всі речовини в природі ділять на три групи: провідники діелектрики і напівпровідники. Характерними властивостями напівпровідників є різко виражена залежність питомої електричної провідності від температури, кількості домішок, світла та електричного поля. До напівпровідників належать речовини ширина забороненої зони у яких при Т=300К лежить в межах від 0,5 - 3,5 ЕВ.

кремній ΔЕ=1,12 ЕВ

германій ΔЕ=0,75 ЕВ

арсенід галію ΔЕ=1,43 ЕВ

карбід кремнію ΔЕ=2,4-3,4 ЕВ

Найбільш перспективними є нові напівпровідники ширина забороненої зони, яких знаходиться в межах до 6,1 ЕВ.

У напівпровідникових приладах використовуються ефекти, обумовлені переміщенням заряду в твердому тілі. Вони призначені для перетворення, підсилення та генерації електричних сигналів. Параметри напівпровідникових приладів визначаються геометричними розмірами і властивостями напівпровідників, які використовуються для виготовлення приладів. В сучасних умовах в основному використовуються германій, кремній, арсенід галію і карбід кремнію.

До напівпровідників відносять також селен, телур і різні сульфіди.

Всі напівпровідникові прилади, які використовуються в електронній техніці розподіляють на групи:

діоди – це прилади, які мають один випрямляючий контакт(перехід) і два омічних контакти

транзистори – це прилади, які мають не менше двох випрямляючих контактів (переходи) і три або більше омічних контактів.

тиристори, які мають не менше трьох випрямляючих контактів(переходів) і декілька омічних контактів в залежності від призначення і принципу дії приладу.

якщо тиристор має два омічних контакти і три випрямляючих контакти, то він називається диністором або перемикаючим діодом.

тиристори – управляючі діоди вони мають додатковий вивід, по якому відбувається управління переключенням діоду.

семістори – мають чотири випрямляючих переходи і можуть діяти у двох напрямах.

Основою любого напівпровідникового приладу є р-n- перехід, або інші переходи, які мають односторонню провідність.

Типи переходів

Найбільш часто для виготовлення напівпровідникових приладів використовуються переходи, які створюються в результаті металургійного контакту між напівпровідниками з різною провідністю. Такий контакт отримав назву р-n-перехід. В залежності від степені легування (кількості домішки) р-n переходи діляться на 2 групи.

симетричний р-n- перехід, який створений напівпровідниками, в яких кількість домішок акцепторів і донорів приблизно однакова.

n_n ≈ p_p – симетричний перехід.

несиметричний перехід – створений напівпровідниками, степінь легування яких відрізняється на 2-3 порядки.

n_n>>p_p або p_p>>n_n несиметричний перехід.

Несиметричний перехід є основою любого напівпровідникового приладу. Розглянемо процеси що відбуваються при контакті напівпровідників з різною провідністю рис. 1.

Рисунок 1 Електричні процеси в р-n – переході

Крім того переходи поділяють на різкий і плавний переходи. Під різким переходом розуміють перехід у якого зміна концентрації носіїв заряду менше дифузійної довжини. У плавному – навпаки – зміна концентрації носіїв заряду рівна або більше дифузійної довжини.

При контакті двох напівпровідників з різною провідністю відбувається під дією градієнта концентрації дифузія носіїв із одного напівпровідника в інший. Електрони із n–напівпровідника рухаються в p–напівпровідник і займають вільні зв’язки в кристалічній гратці. В результаті цього на границі створюються позитивно заряджені іони в n – напівпровіднику і негативно заряджені іони в p –напівпровіднику. В результаті дифузії на границі двох напівпровідників створюються два збіднених шари і різниця потенціалів Е_диф.

Дифузійна напруга Е_диф відповідає типу напівпровідника і концентрації домішок. В зв’язку з тим, що рівень донорних і акцепторних носіїв заряду знаходиться на дні забороненої зони і наверху, а рівень Фермі для всього напівпровідника повинен знаходитися на одному рівні, то на межі двох напівпровідників з різними провідностями відбудеться скривлення енергетичних рівнів. Контактну різницю потенціалів можна визначити, виходячи із повної енергії електрона, енергетичних рівнів або концентрації носіїв заряду донорної і акцепторної домішок.

Отримаємо:

Розділимо ліву і праву частини рівняння на заряд електрона отримаємо

- температурний потенціал

n_n0 , n_p0 – кількість носіїв заряду в рівноважному стані

Для зручності розрахунку часто користуються формулами, пов’язаними із рівнем забороненої зони (∆Е), ефективною концентрацією носіїв заряду (N_с, N_в) і концентрацію в рівноважному стані.

де N_с - ефективна зона станів на 1см³ в зоні провідності

N_в - ефективна зона станів на 1см³ в валентній зоні

Дифузійною довжиною називають відстань у напівпровідників, на якій концентрація носіїв заряду змінюється в е =2,71 раз.