Полупроводники, их характерные отличительные свойства

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР

Роль и место полупроводников в развитии электроники

Общая характеристика

В настоящее время международный рейтинг любого государства существеннейшим образом определяется уровнем развития электроники и внедрения ее новейших достижений в современные гражданские и военные отрасли в виде изделий электронной техники.

Электроника – это наука, во-первых, ‑ о формировании потоков электронов и управлении ими в приборных структурах для приема, обработки, хранения и передачи информации, а также преобразования энергии из одних форм в другие, и, во-вторых, о методах создания электронных приборов и устройств на их основе, предназначенных для решения указанных выше и других задач, связанных, например, с автоматикой, медициной, бытовой техникой.

Непрерывный прогресс в электронике и электронной технике неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при разработке новых уникальных современных электронных приборов и устройств. При этом перед специалистами соответствующего профиля все чаще возникает сложнейшая задача по созданию материалов со свойствами не только количественно, но и качественно отличающимися от ранее достигнутых.

Характерным примером этому может служить создание материалов, которые способны генерировать высокочастотные электрические колебания при их подключении к источнику постоянного напряжения. То есть, они обеспечивают реализацию сложных функциональных характеристик прибора исключительно за счет специфических электронных свойств собственной структуры. Материалы подобного типа обеспечивают развитие нового направления в электронике, которое получило название «Функциональная электроника».

(Пример материала с S-ОДС).

Характерные отличительные свойства полупроводников

И общее представление о природе этих свойств

Феноменологические отличия

История изучения свойств твердотельных материалов, которые в настоящее время относятся к классу полупроводников, насчитывает более 150 лет. Таким образом, полупроводники заинтересовали исследователей еще до начала первого периода развития электроники.

Вначале деление материалов на металлы, полупроводники и диэлектрики основывалось на различной способности проводить электрический ток, т.е. на различии в величине удельной электрической проводимости (или удельной электропроводности) s.

Указанный параметр связан с удельным электрическим сопротивлением ρ следующим хорошо известным соотношением

s = 1/ρ, (1)

откуда следует, что в силу [ρ] = Ом·м, [s] = (Ом·м)^-1.

В таблице 2 представлены диапазоны численных значений ρ и s, исторически сложившиеся на основании результатов многочисленных экспериментальных исследований.

Таблица 2 – Диапазоны численных значений удельной электропроводности и удельного электросопротивления твердых тел при комнатной температуре

Твердотельные материалы	ρ, Ом·см	s, (Ом·см)-1
Металлы	10-6…10-4	106…104
Полупроводники	10-3…109	103…10-9
Диэлектрики	1010…1022	10-10…10-22

Как следует из Таблицы 2, по указанным электронным параметрам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками электрического тока (металлами) и не проводниками электрического тока (диэлектриками).

Фундаментальное физическое отличие между кристаллическими

Рисунок 12

Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) еще часто называется омической, поскольку соответствует закону Ома для участка цепи

I = (1/R)·U,(18)

где R – сопротивление участка цепи.

Однородные полупроводниковые структуры являются базовыми для изделий электронной техники, которые называются полупроводниковыми резисторами, а также для датчиков Холла.

Полупроводниковые резисторы в зависимости от области применения и связанных с последней особенностей конструктивно-технологического решения подразделяются на:

-терморезисторы (термисторы – α_Т < 0 и позисторы - α_Т > 0);

-фоторезисторы (изменяют – чаще уменьшают свое сопротивление при облучении фотоактивной компонентой электромагнитного излучения);

-газорезисторы (изменяют свое сопротивление – уменьшают или увеличивают при появлении посторонней газовой примеси в фоновой газовой среде);

-варисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием сильного электрического поля);

-магнеторезисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием магнитного поля);

-моностабильные и бтстабильные переключатели тока(разновидность быстродействующих варисторов);

--элементы оперативной и постоянной репрограммируемой энергонезависимой электрической памяти.

Диодные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат один выпрямляющий переход, определяющий наиболее важные с практической точки зрения электрические и фотоэлектрические свойства базирующихся на них приборов.

Как следует из jpg-файла “Основные типы полупроводниковых структур”, такие приборы подразделяются на диоды Шоттки (по фамилии немецкого физика, впервые предложившего указанные приборы и теоретически обосновавшего принцип их работы) и диоды с p-n-переходом.

Диод Шоттки – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой трехслойную структуру металл/полупроводник/металл с выпрямляющим переходом у контакта между полупроводником и одним из металлов и с омическим (не выпрямляющим) контактом между полупроводником и другим металлом (отличающимся по электронным параметрам от первого).

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 14.

Диод с p-n-переходом – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру металл/полупроводник р‑типа/полупроводник n-типа/металл с выпрямляющим переходом в области контакта полупроводников р- и n-типа, а также с омическими контактами этих полупроводников с металлическими электродами.

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 15.

Схематическое изображение ВАХ обоих типов диодов приведено на рисунке 16.

Рисунок 15 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения диода с p-n-переходом: МЭ1 и МЭ2 – ме-таллические электроды 1 и 2; зеленые области - области обогащения полупро-водника основными носителями заряда (электронами в полупроводнике n-типа или дырками в полупроводнике р-типа); розовые области – области обеднения полупроводниковых слоев основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа); внутри указанных облас-тей обеднения присутствует нескомпенси-рованный объемный заряд (отрицатель-ный со стороны полупроводника р-типа и положительный со стороны полупровод-ника n-типа.   Присутствие указанного объемного заряда в этих областях обеднения приводит к наличию в них встроенного электрического поля, вектор напряжен-ности которого направлен справа налево. Так как концентрация посителей заряда в областях обеднения намного ниже, чем в остальных электронейтраль-ных областях полупроводникового мате-риала, то их сопротивление намного выше, чем сопротивление остального объема полупроводникового материала. Поэтому все прикладываемое к диодам извне напряжение U практически полнос-

Рисунок 14 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения ди-ода Шоттки: МЭ1 и МЭ2 – металлические электроды 1 и 2; красная область – область обеднения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа); зеленая область - область обогащения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n-типа или дырками в полупро-воднике р-типа)

	Рисунок 16 – Схематические изображения ВАХ: 1 – диодов; 2 – для сравнения – ВАХ однородных полупроводниковых структур

тью падает на областях обеднения полупроводниковой приборной структуры, в связи с чем именно эти области и определяют особенности ВАХ диодов – как диодов Шоттки, так и диодов с p-n-переходами. Как показано теоретически и подтверждено экспериментально, в силу специфики переноса зарядов под влиянием прикладываемого к диодам внешнего напряжения U прямые (U >0) и обратные (U < 0) ветви их ВАХ (Рис. 16) описываются соотношением

I = I₀{exp[(eU/(kT)]-1}, (19)

где I₀ – не зависящий от U в случае диода Шокли диодный ток насыщения, наблюдаемый как полка на обратной ветви ВАХ при |U| > 0,1 В (Рис. 16, U < 0); e = 1,6·10^-19 Кл – абсолютное значение заряда электрона; k = 1,38·10^‑23 Дж/К (или 8,6·10^‑5 эВ/К) – постоянная Больцмана; Т – температура диода.

В связи с сильной нелинейностью и асимметрией ВАХ диоды широко используются, например, для выпрямления знакопеременного тока, в частности, промышленной частоты. При этом практически важным параметром диода является его коэффициент выпрямления К, который определяется соотношением

К = I(U*>0)/I(U*< 0), (20)

где * - указывает на то, что |U| = const при прямой и обратной полярностях подаваемого на диод напряжения.

Для получения представления о количественных значениях коэффициента выпрямления в зависимости от |U| предлагается, используя соотношения (19) и (20), выполнить самостоятельную расчетную работу по определению величины К для диода Шокли при |U|₁ = 0,2 В, |U|₂ = 0,4 В и |U|₃ = 0,6 В. Отчет о проведенной работе с приложением соответствующих конкретных численных операций оформить как самостоятельную работу и сдать преподавателю.

Транзисторные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат два взаимодействующих выпрямляющих электрических перехода, либо выпрямляющие электрические переходы и взаимодействующий с ними проводящий канал, свойства которого управляются электрическим полем, создаваемым внешним источником напряжения.

Такие структуры лежат в основе, прежде всего, трехэлектродных приборов – транзисторов, которые подразделяются на биполярные и полевые. Принцип работы этих приборов построен на изменении электросопротивления одних элементов структуры под влиянием других ее элементов, что и отражает составное слово «транзистор»:

transistor ≡ transfer resistor ≡ преобразуемый резистор.

Далее, начиная со следующей страницы, приведена несколько более подробная информация, относящаяся к указанным типам транзисторов.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рисунок 17

Рисунок 18

(Рис. 17 в).

Рисунок 19

.

Рисунок 20

:

Рисунок 21

Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе при активном режиме его работы

Вместе с тем, наиболее значительное усиление входного сигнала обеспечивает включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

При этом в случае активного режима работы транзистора

і_Э = і_К + і_Б,

а поскольку

і_Б << і_К,

то і_Э ≈ і_К.

В результате, коэффициент усиления по току

,

где:

- максимальный выходной ток;

- максимальный ток коллектора;

- максимальный входной ток;

- максимальный ток базы.

Коэффициент усиления по напряжению

.

Коэффициент усиления мощности

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Основные преимущества

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА