Раздел 6. физические основы полупроводниковой электроники
РАЗДЕЛ 6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Полупроводники
Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge и кремний Si, а также арсенид галлия GaAs Атомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной.
При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда – свободного электрона и незаполненной связи – дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов.
Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников
Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.
Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бора В), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная связь – дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники -дырочными или р-типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике называются основными. В полупроводниках п-типа основные носители электроны, а не основные – дырки. В полупроводниках р-типа основные носители дырки, а не основные - электроны, (рис.6.1. а, б).
Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р-дырочная, а правая п-область-электронная.
Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны из области п переходят в область р, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов.
Рис. 6.2. Условное изображение p - n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)
Образование пространственных зарядов в р-п переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим т.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю.
Если к пластине полупроводника с р-п переходом подключить источник постоянного тока напряжением V плюсом к p - области, а минусом к n-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое поле Еnр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее поле Ер в р-п. переходе будет меньше поля Ек понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включение р-п перехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярности прямым напряжением Unp . Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а следовательно, и через пластину начнет проходить прямой ток Inр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, ток Iпр будет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией.
Если к р-п переходу приложить напряжение обратной полярности (рис. 6.2в), то в полупроводнике возникнет электрическое поле Еобр, совпадающее по направлению с полем Ек, и результирующее поле Ер станет больше поля Ек. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включение р-п перехода называется обратным включением, а внешнее напряжение обратным напряжением Uобр. Ток, обусловленный преимущественно неосновными носителями зарядов, называется обратным током Iобр. Вольт- амперная характеристика р-п перехода (рис. 6.3а). Основные свойства р-п перехода - зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. При прямом включении оно мало, а при обратном - велико, таким образом р-п переход обладает односторонней проводимостью.
Тиристор
Тиристор - полупроводниковый прибор с тремя (или более) р-п переходами, используемый для переключения. Два крайних слоя p1 и п2 -эмиттеры: п2 - катод; p1 - анод. Два средних слоя (n1 и р2) -базы. Электрод, которому приложено напряжение управления, называется управляющим, (рис. 6.5а). Питающие напряжение подается на тиристор так, что переходы П1 и П3 будут открытыми, а П2 - закрытый. Сопротивление П1 и П3 - мало, а П2 - велико, поэтому почти все питающее напряжение оказывается приложенным к переходу П2. Ток тиристора мал. При повышении Unp (при увеличении ЭДС источника питания Е) ток тиристора мало увеличивается.
Рис. 6.5. Структура тиристора (а).
Вольт- амперная характеристика тиристора (б)
При достижении Unp = Uвкл происходит лавинное увеличение носителей заряда в переходе П2 за счет дырок и электронов, прибывших из слоев n2 и p1 в базы п1 и р2. Ток в тиристоре возрастает. Происходит пробой промежутка перехода П2. После пробоя напряжение снижается до Unp = 0,5 ¸IB. При дальнейшем увеличении ЭДС Е, ток нарастает в соответствии с вертикальным участком характеристики. Напряжение Uвкл, при котором происходит лавинообразное нарастание тока, снижают за счет введения не основных носителей в слой р2. С увеличением управляющего тока Iу увеличивается число добавочных носителей заряда, напряжения пробоя уменьшается (рис. 6.5 б).
Поэтому важным параметром тиристора является отпирающий ток управления Iу - ток управляющего электрода, обеспечивающий переключение тиристора в открытое состояние.
При изменении полярности напряжения Е на обратную переходы П1 и П3, смещены в обратном направлении, и вольт- амперная характеристика не отличается от обратной ветви характеристики диода. Тиристоры, как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли применение в управляемых выпрямителях.
Биполярные транзисторы
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную структуру из чередующихся полупроводников р – и п - типа (рис. 6.6)
Рис. 6.6 Устройство, обозначение биполярных транзисторов р-п-р (а) и п-р-п (б) типов и полярности напряжения на коллекторе относительно эмиттера
Слои и присоединенные к ним выводы имеют названия: эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). В транзисторе создается два р-п- перехода (рис.6.6): база-эмиттер ПБЭ и база-коллектор ПБК. В режиме усиления к эмиттерному переходу ПБЭ. прикладывается прямое напряжение UБЭ, а к коллекторному переходу ПБК - обратное напряжение UKБ.
Рис. 6.7 Движение зарядов в транзисторе р-п-р- типа.
Рассмотрим принцип действия на примере р-п-р- транзистора (рис.6.7) Через открытий эмиттерный переход ПБЭ источником UБЭ создается прямой ток Iу образуемый инжекцией (движением) как дырок 1¸5, так и электронов 6. Дырки 1¸5, пройдя открытый переход ПБЭ, попадают в область базы, где их дальнейшее движение осуществляется по двум направлениям. Первое направление образуют дырки типа 5, которые встречаются в базе с электронами 6 и, рекомбинируя с ними, образуют нейтральные атомы 7. Так как в рекомбинации участвуют электроны 6, поступающие на базу от источника UБЭ, то за счет рекомбинации создается ток базы IБ. Второе направление образуют не прорекомбинировавшие дырки 1¸4, которые достигают границы коллекторного перехода ПБK и, подхваченные ускоряющим полем ЕБК этого перехода, проходят в коллектор и образуют эмиттерную составляющую aIЭ тока коллектора IK. Причем эта составляющая меньше тока эмиттера (a < 1) на величину тока базы 1Б. Так как рекомбинация дырок в базе, осуществимая в результате встречи их с электронами базы маловероятна из-за малой толщины базы и малой концентрации электронов в ней, то подавляющая часть дырок достигает коллектора. Значит эмиттерная составляющая тока коллектора практически равна прямому току эмиттерного перехода. Кроме тока aIЭ через коллекторный переход течет обратный ток Iк.обp, вызванный в нем источником UКБ, который включен к переходу в обратном направлении. Так как обратный ток на 3-5 порядка меньше прямого тока, то в режиме инжекции ток коллектора IK практически равен aIЭ. А при отсутствии инжекции, когда IБ = 0, ток коллектора IK уменьшается в 103 ¸ 105 раз и становится равным току Iк.обp- Причем, так как указанное изменение тока коллектора IK происходит при одном и том же напряжении на коллекторе UKБ, то это эквивалентно изменению сопротивления коллекторного перехода в103 ¸ 105 раз.
Из приведенного описания видно, что назначение базы состоит в том что база вызывает из эмиттера на себя поток .зарядов, которые с приобретенной при этом скоростью проходят через базу, как через сито и достигают коллектора. Причем, так как ток базы IБ мал. то, очевидно, и мощность источника UБЭ, используемая для управления токами IБ, IЭ и IK, также мала. Таким образом, биполярный транзистор управляется током, подводимым к базе. Основными параметрами транзистора являются коэффициента передачи тока эмиттера a и базы b:
(6.1)
Коэффициент b называют коэффициентом усиления транзистора по току. Характерные значения напряжений UБЭ и UK для биполярных транзисторов составляют UБЭ ≤ 0,3 ¸ 0,7 В и UK = 3 ¸ 500 В.
Полевые транзисторы
Полевой транзистор представляет собой двухслойную структуру (рис. 6.8), конструктивно выполненную в виде центрального полупроводника - канала - одной проводимости, окруженного полностью или частично полупроводником другой проводимости (затвора). Особенностью полевого транзистора является то, что концентрация примесей в затворе намного превышает концентрацию примесей в канале. Три вывода транзистора имеют названия: исток (И), сток (С) и затвор (З).
Принцип действия полевого транзистора основан на изменении площади поперечного сечения канала и, следовательно, сопротивления канала под действием поперечного электрического поля Е3, создаваемого приложенным к затвору напряжением (рис.6.9). Рассмотрим физические процессы, приводящие к сужению канала под действием приложенных напряжений ЕЗИ и ЕСИ. Если к транзистору приложено только напряжение ЕЗИ (рис.6.9 а), которое для р-п- перехода затвор - канал является обратным, то под действием поперечного поля ЕЗ расширяется запирающий слой.
Рис. 6.8 Устройство и обозначение полевого транзистора с затвором в виде р-п- перехода с каналом п-типа (а) и р-типа (б) и полярности напряжения на затворе и стоке относительно истока
Так как концентрация примесей в канале меньше, чем в затворе, то расширение запирающего слоя происходит практически за счет канала, причем одинаково по всей длине канала. При некотором напряжении UЗИ, называемом напряжением отсечки UOTC. канал полностью перекрывается.
Рис. 6.9 Изменение сечения канала p-типа при действии
напряжений UЗИ -.(a), UСИ (б) и одновременно UЗИ и UСИ (в); запирающий слой обозначен точками.
Таким образом, полевой транзистор - это прибор, в котором входным управляющим сигналом является напряжение затвора UЗИ, выходным сопротивление канала или ток стока I. Так как UЗИ является для р-п- перехода затвор-канал является обратным, то ток затвора ничтожно мал и на 5 ¸ 6 порядков меньше тока базы биполярного транзистора и составляет 0,01 ¸ 0,0001 мкА. Сопоставляя биполярный (БТ) и полевой (ПТ) транзисторы отметим два принципиальных отличия:
1) БТ управляется током (базы), а ПТ- напряжением (затвор);
2) при увеличении входного сигнала выходной сигнал ток у БТ возрастает, у ПТ уменьшается.
Логические элементы
Устройств обработки информации по назначению и исполнению существует бесконечно много. Но все они могут быть созданы с использованием трех базовых логических элементов - НЕ, ИЛИ, И, Этот набор элементов называют функционально полным. Работу логических элементов удобно описывать в виде таблиц истинности, которыми задается соответствие между набором входных сигналов элемента и выходным сигналом.
Элемент НЕ (рис. 6.14) логическое отрицание или инверсия- описывается (рис.14.) таблицей истинности (а), имеет схему (б), условное обозначение (в) и передаточную характеристику (г). Таблица истинности
Рис. 6.14 Логический элемент НЕ
расшифровывается так: если на входе X = 0, то на выходе Y = 1 или, если X = 1, то Y= 0.
Видно, что элемент НЕ является электронным ключом, работа которого описана в предыдущем п.4.1.
Рис. 6.15 Логический элемент ИЛИ
Элемент ИЛИ - (рис.6.15) - логическое сложение или дизъюнкция -описывается таблицей истинности (а), имеет схему (б) и условное обозначение (в). Таблица истинности отражает следующее: выходной сигнал У = 1, если хотя бы на одном из входов сигнал единичный, т.е. X1 = 1 ИЛИ Х2 = 1.
Действительно, если X1 = 1, то независимо от значения Х2 открыт диод Д1 и У = 1, если Х2 = 1, то независимо от X1 открыт диод Д2 и У= 1.
Элемент И (рис.6.16) - логическое умножение или конъюнкция -описывается таблицей истинности (а), имеет схему (б) и условное обозначение (в). Таблица истинности отражает следующее: выходной сигнал У = 1, если одновременно все входные сигналы единичные, т.е. Х1 = 1 И Х2 = 1.
Рис. 6.16 Логический элемент И.
Действительно, если хотя бы один из входных сигналов нулевой, например, Х2 = 0, то открыт диод Д2 и, следовательно потенциал общей точки диодов Д1, Д2 и резистора R нулевой и, поэтому, У = 0 независимо от значения остальных входных сигналов. Если вое входные сигналы единичные, то все диоды Д1, Д2 закрыты и на выход через резистор R поступает напряжение Uun.
Необходимо отметить, что элементы И и ИЛИ могут иметь любое большее 2-х число входов. Рассмотренные схемные реализации элементов НЕ, ИЛИ, И простейшие и не единственно возможные. На практике применяется до 10 стандартных схемных решений логических элементов, отличающихся напряжением питания, быстродействием и т.д.
Логические элементы вместе с запоминающими устройствами составляют элементную базу устройств цифровой обработки информации.
РАЗДЕЛ 6. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Полупроводники
Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge и кремний Si, а также арсенид галлия GaAs Атомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной.
При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда – свободного электрона и незаполненной связи – дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов.
Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников
Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.
Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бора В), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная связь – дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники -дырочными или р-типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике называются основными. В полупроводниках п-типа основные носители электроны, а не основные – дырки. В полупроводниках р-типа основные носители дырки, а не основные - электроны, (рис.6.1. а, б).
Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р-дырочная, а правая п-область-электронная.
Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны из области п переходят в область р, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов.
Рис. 6.2. Условное изображение p - n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)
Образование пространственных зарядов в р-п переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим т.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю.
Если к пластине полупроводника с р-п переходом подключить источник постоянного тока напряжением V плюсом к p - области, а минусом к n-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое поле Еnр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее поле Ер в р-п. переходе будет меньше поля Ек понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включение р-п перехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярности прямым напряжением Unp . Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а следовательно, и через пластину начнет проходить прямой ток Inр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, ток Iпр будет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией.
Если к р-п переходу приложить напряжение обратной полярности (рис. 6.2в), то в полупроводнике возникнет электрическое поле Еобр, совпадающее по направлению с полем Ек, и результирующее поле Ер станет больше поля Ек. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включение р-п перехода называется обратным включением, а внешнее напряжение обратным напряжением Uобр. Ток, обусловленный преимущественно неосновными носителями зарядов, называется обратным током Iобр. Вольт- амперная характеристика р-п перехода (рис. 6.3а). Основные свойства р-п перехода - зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. При прямом включении оно мало, а при обратном - велико, таким образом р-п переход обладает односторонней проводимостью.