Материалы, используемые в электронной технике

При изготовлении электронных приборов и устройств использу­ют самые разнообразные материалы: проводники, диэлектрики, полупроводники. Металлы широко используются в качестве соединительных проводников и элементов катушек индуктивности, органические и неорганические диэлектрики — в качестве изоляторов и составных частей конденсаторов, полупроводники — для изготовления диодов и транзисторов.

Материалы могут быть органическими (на основе углеродных соединений) и неорганическими, чистыми химическими элементами или соединениями. Обычно материалы используются в твердой фазе, но есть устройства, в которых применяются жидкости (жидкие кристаллы и электролиты) и газы (газоразрядные ячейки). Многие электронные приборы и устройства основаны на использовании физических особенностей границ раздела матери­­а­лов с разными свойствами (металлов и полупроводников, металлов и диэлектриков), материалов с различными фазовыми состояниями (твердых и жидких, жидких и газообразных), материалов и вакуума (электронные лампы).

Известно, что все вещества состоят из одного или более химиче­ских элементов (железа, меди, кислорода, серы и т.д.). Мельчайши­ми составными частицами вещества являются атом и молекула. Как правило, атомы различных химически чистых элементов соединя­ются с образованием молекул вещества. Например, молекулы водорода, кислорода, азота и инертных газов состоят из двух атомов.

Молекулы, из которых состоит вещество, определяют свойства данного вещества. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, что и определяет ее физические свойства (плотность, температуры кипения и замерзания). Молекулы органических веществ состоят из многих атомов, соединенных определенным образом. Различие структур соединений одних и тех же атомов определяет получение веществ с различными физическими свойствами.

Атом состоит из более мелких частиц — электронов, вращающихся вокруг ядра, находящегося в центре атома и содержащего один или более протонов и нейтронов. Отрицательно заряженные электроны притягиваются к ядру положительно заряженными протонами и непрерывно вращаются по орбитам, или оболочкам, вокруг него. Атомы различных элементов отличаются друг от друга числом протонов и электронов, например, у атома водорода один протон и один электрон, а атом углерода имеет шесть протонов и шесть электронов. Число электронов в атоме равно числу протонов, однако они не могут находиться на одном расстоянии от ядра, так как отталкиваются друг от друга. Электроны также не могут находиться на произвольных расстояниях от ядра и занимают только разре­шенные энергетические уровни. На первом уровне могут находиться макси­мум два электрона, а на втором и далее — до восьми.

Число протонов определяет атомный номер элемента в таблице Менделеева, общее число протонов и нейтронов — его атомную массу, а число электронов, занимающих последний энергетический уровень, во многом определяет физические и химические свойства вещества. Если последний разрешенный энергетический уровень атома полностью заполнен, то этот атом инертен (инертными газами являются гелий, неон, аргон, криптон, ксенон). Если на последнем энергетическом уровне атома находятся от одного до трех электронов, то они слабо связаны с ядром, и атом склонен отдавать эти электроны при соединении с другими элемен­та­ми. При этом говорят, что он обладает метал­лическими свойствами. Если до полного заполнения последнего энергетического уровня атома не хватает одного, двух или трех электронов (т.е. имеется от одной до трех вакансий), то атом склонен притягивать электроны при соединении с другими элементами. При этом говорят, что он обладает неметаллическими свойствами.

В металлических веществах электроны, слабо связанные с ядром (так называемые свободные электроны), под действием электрического потенциала покидают свои орбиты и начинают упорядоченное движение, образуя поток электронов, или электриче­ский ток. Такие вещества, имеющие хорошую электрическую проводимость, называются проводниками.

Хороший проводник имеет большое число несвязанных (или слабо связанных) с ядром электронов, которые способствуют возникновению электрического тока. Такой проводник обладает на небольших отрезках (до 1 м) столь малым сопротивлением, что им можно пренебречь. Примерами хороших проводников являются серебро, медь, алюминий. Наличие свободных электронов и, соответственно, свойства металлических соединений определяют высокую теплопроводность проводников.

Диэлектрик (изолятор) — это материал, имеющий только связан­ные электроны, т.е. не имеющий свободных электронов. Изоляторы препятствуют протеканию электрического тока и, следовательно, обладают очень большим сопротивлением (приближающимся к сопротивлению разомкнутой цепи). Примерами изоляторов могут служить диоксид кремния (кварц), стекло, сухое дерево, резина, поливинилхлорид, слюда, полистирол и др. Если диэлектрик поместить в электрическое поле, то электроны его молекул ориентируются в определенном порядке за счет поляризации. При этом говорят, что молекулы диэлектрика поляризуются.

Атомы полупроводниковых веществ относятся к четвертой группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева. К ним относятся углерод (С), кремний (Si) и германий (Ge). Как правило, чистые полупроводники являются аморфными, но при определенных условиях при выращивании из расплавов могут образовывать монокристаллы с правильной структурой, называемой кристаллической решеткой.

К полупроводникам относятся и некоторые соединения металла и неметалла, например, арсенид галлия (GaAs) и уникальные соединения - карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (SiN).

Полупроводники имеют слабую собственную проводимость, обусловленную наличием небольшого количества свободных электронов. Причем появление свободного электрона под действием температуры или света создает появление положительно заряженного атома с недостающим электроном, который называется дыркой. При этом дырка может захватывать электрон соседнего атома, который в этом случае станет дыркой. Таким образом, дырки могут перемещаться до тех пор, пока не найдут свободный электрон и соединятся с ним. Свободные электроны и дырки полупроводника являются основными носителями зарядов и создают слабую собственную проводимость. Процесс образования электронов и дырок под действием тепла или света называется генерацией носите­лей зарядов. Количество свободных электронов и дырок в полупроводниках возрастает при повышении температуры, что приводит к увеличению их проводимости, в отличие от металлов, проводимость которых с ростом температуры падает.

Проводимость полупроводника можно повысить посредством введения определенного количества легирующих присадок (примесей). Некоторые присадки (например, атомы мышьяка As, неметалла пятой группы) вносят в кристаллическую решетку атома германия дополнительные электроны, в результате чего получают полупроводник п-типа (negative). Такие атомы называются атомами-донорами. Добавление к кристаллическому германию атомов-акцепторов (например, атомов алюминия Al, металла третьей группы) создает недо­статок электронов в его внешней оболочке, т.е. образование дырок, имеющих положительный заряд. Такие полупроводники называются полупроводниками р-типа (positive). Полученные при внедрении примесей электро­ны являются основными носителями для полупроводников п-типа, а дырки — для полупроводников р-типа.

Явления проводимости в металлах, диэлектриках и полупроводниках хорошо описываются на основе зонной теории, которая вводит понятие энергетического состояния электрона, обладающего кинетической и потенциальной энергией. Согласно зонной теории энергия электрона в твердом теле может изменяться в некоторых пределах практически непрерывно, но при этом существуют интервалы значений энергии (запрещенные уровни), которые электрон может преодолевать только скачком. Электроны в твердом веществе могут находиться только в валентной зоне (ВЗ) или зоне проводимости (ЗП), между которыми имеется запрещен­ная зона (ЗЗ) . Для перевода электрона из валентной зоны в зону проводимости требуется придать ему дополнительную энергию DE, называемую энергией активации и измеряемую в электрон-вольтах (эВ). У атомов полупроводникового кремния энергия активации DESi =1,12 эВ выше, чем у атомов германия DEGe =0,72 эВ, поэтому перевести кремний в проводящее состояние труднее. Введением легирующих примесей можно уменьшить зону проводимости или увеличить валентную зону и таким образом уменьшить ширину запрещенной зоны.

Согласно принципам квантовой механики энергия электронов, даже в пределах разрешенных зон, может изменяться не плавно, а скачком. При этом одно из разрешенных состояний в атоме может быть занято только одним электроном.

Расположение электронов и ширина запрещенной зоны полно­стью определяют электрические свойства вещества. Дело в том, что валентные электроны сильно связаны с атомами и не могут переходить от атома к атому под действием электрического поля. И наоборот, электро­ны, находящиеся в зоне проводимости, менее связаны с атомами и легко перемещаются от одного атома к друго­му под воздействием электрического поля. Зонная теория объясня­ет это наличием многих свободных уровней в зоне проводимости.

У диэлектриков валентная зона полностью заполнена электронами и отделена от зоны проводимости широким барьером запрещенной зоны. Вследствие этого, у диэлектриков нет свободных электронов в зоне проводимости и, соответственно, они имеют плохую прово­димость.

Полупроводники имеют заполненную валентную зону и сравнительно узкую запрещенную зону. При низких температурах электроны полупроводников находятся в валентной зоне, и, следовательно, они ведут себя как диэлек­трики.

С повышением температуры и под воздействием света часть электронов полупроводника приобретает энергию, достаточную для преодоления ЗЗ, и перескакивает в ЗП, создавая тем самым условия для появления электропроводности. В связи с переходом части электронов в ЗП, в ВЗ полупроводника образуется соответствующее число свободных энергетических уровней, являющихся дырками. Это позволяет электронам перемещаться внутри ВЗ под действием электрического поля с одного уровня на другой, создавая дырочную проводимость. С повышением температуры все больше электронов проникает в ЗП, повышая тем самым электропроводность полупроводника, причем сильнее она повышается у полупроводников с более узкой ЗЗ.

При приложении напряжения энергетические зоны в веществе становятся наклонными, причем угол их наклона увеличивается с увеличением напряженности электрического поля.

Если потенциальная энергия электрона в поле Еп= qj (где q — заряд электрона; j — разность потенциалов) выше энергии активации DЕ, то электроны могут проникать (туннелировать) из ВЗ в ЗП, создавая электронную проводимость. При этом одновременно образуются и дырки (атомы без одного электрона), создающие дырочную проводимость.

Введение в полупроводник легирующих примесей приводит к появлению дополнительных энергетических уровней внутри ЗЗ. Если эти дополнительные уровни находятся вблизи ЗП (при введении донорной примеси), то электроны примесных атомов легко переходят в нее, увеличивая проводимость полупроводника. Если же дополнительные уровни находятся вблизи ВЗ (при введении акцепторной примеси), то на них легко переходят электроны полупроводника из ВЗ, создавая дырки и увеличивая дырочную проводимость.

К полупроводникам относятся вещества, у которых ширина ЗЗ не превышает 1,5 эВ. При температуре 300 К ширина ЗЗ у кремния (Si) составляет 1,12 эВ, у германия (G) — 0,75 эВ, у арсенида галлия (GaAs) — 1,43 эВ, у карбида кремния (SiC) — 2,4...3,4 эВ. Энергия ионизации донорных и акцепторных примесей находится в пределах 0,01...0,05 эВ. Средняя энергия теплового возбуждения при комнатной температуре 0,025 эВ. Поэтому введение в полупроводник ничтожного количества примесей приводит к многократному увеличению проводимости.

Согласно зонной теории в полупроводниках под действием тепла, света и колебаний кристаллической решетки постоянно происхо­дит образование свободных электронов и дырок, т.е. генерация носителей зарядов. Одновременно происходит обратный процесс — возвращение электронов в валентную зону (рекомбинация носителей зарядов). Эти процессы приводят к формированию равно­весной концентрации электронов и дырок в объеме полупроводника.

Под воздействием электрического поля начинается генерация новых носителей зарядов и возникает избыточная (неравновесная) концентрация электронов и дырок. Избыточная концентрация носителей зарядов может образовываться в некоторых областях полупроводниковой структуры за счет инжекции (впрыскивания) и экстракции (втягивания) электронов электрическим полем, а также в результате аккумуляции зарядов в ловушках.

Прямая рекомбинация электронов и дырок маловероятна, так как в основном они находятся в разных местах полупроводниковой структуры. Обычно рекомбинация проходит с участием рекомбинационных ловушек, роль которых выполняют примесные атомы либо дефекты кристаллической решетки и поверхности. При этом электрон из зоны проводимости переходит в ловушку и находится там до тех пор, пока к нему не подойдет дырка; после чего происходит второй этап рекомбинации — электрон переходит на свободный уровень в валентной зоне дырки.

Так как при рекомбинации электрон переходит на более низкий энергетический уровень, выделяется избыточная энергия. Если при этом излучается квант света — фотон, рекомбинация называется излучательной. При безизлучательной рекомбинации энергия электрона передается кристаллической решетке полупроводника с образованием кванта тепловой энергии колебаний — фонона.

1.3. Образование и свойства р-n-перехода

Если полупроводник р-типа соединить с полупроводником п-типа (рис. 1.1, а) и поместить в высокотемпературный вакуумный реактор, то под действием диффузии образуется монолитный погра­ничный слой с разными типами полупроводников по обе стороны границы раздела. Этот пограничный слой, называемый р-п-переходом, обладает особыми свойствами. Электроны в нем из области с проводимостью п-типа в нормальном состоянии под действием температурных колебаний и диффузии перетекают в область с проводимостью р-типа, чтобы заполнить в ней притягивающие их дырки. Дырки также диффундируют в п-область. Одновременно в р-области образуются некомпенсированные заряды акцепторной примеси, а в п-области — положительные заряды донорной примеси. Эти заряды создают электрическое поле и контактную разность потенциалов, препятствующую дальнейшему перемещению основных носителей зарядов и создающую для них потенциальный барьер. Перетекание электронов продолжается до тех пор, пока в р-п-переходе не образуется нейтральная зона, или так называемый обедненный слой, и потенциальный барьер достигнет максимальной величины.

Рис. 1.1. Структура плоскостного полупроводникового диода (а), его УГО (б) и схемы снятия ВАХ при прямом (в) и обратном (г) включении источника внешней ЭДС

Вместе с тем, электрическое поле контактной разности потен­ци­алов обеспечивает возможность движения случайно возникающих неосновных носителей зарядов (дырок из п-области и электронов из р-области). Это приводит к появлению дрейфового тока, состоя­щего из электронной и дырочной составляющих. Если нет приложенного напряжения, то быстро наступает равновесие, которое собственно и препятствует дальнейшему росту потенциального барьера.

В обедненном приконтактном слое полупроводника атомы, как и в диэлектрике, нейтральны и дипольно ориентированы, а потенциальный барьер препятствует дальнейшему движению основных носителей зарядов. Чтобы пересечь границу раздела, носители зарядов должны теперь обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Источником этой энергии может служить внешняя электродвижущая сила (ЭДС), приложенная к полупроводникам по обе стороны р-п-перехода.

При прямом включении источника ЭДС, когда плюс под­ключается к полупроводнику р-типа, а минус к полупроводнику п-типа (рис. 1.1, в), электрический ток будет протекать только тогда, когда напряжение Uпрпревысит потенциальный барьер. Высота потенциального барьера зависит от типа применяемого полу­проводника. Для германия она составляет 0,3 В, а для кремния — 0,6 В. Если внешнее напряжение превышает потенциальный барьер, области с электронной и дырочной проводимостью сближаются, обедненная область исчезает, электроны впрыскиваются (инжектируются) в р-область, объединяются с дырками (или, как говорят, рекомбинируют) и, перемещаясь далее от атома к атому, создают электрический ток в цепи. Аналогично дырки инжектируются в n-область, где рекомбинируют, соединяясь с электронами.

Инжектированные носители зарядов рекомбинируют не сразу, а в течение некоторого времени (времени жизни носителей зарядов), пробегая при этом в среднем некоторое расстояние, называемое диффузионной длиной пробега.

При обратном включении источника напряжения (рис. 1.1, г) электроны полупроводника с проводимостью п-типа (п-области) притягиваются положительным полюсом источника напряжения смещения, а дырки р-области притягиваются отрицательным полюсом. В результате обедненный слой расширяется и увеличивается потенциальный барьер, препятствующий проникновению электронов через границу раздела. Таким образом, через р-п-переход, при обратном включении напряжения ток практически не будет проходить. Следовательно, р-п-переход имеет одностороннюю проводимость, т.е. в одном направлении он пропускает ток, а в другом — не пропускает.

Структура полупроводникового диода с р-n-переходом и его условное графическое обозначение (УГО) показаны на рис. 1.1, а, б. Кремниевый диод состоит из двух слоев. Первый (вплавленный) слой (см. рис. 1.1, а) состоит из кремния, легированного фосфором (п-область). Примесь фосфора создает избыток электронов в зоне проводимости (электронную проводимость). Второй слой состоит из кремния, легированного бором (р-область), в котором имеется избыток атомов с недостатком электронов (т.е. дырок). В этом слое преобладает дырочная проводимость. В контактной области образуется р-n-переход, создающий одностороннюю проводимость. В приведенной на рисунке структуре р-область является более массивной и содержит большее количество примесей, чем п-область, поэтому ее называют базой.

Зависимость силы тока в диоде от подаваемого к его обкладкам напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Схема для снятия ВАХ диодов при прямом включении внешнего источника напряжения, т.е. когда плюс подключается к полупроводнику р-типа, а минус — к полупроводнику п-типа, показана на рис. 1.1, в. Схема снятия ВАХ диодов при обратном включении внешнего источника ЭДС, т.е. когда плюс подключается к полупроводнику р-типа, а минус — к полупроводнику п-типа, показана на рис. 1.1, г.

Типичные вольтамперные характеристики кремниевых и германиевых диодов показаны нарис. 1.2. Тангенс угла наклона кривой зависимости тока от напряжения определяет крутизну ВАХ, которая зависит от поперечного сечения р-п-перехода диода. Обратное напряжение, при котором происходит пробой диода (Uпроб) зависит от толщины слоев р- и п-типов и ширины запрещенной зоны полупроводника. У кремниевых диодов Uпроббольше, чем у германиевых, и может достигать 1000 В.

Рис. 1.2. Вольтамперные характери­стики германиевого (Ge) и кремни­евого (Si) диодов

Пробой р-п-перехода может быть электрическим (обратимым) или тепловым (необратимым). Электрические пробои в свою очередь подразделяются на лавинные и туннельные.

При лавинном пробое отдельные электроны р-области (не­основные носители зарядов) под действием высокого обратного напряжения р-п-перехода вырываются из нее и, соударяясь с атомами перехода, вызывают лавинное размножение электронов, а, следовательно, и резкое возрастание тока. Напряжение на диоде падает. При этом попытки его увеличения приводят к усилению тока, перегреву диода и его разрушению.

Туннельный пробой наблюдается у некоторых диодов с высо­кими концентрациями легирующих присадок и узкой зоной р-п-перехода, когда под действием обратного напряжения верхний уровень валентной зоны их р-области начинает превышать нижний уровень зоны проводимости п-области. В этом случае электроны могут переходить из р-области в п-область без затрат энергии на преодоление запрещенной зоны (т.е. могут туннелировать). При дальнейшем повышении обратного напряжения начинается линейное нарастание тока за счет туннелирования. После снятия напряжения свойства р-n-перехода восстанавливаются.

Тепловой пробой р-п-перехода наступает при нарушении тепло­вого баланса, т.е. когда выделяемое количество теплоты превышает количество теплоты, рассеиваемое в р-п-переходе. При этом температура перехода повышается и наступает разрушение кристаллической решетки и диод разрушается.

Емкость р-п-перехода определяет быстродействие электронных приборов и называется барьерной, или зарядной. Барьерная емкость зависит в основном от площади перехода и приложенного напряжения. При повышении прямого напряжения ширина перехода уменьшается, а число нескомпенсированных зарядов и емкость увеличиваются. При повышении обратного напряжения барьерная емкость снижается.

Барьерную емкость сплавного несимметричного р-п-перехода, у которого концентрация акцепторов Nакв р-области больше, чем концентрация доноров Nд в п-области, можно рассчитать по следующей формуле:

,

где S — площадь перехода; e0и e — диэлектрические проницаемости соответственно полупроводника и р-п-перехода; U —обратное напряжение перехода.

Барьерная емкость ухудшает свойства полупроводниковых приборов на основе р-п-перехода, используемых при выпрямлении токов высокой частоты, и снижает быстродействие этих приборов при выполнении с их помощью переключений в импульсных электронных ключах, поэтому ее стараются уменьшить путем уменьше­ния площади перехода.

Изменение емкости р-п-перехода при изменении напряжения используют в схемах электронного изменения частоты генера­торов с применением варикапов (диодов с изменяемой емкостью).

При прямом токе в базе диода с р-п-переходом возникает диффузная емкость, связанная с появлением не успевших реком­бини­ровать неосновных носителей зарядов. При резком пере­ключении полярности диода диффузная емкость вызывает появле­ние скачка обратного тока, т.е. временное нарушение запирающе­го свойства перехода. Этот эффект, связанный с «рассасыванием» зарядов, также нежелателен и его устраняют специальными диодами Шоттки, созданными на основе контактного перехода металл—полупроводник.

Следует отметить, что работа многих электронных приборов основана на физических явлениях, происходящих в зоне контакта веществ с разными электропроводящими свойствами, поэтому рассмотрим эти явления подробнее.

Контактные явления — это общее название физических явлений, возникающих в области контакта двух материалов с различной электропроводностью. К числу важнейших контактных явлений относится возникновение контактной разности потенциалов металлов, имеющих различную работу выхода электронов Авых.

Работой выхода называется работа, которую затрачивает электрон для преодоления силы притяжения к атомам вещества, т.е. для выхода из вещества в вакуум.

При тесном соприкосновении металлов с разной работой выхода или соединении их в вакуумной диффузной печи на свободных концах этих металлов возникает контактная разность потенциалов, обусловленная перетеканием части электронов из одного металла в другой и появлением разной концентрации электронов в проводниках. В результате один из проводников оказывается заряженным положительно, а другой — отрицательно, причем созданная при этом разность потенциалов, характерная для данной пары металлов, препятствует дальнейшему перетеканию электронов. В отличие от ЭДС источников тока при замыкании этой цепи контактная разность потенциалов не приводит к возникновению электрического тока, так как электроны находятся в равновесном состоянии с одной и другой сторон соединения.

Если зону контакта (спай) металлов нагревать, то равновесие электронов нарушится и возникнет термоэлектродвижущая сила. Разность напряжений при термоЭДС мала и мал КПД преобразова­ния теплоты в электричество вследствие высокой теплопроводности металлов, поэтому термоЭДС используют только в датчиках температуры. На основе контактной разности потенциалов работают термопары из сплавов хромеля и алюмеля, имеющие линейную зависимость силы тока от температуры в диапазоне от 50 до 500°С. Термопары из платины и родия имеют линейную зависимость тока в температурном диапазоне от 50 до 1200°С.

Контактная разность потенциалов возникает и при соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости. Контакт между полупроводниками с р- и п-проводимостями создает область р-п-перехода с обедненным (запорным) слоем, обладающим односторонней проводимостью. Возникающая при соединении таких полупроводников контактная разность потенциалов обладает теми же свойствами, что и при соединении разнородных металлов.

Возникновение при нагреве соединения разнородных полупроводников термоЭДС используется при создании источников питания для радиоприемников и маломощных радиопередатчиков. Благодаря тому, что теплопроводность полупроводников меньше, чем металлов, КПД полупроводниковых термогенераторов выше, чем металлических, и они могут применяться там, где нет других источников тока. Для нагрева спаев термогенераторов применяются керосиновые лампы или нагревательные устройства.

Как уже отмечалось ранее, металлы имеют свободные электроны проводимости, следовательно, при контакте металла с легированным полупроводником может образоваться контактный переход, похожий на р-п-переход в полупроводниках.

Переходы металл—полупроводник впервые были исследованы немецким ученым Шоттки, поэтому и запирающий контакт называют барьером Шоттки. На основе таких контактов были созданы диоды Шоттки, обладающие высоким быстродействием вследствие того, что в них не происходит накопления диффузных зарядов. Эти диоды используются в СВЧ схемах и уско­ряющих цепях ключевых каскадов, которые будут рассмотрены далее.

Особенности поведения электронов в полупроводниках и контактных зонах позволили создать ряд новых уникальных электронных приборов, устройств и практически важных изделий современной электронной техники.

Свойства р-п-переходов используются в электронных полупроводниковых приборах различных типов: диодах, транзисторах, тиристорах, динисторах, светодиодах, фотодиодах и других приборах, составляющих современную элементную базу электронной техники. На основе полупроводников с р-п-переходами формируются также сложные микросхемы, имеющие сотни и тысячи электронных элементов на одном кристалле и выполняющие сложные цифровые или специальные аналоговые функции.