Физические основы полупроводников

УДК 621.3

ISBN5- с Пермский государственный

технический университет , 2000

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника . М.: Энергоатомиздат,1988.320с.

2. Основы промышленной электроники / Под ред. проф. В.Г. Герасимова. М.: Высш. шк.,1986,335с.

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника . М.: Высш. шк., 1982, 496с.

ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Современные сложные электронные устройства содержат до10⁹ элементов, что обусловливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.

1.Надёжность оценивают по времени безотказной работы Т ,

,

где t_i - время безотказной работы одного элемента;

n - количество элементов;

Пути увеличения надёжности:

-увеличение t_i (улучшение технологии и контроля, новое обрабатывающее оборудование) ;

-уменьшение n («упаковка» в интегральные микросхемы - ИМС);

-применении интегральных микросхем (сегодня в одной ИМС до 10⁶ элементов. надёжность ИМС надёжности одного транзистора).

2. Миниатюризация. Микросхема, содержащая 10⁶ элементов, занимает объём 1см³.

3. Автоматизация проектирования и изготовления. Ориентация на использование ИМС обусловливает применение ЭВМ как для их проектирования, так и для изготовления.

Полупроводниковые приборы

Физические основы полупроводников

Для объяснения электропроводности твердых тел целесообразно использовать понятие энергетической зоны. Энергетическая зона - это множество энергетических подуровней, которые получены при соединении атомов в кристалл за счёт расщепления соответствующего энергетического уровня электронов отдельного атома

С точки зрения электропроводности нас интересует взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости (рис.1.1).

Валентная зона (ВЗ) получается при расщеплении энергетических уровней валентных электронов. Зона проводимости (ЗП) это ближайшая к валентной зоне разрешённая зона. В эту зону попадает электрон, если ему сообщить дополнительную энергию. Электрон становится свободным (т.е. способным перемещаться под действием электрического поля, создавая электрический ток),если рядом есть свободные энергетические подуровни. Так как в валентной зоне, как правило, нет свободных подуровней, то электрон становится свободным попадая в зону проводимости.

У диэлектрика зона проводимости отделена от валентной зоны широкой запрещенной зоной (ЗЗ), которую электрон из валентной зоны не может преодолеть ни при каком воздействии. Отсутствие свободных электронов обусловливает высокое сопротивление диэлектриков.

У металлов практически нет запрещённой зоны, поэтому электроны свободно попадают в зону проводимости. Наличие большого количества свободных электронов приводит к тому , что металлы хорошо проводят электрический ток.

У полупроводников узкая запрещенная зона, и электрон при определённом воздействии может её преодолеть. По величине электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Когда в полупроводнике электрон из валентной зоны попадает в зону проводимости, то в валентной зоне появляется свободное место - «дырка».

Четырехвалентные полупроводники Ge и Si имеют кристаллическое строение ,при котором атомы в тетраэдрической решетке связаны ковалентными связями, т.е. каждый атом имеет с четырьмя соседними атомами по два общих электрона (рис .1.2).

Проводимость чистых полупроводников ( Si, Ge ). Используя модель кристаллического строения полупроводников, получение свободных носителей заряда можно объяснить следующим образом. Под воздействием внешних факторов электрон может покидать своё место и становиться свободным. Освободившееся место – дырка - несёт положительный заряд.

Характер проводимости – смешанный , так как количество электронов равно количеству дырок.

Получение полупроводников электронной проводимости (n-типа). Для получения полупроводников n-типа в чистый 4 валентный полупроводник добавляется 5 валентная (донорная) примесь.

Примесь не образует своих зон, так как атомы примеси расположены далеко друг от друга.

Энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводников n-типа представлены на рис.1.3 и рис.1.4. Уровень примеси находится рядом с зоной проводимости . Электроны с уровня примеси при малейшем воздействии переходят в зону проводимости и становятся свободными. Как видно из рис.1.4., пятый валентный электрон примеси не участвует в ковалентных связях с атомом. При малейшем воздействии он покидает атом и становится свободным. В узле решетки остаётся положительно заряженный ион . В таком полупроводнике много свободных электронов.

Получение полупроводников дырочной проводимости (р-типа).

Для получения полупроводника дырочной проводимости в чистый исходный полупроводник вводится 3- валентная (акцепторная) примесь.

На рис.1.5 и рис.1.6 представлены энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводника. Не полностью заполненный уровень примеси находится около валентной зоны. При малейшем воздействии электроны переходят из валентной зоны на уровень примеси. В валентной зоне остаются свободные места - дырки.

Как видно из рис.1.6., у 3-валентной примеси не хватает одного электрона для ковалентных связей с соседними атомами. Одна связь – дефектная, здесь как бы свободное место, на которое может перейти электрон с другой связи, и опять остаётся свободное место и т. д. В таком полупроводнике избыток свободных мест - дырок.

Основные и неосновные носители заряда. Основные носители заряда – это носители, которые обусловливают данный тип проводимости. Их концентрация велика. Неосновные носители – это носители ,противоположные основным. Их концентрация мала. Они появляются в результате незапланированных примесей.

Электронно-дырочный переход (р–п-переход).Р-n- переходом называется пограничная область контакта двух полупроводников различного типа проводимости, обладающая пониженной концентрацией основных носителей, а вследствие этого повышенным сопротивлением.

Структура и процессы р-n-переходе.

После соприкосновения полупроводников в пограничной области происходит :

1. Диффузия основных носителей заряда (дырок из области р в n-область, электронов из области n в р-область).

2. Возникает нескомпенсированный заряд r, создаваемый слоями ионов.

3. Под воздействием нескомпенсированного заряда возникает электрическое поле p-n перехода - E_pn и потенциальный барьер j (контактная разность потенциалов) с полярностью препятствующей дальнейшему перемещению основных носителей под действием сил диффузии.

4. Диффузия прекращается (основные носители прекращают движение).

5. Возникает движение неосновных носителей под действием потенциального барьера.

Используя информацию о кристаллическом строении полупроводников p- и n-типа процессы в p-n-переходе можно объяснить следующим образом. Пятый валентный электрон примеси полупроводника n-типа переходит на дефектную ковалентную связь примеси полупроводника p-типа. В пограничной области n возникает слой положительных ионов, в пограничной области p - слой отрицательных ионов. Таким образом, в пограничной области не стало ни свободных электронов, ни свободных дырок, поэтому она обладает повышенным сопротивлением.

Токи в р-n-переходе:I_диф. - ток диффузии - ток основных носителей; I_{провод.} - ток проводимости(ток дрейфа) - ток неосновных носителей; I_p-n -ток через p-n – переход,

I_p-n =I_диф-I_провод. В установившемся режиме .

P-n-переход под воздействием внешнего напряжения (рис.1.8, рис1.9).

При прямом включение р-n-перехода напряжение U подключается плюсом к p, а минусом к n. Так как электрическое поле источника Е_ист направлено на встречу электрическому полю p-n-перехода, то все эффекты создаваемые полем р-n–перехода ослабятся:

1) сузится область р-n-перехода (L);

2) сопротивление R ¯;

3) потенциальный барьер j ¯;

4) I_диф ­;

5) I_пров ¯;

6)½I_p-n½­.

При обратном включении p-n-перехода напряжение U подключается плюсом к n, а минусом к p. Поскольку электрическое поле источника Е_ист совпадает по направлению с полем р-n-перехода, ., то все эффекты создаваемые полем р-n-перехода будут усилены.

1) расширится область р-n-перехода (L);

2) сопротивление R ­;

3) потенциальный барьер ­;

4) I_диф ¯;

5) I_пров ­;

6) ½I_n-p½­, но не намного, так как неосновных носителей мало.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода I=f(U) (рис.1.10) Так как при прямом включении ток создается основными носителями, а при обратном - неосновными, то прямой ток много больше обратного . Поскольку обратный ток на участке 0-1 на 3 порядка меньше прямого, то им можно пренебречь и считать, что ток через р-n-переход проходит только в одном направлении (вентильное свойство р-n-перехода).

Пробой p-n-перехода. Пробой – это резкое возрастание обратного тока. На рис. 1.10 1-2 – участок электрического пробоя (увеличение тока связано с увеличением носителей зарядов под действием ударной ионизации нейтральных атомов движущимися электронами).

2-3 – участок теплового пробоя (увеличение тока связано с термогенерацией носителей зарядов).

Электрический пробой обратим, а тепловой нет.

Основные свойства р-n-перехода.:

1. Повышенное сопротивление.

2. Вентильное свойство.

3. Пробой.

4. Емкостное свойство. В пограничной области р-n-перехода накапливаются заряды, а сама область обладает повышенным сопротивлением. В этом смысле р-n-переход

напоминает конденсатор, поэтому р-n-переход обладает емкостным свойством.

Изменение ширины p-n-перехода под воздействием приложенного напряжения.

Диоды.

Диод - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на каком-либо свойстве одного р-n-перехода.

Выпрямительные диоды. Используется вентильное свойство p-n перехода.

Данные диоды используются в основном для создания выпрямителей. Наиболее распространены диоды на основе Ge (ГД) и Si(КД).

Величина обратного тока диода зависит от температуры (рис. 1.11).

ГД – более температурно зависимы; КД – менее температурно зависимы.

Условное обозначение

:

Однофазная 2^х полупериодная схема выпрямителя приведена на рис. 1.12.

В первую половину периода в соответствии с указанной на рисунке полярностью напряжения открыты диоды Д1 и Д3. Диоды Д2 и Д4 закрыты .Во второй полупериод полярность изменяется - открыты Д2 и Д4 , а закрыты Д1 и Д3.

В первую половину периода ток i обозначен сплошной линией, во вторую ток i₂ - штриховой. Оба тока i₁ и i₂ по нагрузке протекают в одном направлении, т.е. по нагрузке протекает постоянный по направлению - пульсирующий ток.

.

Временная диаграмма работы выпрямителя представлена на рис. 1.13.

Для сглаживания пульсаций включают ёмкостной фильтр С_ф и стабилизатор.

Стабилитроны.- это полупроводниковые приборы, использующие при работе свойство электрического пробоя. Применяются наиболее часто в стабилизаторах для сглаживания пульсации напряжения Включение производят в обратном направлении. ВАХ стабилитрона приведена на рис.1.14. В рабочей области характеристики стабилитрона малому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока.

Условное обозначение :

Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.15, где R_б – балластное сопротивление; U₂=U₁ - U_б . При изменении напряжения U₁ происходит резкое изменение тока через стабилитрон в соответствии с этим резко изменяется U_б, в результате чего U₂ остается практически неизменным.

Варикап - это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве p-n-перехода. Зависимость C=f(U) приведена на рис.1.16.Используется в устройствах автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Условное обозначение:

Светодиод- это полупроводниковый прибор, в котором используется выделение энергии в виде света при прохождении тока. Такие диоды используют в устройствах индикации.

: Условное обозначение светодиода

Фотодиод - это полупроводниковый прибор, реагирующий на свет.

Работает в двух режимах:

фотопреобразовательном и фотогенераторном. В фотопреобразовательном режиме под воздействием светового потока Ф увеличивается обратный ток фотодиода. Такие диоды используют в устройствах ,реагирующих на свет.

В фотогенераторном режиме диод работает как источник электрической энергии, преобразующий энергию света в электрическую. ВАХ фотодиода представлена на рис. 1.17.

Транзисторы

Транзисторы - это приборы предназначенные для регулирования тока и работы в качестве усилительных элементов в усилительных схемах

.

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР- это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на совокупных свойствах двух p-n-переходов. Транзистор имеет трехслойную структуру. В соответствии с порядком чередования слоев различают транзисторы PNP -и NPN – типа . На рис.1.18а и 1.18б представлены структуры и условные обозначения транзисторов PNP – и NPN – типа.

Рис. 1.18.

Структура и принцип действия транзистора PNP -типа приведены на рис.1.19. Конструктивные особенности среднего слоя (базы) : база выполняется очень узкой (несколько микрон) и концентрация основных носителей (электронов)в ней очень мала. Транзистор включает 2 p-n-перехода :

I p-n–переход включим в прямом направлении.

II p-n-переход включим в обратном правлении.

Под воздействием приложенного напряжения дырки из эмиттера устремляются в базу через открытый p-n-переход Э -Б, создавая ток эмиттера I_Э. Встречным потоком электронов можно пренебречь вследствие их малого количества. Из-за особенностей базы лишь небольшая часть пришедших дырок рекомбинирует с , создавая небольшой ток базы I_Б. Основная же часть дырок достигает II (закрытого) p-n-перехода. Поскольку дырки в базе являются неосновными носителями, то поле закрытого p-n- перехода для них ускоряющее и они втягиваются в область коллектора, создавая ток коллектора I_K.

Очевидно, что I_Э =I_К + I_Б , а так как. ток базы мал ,то I_К @ I_Э .Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи тока. .

Различают 3 схемы включениятранзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором:

1. Схема с общей базой (рис.1.20):

, .

Так как I_Э I_К , а напряжение U_КБ >>U_{Б Э} Þ P_ВЫХ>>P_ВХ ,то идет усиление сигнала по мощности.

2. Схема с общим коллектором (рис.1.21):

,

.

При a = 0,95 g= 20, т.е.

сигнал усиливается по току и по мощности.

3. Схема с общим эмиттером (рис.1.22).

При a= 0,95 b= 19.

Схема усиливает сигнал по току, напряжению и мощности и является самой распространенной схемой включения.

Анализируя схемы включения транзистора можно сделать вывод, что источник входного сигнала подключается к открытому переходу эмиттер - база, обладающему малым сопротивлением . Следовательно биполярный транзистор обладает малым входным сопротивлением. Это является его основным недостатком.

Статические вольт-амперные характеристики схемы с общим эмиттером Различают два семейства характеристик :

входные I_ВХ = f(U_ВХ ) при U_ВЫХ = const, то есть I_Б = f(U_Б ) при U_К = const (рис.1.23,а) и

выходные I_ВЫХ =f(U_ВЫХ ) при I_ВХ =const, то есть I_К = f(U_К ) при I_Б = const (рис.1.23,б).

По выходным характеристикам можно определить

b =

Области работы транзистора. На выходных характеристиках можно выделить три области работы транзистора (рис.1.24): насыщения (I); линейной работы (II); отсечки (III).

В области отсечки и насыщения нет прямопропорциональной зависимости между входным и выходным током, эта зависимость наблюдается только в области линейной работы , где DIк=b I_Б. ( таблица ).

Область работы	Состояние p-n-переходов	Зависимость IВЫХ=f(IВХ)
эмиттер- база	база- коллектор
Насыщения	Открыт	Открыт	Не зависит (транзистор полностью открыт)
Отсечки	Закрыт	Закрыт	Не зависит (транзистор полностью закрыт)
Линейная	Открыт	Закрыт	Прямопропорциональная

Передельно-допустимые параметры транзистора. Для нормальной работы транзистора необходимо укладываться в область , ограниченную предельно допустимыми параметрами : U_{k (max)} , I_{k (max)} , P_{k (max)} :

- если U_k > U_{k (max)} , возможен пробой коллекторного р-n перехода;

- если I_k > I_k(max) , возможен перегрев эмиттерного р-n перехода;

- если P_k >P_{k (max)} работа транзистора невозможна из-за перегрева коллекторного р-n-перехода (t^o ~ Р_k). Область работы транзистора ограничивают все три условия (рис.1.25).

Пример конструкции биполярного транзистора (рис.1.26). В пластину Ge_n вплавляют кусочки акцептора (In) . В месте вплавления в результате диффузии получаются участки полупроводника p - типа (Ge_p ) .

ПОЛЕВОЙ ( УНИПОЛЯРНЫЙ ) ТРАНЗИСТОР– это транзистор, в котором ток через канал регулируется с помощью электрического поля затвора.

Условное обозначение

Электроды полевого транзистора:

- исток (И) –электрод, через который носители заряда входят в канал,

- сток (С) -электрод, через который носители заряда выходят из канала,

-затвор (З)– электрод, с помощью которого регулируется ток через канал.

Полевой транзистор с каналом n-типа и затвором в виде р-n-перехода. Структура полевого транзистора данного типа, представленная на рис.1.27 имеет один р-n -переход между затвором и каналом, который включают в обратном направлении, при этом возникает область повышенного сопротивления (заштрихованная область на рис.1.27. ).

Под воздействием напряжения U_ИС ток через канал протекает только по той части, которая не входит в область р-n-перехода. Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем область р-n- перехода, за счет чего изменяется та часть канала, по которой протекает ток ( активное сечение канала ). Эти изменения вызывают изменение сопротивления канала, а следовательно и тока через канал, т.е. изменяя напряжение на затворе можно регулировать ток через канал:

(ï U_зи1ï<ïU_зи2 ï) Þ (S₁>S₂) Þ (R_k1<R_k2) Þ (I_k1>I_k2) ,

здесь S - площадь активного канала сечения,

R_K - сопротивление канала ,

I_K - ток канала ;

Схема с общим истоком (рис.1.28). Источник входного сигнала (ИС) подключен к закрытому р-n-переходу, обладающему большим сопротивлением, следовательно, прибор обладает высоким входным сопротивлением - это его главное преимущество перед биполярным транзистором.

Выходные характеристики схемы с общим истоком представлены на рис.1.29.

Рис.1.28.

Основной параметр рассматриваемого транзистора, характеризующий его усилительные

свойства , S –крутизна характеристики,

Полевые транзисторы бывают двух типов : с затвором в виде p-n-перехода и с изолированным затвором .

Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, обладающий двумя состояниями:

выключено (сопротивление велико Þ ток мал ) и включено ( сопротивление мало Þ ток относительно велик )

Переход из одного состояния в другое происходит скачком.

Существуют следующие разновидности тиристоров:

- одно-операционный тиристор ;

- симметричный тиристор (симистор) ;

- двух - операционный тиристор ;

- фототиристор .

Структура тиристора включает как минимум 3 p-n-- перехода .

Структура и принцип действия неуправляемого тиристора ( динистора ),показаны на рис.1.30, где R - ограничительное сопротивление. I и III p-n- переходы открыты,

а II p-n-переход закрыт.

Условное обозначение .

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис.1.31, где участок 0-1 соответствует состоянию ‘‘выключено”; участок 2-3 – состоянию ‘‘включено’’;

участок 1-2 – переход из состояния ‘‘выключено’’ в состояние ‘‘включено’’. При увеличении напряжения тиристор сначала находится в состоянии ‘‘выключено’’ – средний р-n-переход включен в обратном направлении, сопротивление всей структуры велико, ток мал. При достижения напряжения переключения U_п в закрытом р-n-переходе происходят процессы

внешне напоминающие его пробой, сопротивление среднего р-n перехода, а следовательно и всей структуры резко падает и тиристор переходит в состояние ‘‘включено’’.

Для выключения необходимо снять напряжение.При смене полярности будут закрыты два p-n- перехода и ток через тиристор практически не протекает.

Однооперационный управляемый тиристор имеет управляющий электрод (УЭ )

С помощью I_у через УЭ можно включать тиристор. Схема включения однооперационного тиристора представлена на рис.1.32.

Условное обозначение .

Вольт-амперная характеристика

однооперационного тиристора представлена на рис.1.33.

С увеличением I_у , напряжение U_п уменьшается.

Существует два способа включения одноперационного управляемого тиристора:

1)I_у=0, U>U_п. (УЭ не используют).

2)U<U_п , I_y>0 (тиристор включается с помощью УЭ ).

Способ выключения один - снятие питающего напряжения U .

Применение тиристора в управляемом выпрямителе.

Управляемым называется выпрямитель, у которого можно регулировать U_ВЫХ , т. е. U_ВЫХ = f(a ) , где a- некий параметр.

Рассмотрим схему однополупериодного управляемого выпрямителя (рис.1.34).

Блок управления (БУ) предназначен для подачи управляющих импульсов на управляющий электрод - тиристор открывается при подаче импульса от блока управления.

Работа выпрямителя иллюстрируется временной диаграммой (рис. 1.35.)

До подачи управляющего импульса – I_упр тиристор закрыт. После подачи I_упр тиристор открывается и остается открытым до момента прохождения синусоиды через ноль.

Изменяя время подачи управляющего импульса, мы изменяем время открытого состояния тиристора, за счет чего изменяется величина выпрямленного напряжения.

Чем больше a , тем меньше U_{ВЫХ сред.}

Симметричный тиристор. Структура и ВАХ симметричного тиристорапредставлены на рис. 1.36 .Симметричная вольт-амперная характеристика создается за счет наличия двух параллельных структур с разным чередованием слоев.

При одной полярности напряжения работает одна структура. При противоположной полярности - другая.

Условное обозначение .

Двухоперационный тиристор. С помощью управляющего электрода можно включать и выключать тиристор (рис.1.37).

Фототиристор. В фототиристоре (рис.1.38) роль импульса тока управляющего электрода играет импульс света. Импульс света воздействует на закрытый р-n-переход.

1.1.5 Оптрон

Оптрон - это прибор, состоящий из трех элементов (рис.1.39):

1) элемента , преобразующего электрический сигнал в световой (например ,светодиода); 2) элемента, преобразующего свет в электрический сигнал (например , фотодиода);

3) оптического канала, соединяющего первый и второй элементы

Преимущества оптрона: полная электрическая развязка между первым и вторым элементами и отсутствие электромагнитного излучения при передаче информации через световой сигнал. Недостаток: низкий КПД (<10%)

Условное обозначение оптопары светодиод - фотодиод .