 |
Электрофизические свойства полупроводников
|
|
|
|
ГЛАВА 1
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ И ОСНОВЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
В результате изучения главы 1 бакалавр должен
знать:
· физику процессов в полупроводниковых материалах;
· основные элементы полупроводниковой электроники и их характеристики;
· основные схемы включения транзисторов
· основы технологии изготовления микросхем;
уметь:
· разбираться в работе основных полупроводниковых приборов;
· выбирать схему включения транзистора в зависимости от требований к электрической схеме;
владеть методикой расчета схем включения транзисторов.
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Виды электронных приборов
Электронными называют приборы, в которых ток создается движением электронов в вакууме, газе или полупроводнике.
В своем развитии электроника прошла несколько этапов. Первые электронные устройства выполнялись на электровакуумных приборах (так называемых катодных или электронных лампах). С середины XX в. широкое применение нашли полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, тиристоры), изготовляемые как отдельные, самостоятельные элементы, из которых собирались электронные устройства. В последней четверти XX в. основой многих электронных устройств стали интегральные микросхемы, представляющие собой пластинку полупроводника с размещенным на ней множеством транзисторов и других элементов электрических цепей. Со времени их изобретения (США, 1959 г.) интегральные микросхемы постоянно совершенствуются и усложняются. В современных сверхбольших интегральных схемах счет уже идет на десятки и сотни миллионов транзисторов и других элементов.
В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразование вида энергии, усиление сигналов, генерирование мощных излучений, управление электродвигателями, обработка цифровой информации и ее отображение и т.п.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами.
|
|
|
Электрофизические свойства полупроводников
Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы — нейтроны и положительно заряженные протоны. Количество протонов определяет заряд ядра. Отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона. В нормальном состоянии число электронов, образующих электронную оболочку атома, равно числу протонов в ядре и атом электрически нейтрален. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, сгруппированным в слои. Каждому слою соответствует строго определенная энергия электрона W (так называемый разрешенный энергетический уровень). Количество электронов в слоях строго определено: в первом, ближайшем к ядру слое может находиться не более двух электронов, во втором — не более восьми и т.д. Электроны целиком заполненных слоев устойчивы к внешним воздействиям. «Не уместившиеся» во внутренних слоях электроны образуют незаполненный внешний слой, который легко отдает и принимает электроны. Эти электроны определяют валентность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра расположена орбита электрона, тем большей энергией он обладает. Под воздействием энергии теплоты, света, радиации, или каких-либо других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным, а при дальнейшем увеличении энергии, называемой работой выхода, электрон покидает поверхность вещества.
|
|
|
В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на электроны атома воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько — по числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни создают энергетические зоны. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии, которые остаются незанятыми, составляют зону проводимости, так как ее уровни могут занимать возбужденные электроны, обеспечивающие электропроводность вещества. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона.
Рис. 1.1. Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б)
и полупроводника (в):
1 — валентная зона; 2 — зона проводимости; 3 — запрещенная зона
Зонная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. На рис. 1.1 показано расположение энергетических зон для этих групп веществ. У проводников (металлов) валентная зона 1 и зона проводимости 2 перекрывают друг друга (рис. 1.1, а) и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков (рис. 1.1, б) ширина запрещенной зоны велика (более 6 эВ (электрон-вольт)), и для перехода валентных электронов в зону проводимости надо сообщить значительную энергию (такой процесс происходит при пробое изоляции). У полупроводников (рис. 1.1, в) запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1 до 3,0 эВ.
В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника (например, кремния) каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных электронов — по одному от каждого атома. Такая связь называется ковалентной. При ее образовании электрон принадлежит уже не одному, а обоим связанным между собой атомам, т. е. является для них общим. В результате вокруг каждого ядра образуется восьмиэлектронная оболочка, устойчивая к внешним воздействиям. Так как все валентные электроны оказываются прочно связанными между собой, свободных электронов, способных обеспечить электропроводность, нет. Такую структуру имеют химически чистые полупроводники при температуре абсолютного нуля (рис. 1.2, а).
|
|
|
Рис. 1.2. Кристаллическая структура чистого полупроводника (а), полупроводника с донорной (б) и акцепторной (в) примесью.
Под воздействием внешних факторов (например, при повышении температуры) отдельные электроны атомов кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для освобождения от ковалентных связей, и становятся свободными.
При освобождении электрона от ковалентной связи в кристаллической решетке возникает как бы свободное место, обладающее положительным зарядом. Такое место называется «дыркой», а процесс образования пары «свободный электрон — дырка» — генерацией. В дырку может «перескочить» валентный электрон из ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя новую дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.
При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок и электронов становится упорядоченным, и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость n-типа, и дырочную, или проводимость p-типа.
Для создания полупроводниковых элементов широко применяют примесные полупроводники. С четырехвалентным германием и кремнием используют пятивалентные примеси (мышьяк, сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор, алюминий, индий, галлий).
В случае пятивалентной примеси (рис. 1.2, б) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. В таких полупроводниках электропроводность обеспечивается главным образом избытком свободных электронов. Их называют полупроводниками n -типа, а примеси — донорными.
|
|
|
За счет тепловой энергии в полупроводнике n -типа могут образоваться и отдельные дырки при генерации пар «свободный электрон — дырка». Поэтому электроны в полупроводнике n -типа называют основными, а дырки — неосновными носителями зарядов.
При введении трехвалентной примеси (рис. 1.2, в) в одной из ковалентных связей примесного атома и атома основного полупроводника отсутствует электрон, т. е. образуется дырка. Разрешенные энергетические уровни валентных зон примеси и основного полупроводника находятся рядом. Электрон валентной зоны атома основного полупроводника легко захватывается трехвалентным атомом примеси, в результате чего дырка образуется уже в атоме основного полупроводника и перемещается, таким образом, по кристаллической решетке. Дырки в таких полупроводниках становятся основными носителями зарядов, создавая эффект перемещения положительных зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой примесью — полупроводниками p -типа. Неосновными носителями в этом случае выступает небольшое количество свободных электронов, образовавшихся в результате тепловой генерации пар «свободный электрон — дырка».
1.1.3. Р-n -переход и его свойства
Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p -типа, а другая n -типа, называют p-n -переходом. Концентрации основных носителей заряда в p - и n -областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае p-n -переход называют симметричным, во втором — несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.
Пусть концентрация акцепторной примеси в p -области больше, чем концентрация донорной примеси в n -области (рис. 1.3, а). Соответственно и концентрация дырок (светлые кружки) в p -области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n -области.
За счет диффузии дырки из р -области и электроны из n -области стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p -области в n -область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из p -области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n -области в p -область, приводящее к тому же эффекту. В результате на границе, разделяющей n -область и p -область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой, одна сторона которого заряжена отрицательно (p -область), а другая — положительно (n -область).
|
|
|
Рис. 1.3. P-n -структура:
a — в равновесном состоянии; б — при прямом внешнем напряжении; в — при обратном внешнем напряжении; l — ширина р-n -перехода
Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов U к (рис. 1.3, а) или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны p- области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n- области, — отрицательным зарядом. Таким образом, образуется p-n -переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей — так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.
Свойства p-n -структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 1.3, б), то дырки p -области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину p-n -перехода со стороны p -области. Аналогично, электроны n -области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину p-n -перехода со стороны n -области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p -области и электроны из n -области и через p-n -переход начинает течь ток.
С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.
Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток — прямым. При подаче такого напряжения p-n -переход открыт.
Если к p-n -структуре приложить напряжение обратной полярности (рис. 1.3, в), то эффект будет противоположным. Под действием электрического поля источника дырки р -области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n -области — к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители зарядов отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-n -перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n -перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n -переход закрыт.
Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока I обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон — дырка» под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.3, в единственным электроном в p -области и единственной дыркой в n -области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при U обр в доли вольта все носители участвуют в создании обратного тока.
При подаче обратного напряжения p-n -переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p - и n -области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость p-n -перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина p-n -перехода и чем больше его площадь.
1.1.4. Основные технологические процессы изготовления p-n -переходов
Метод сплавления. Этот технологический процесс заключается в том, что в пластинку полупроводника одного типа проводимости вплавляют примесь, необходимую для образования полупроводника другого типа проводимости. Например, на пластинку германия n -типа помещают таблетку индия и нагревают его до температуры плавления. При этом примесь расплавляется и в ней частично растворяется материал полупроводника, создавая в приграничной зоне слой проводимости p -типа. Сплавные p-n -переходы имеют высокую надежность, работоспособны при больших обратных напряжениях и обладают малым собственным сопротивлением, обеспечивающим малое прямое падение напряжения на них.
Метод диффузии. В этом технологическом процессе p - и n -области получают в полупроводнике путем проникновения акцепторных или донорных примесей, содержащихся в атмосфере паров, куда помещают нагретую до высокой температуры пластинку полупроводника. Так как атомы примеси диффундируют внутрь пластины с поверхности, наибольшая концентрация примеси наблюдается в приповерхностной области и убывает с увеличением расстояния в глубь полупроводника.
Метод эпитаксиального наращивания. Процесс кристаллизации одного вещества на кристалле-подложке другого называется эпитаксиальным наращиванием. При этом кристаллическая решетка подложки определяет структуру решетки, в которой кристаллизуется наращиваемый слой. Полупроводниковые эпитаксиальные слои (пленки) могут быть получены различными способами: герметическим испарением в вакууме; кристаллизацией в расплавленном веществе, содержащем примесь; осаждением из парообразной формы. Изменяя тип примеси и условия наращивания, можно в широких пределах менять электрические свойства эпитаксиальной пленки.
Ионное легирование. Процесс заключается в бомбардировке ионами примеси нагретой полупроводниковой пластины, находящейся в вакууме. Ионы предварительно разгоняются до определенной скорости и, внедряясь в пластину полупроводника, играют роль донорных или акцепторных примесей.
Оксидное маскирование. Этот процесс используют для того, чтобы обеспечить проникновение примеси только в определенные участки пластины, защитив от них остальную ее поверхность. В полупроводниковых структурах на основе кремния в качестве маски используется диоксид кремния SiO2, который является хорошим изолятором и обладает по сравнению с чистым кремнием значительно меньшей скоростью диффузии в него примесей. Для получения пленки оксида кремниевую пластину нагревают до 900—1200 ºС в атмосфере кислорода. После охлаждения те участки полупроводника, которые должны подвергаться воздействию примесей, освобождают от пленки окисла травлением.
Фотолитография. Это процесс получения на поверхности пленки оксида необходимого рисунка расположения окон. Оксидную пленку покрывают фоторезистом (светочувствительным слоем) и экспонируют (засвечивают) ультрафиолетовыми лучами через маску, на которой выполнен рисунок в виде прозрачных и непрозрачных участков. Участки фоторезиста, подвергнувшиеся освещению, оказываются задубленными (нерастворимыми), а с неосвещенных участков фоторезист удаляют растворителем.
Травление пленки диоксида кремния с участков, не защищенных задубленным фоторезистом, производят плавиковой кислотой, в результате в оксидной пленке образуются окна, через которые производится диффузия, эпитаксиальное наращивание или ионное легирование.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами (приставка «ди-» означает два) и одним p-n -переходом.
По функциональному назначению, принципу образования p-n -перехода и использованию тех или иных его свойств диоды делятся на выпрямительные, стабилитроны, импульсные, диоды Шоттки, фотодиоды, светодиоды и т.п. Один из вариантов конструкции и условное обозначение диода приведены на рис. 1.4, а, б. Вывод от p -области называют анодом, а от n -области — катодом.
Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, т. е. зависимость протекающего через диод тока от приложенного к нему напряжения, определяется вольт-амперной характеристикой p - n -перехода (рис. 1.4, в). При подаче к диоду прямого напряжения диод открыт и пропускает прямой ток, при этом падение напряжения на диоде составляет десятые доли вольт. При подаче обратного напряжения диод заперт, и если оно не достигает значения U обр max, то через диод протекает пренебрежительно малый обратный ток I 0 (I пр и I обр на рис. 1.4, в показаны в разных масштабах). При подаче обратного напряжения, превышающего значение U обр max, наступает пробой p-n -перехода, при котором обратный ток резко возрастает.
Рис. 1.4. Полупроводниковый диод:
а — вариант конструкции; б — условное обозначение; в — вольт-амперная характеристика
Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый, выводящий полупроводниковый диод из строя). Под воздействием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера. Двигаясь с большой скоростью в p-n -переходе, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их, в результате чего появляются новые свободные электроны и дырки. Этот лавинообразный процесс приводит к резкому увеличению обратного тока, т. е. к электрическому пробою p-n -перехода. Если обратный ток ограничивать, то после снятия высокого обратного напряжения p-n -переход восстанавливается. Если же обратный ток не ограничивать, то электрический пробой перейдет в тепловой, при котором за счет разогрева p-n -перехода происходит энергичная генерация пар «свободный электрон — дырка», приводящая к резкому увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к еще большему разогреву p-n -перехода и, значит, к дальнейшей генерации носителей. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к выводу диода из строя.
Выпрямительные диоды
Эти диоды предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, емкости p-n -перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных p-n -переходах. Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь p-n -перехода выполняется относительно большой и, следовательно, емкость p-n -перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах протекают относительно долго. (Под длительностью переходного процесса понимают время перехода из открытого состояния диода в запертое и наоборот при перемене полярности приложенного напряжения).
Основными параметрами выпрямительных диодов являются:
- допустимое обратное напряжение U обр, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения работоспособности;
- средний прямой ток I пр ср — наибольшее допустимое значение постоянного тока, протекающего длительно в прямом направлении;
- максимально допустимый импульсный прямой ток I пр при указанной в паспорте наибольшей длительности импульса;
- средний обратный ток I обр ср — среднее за период значение обратного тока;
- среднее прямое напряжение U пр ср — падение напряжения на открытом диоде;
- средняя рассеиваемая мощность P ср д — средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде при выпрямлении переменного тока;
- дифференциальное сопротивление r диф =
U пр ср / I пр ср.
Стабилитроны
Стабилитроны — это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики p-n -перехода, соответствующий обратному электрическому пробою (рис. 1.5, в). Стабилитрону, как показывает само название, свойственна стабильность, т. е. неизменность падения напряжения на нем при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него. Благодаря этому свойству
Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор R 0 (рис. 1.5, б), ограничивающий ток I ст, который является обратным током для p-n -структуры стабилитрона. При изменениях входного напряжения U вх (рис. 1.5, в) меняются ток I ст и падение напряжения от этого тока на R 0. Значения тока I ст и его изменений определяются точками А, В и С пересечения вольт-амперной характеристики p-n -перехода и прямых, проведенных под углом arctg R 0 из точек U вх и его изменений, отложенных на оси U обр. Точка А определит значение U ст при среднем значении U вх, а точки В и С — изменения U ст при изменениях U вх.
Дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке ВС равно
r диф = U ст / I ст. (1.1)
Если напряжение U вх может изменяться в обе стороны от своего среднего значения, то точку А выбирают на середине линейного участка вольт-амперной характеристики стабилитрона, причем
U вх = U ст + I ст R 0. (1.2)
Перейдя от (1.2) к приращениям, запишем
U вх = U ст + I ст R 0,
а подставив I ст из (1.1), получим
U вх = U ст + I ст R 0 / r диф,
откуда
U ст = 
.
При R 0 >> r диф получим, что U ст << U вх и стабилизация тем лучше, чем больше отношение R 0 / rдиф.
Рис. 1.5. Стабилитрон:
а — условное обозначение; б — схема включения; в — вольт-амперная характеристика
Основными параметрами стабилитронов являются:
- напряжение стабилизации U ст;
- минимальный ток стабилизации I ст min, при котором наступает устойчивый электрический пробой p-n- перехода;
- максимальный ток стабилизации I ст max, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;
- дифференциальное сопротивление r диф;
- максимальная мощность рассеяния P max, при которой еще не наступает тепловой пробой p-n -перехода;
- температурный коэффициент стабилизации
ст — отношение относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выражается в %/град):
cт = Δ U ст / (U ст Т).
Выпускаются кремниевые стабилитроны на напряжение стабилизации от 5 до 400В и на мощность от 250 мВт до 50 Вт.
Диоды Шоттки
В основе выпрямляющего диода может использоваться не только переход между полупроводниками p- и n -типа, но и между полупроводником и металлом. Такие диоды называются диодами Шоттки.
Рис. 1.6. Металлополупроводниковый диод Шоттки:
а — структура диода; б — условное обозначение; в — вольт-амперная характеристика; 1 — переход Шоттки; 2 — p-n -переход
Рассмотрим структуру металл — полупроводник n -типа. Если работа выхода электронов у металла выше, чем у полупроводника, то преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл (свободным электронам металла труднее приобрести энергию, равную работе выхода, чем электронам полупроводника). В результате металл заряжается отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создают в его приграничном слое положительный потенциал (рис. 1.6, а). Такое распределение зарядов создает контактную разность потенциалов U к (потенциальный барьер), препятствующий дальнейшему перемещению электронов. При этом тонкий приграничный слой полупроводника обедняется носителями. Таким образом, в месте контакта металла и полупроводника возникает переход, аналогичный p-n -переходу. Если к такому переходу приложить обратное напряжение, совпадающее с U к, то ширина обедненной области увеличится, а сопротивление перехода возрастет. Если приложить прямое напряжение, то оно будет противодействовать U к, при этом переход сужается, потенциальный барьер уменьшается и через переход начинает течь ток. Вольт-амперные характеристики такого перехода и p-n -перехода оказываются аналогичными.
Основной отличительной особенностью характеристик диода Шоттки является значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с диодами на основе p-n -перехода (рис. 1.6, в). Это объясняется тем, что в диоде Шоттки одно из веществ перехода — металл, и следовательно, его электрическое сопротивление (и соответствующее падение напряжения на нем) значительно меньше, чем у полупроводника.
Другая особенность диода Шоттки — отсутствие проникновения неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в рассматриваемом случае — дырок, которые для n -области являются неосновными). Это значительно повышает быстродействие диодов Шоттки по сравнению с обычными диодами, так как отпадает необходимость в рассасывании таких носителей при смене полярности внешнего напряжения.
Диоды Шоттки, у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного напыления, обладают емкостью, не превышающей 0,01 пФ. Это обеспечивает чрезвычайно малое время их переключения (доли наносекунды) и предельно высокую частоту работы (десятки гигагерц). Мощные диоды позволяют пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов p-n -типа) они обеспечивают более высокий КПД. Условное обозначение металлополупроводникового диода Шоттки приведено на рис. 1.6, б.
Варикапы
Напомним, что при подаче обратного напряжения p-n -структура уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n -области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Образующаяся при этом барьерная емкость может быть использована в качестве конденсатора в электронной аппаратуре. Варикапы — это полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого p-n -перехода. Поскольку размеры области p-n -перехода зависят от значения приложенного к нему обратного напряжения, то и величина барьерной емкости изменяется вместе с этим напряжением.
Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны вглубь n -области, а дырки — вглубь p -области, расширяет p-n -переход и изменяет барьерную емкость. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения — вольт-фарадная характеристика. Основными параметрами варикапов являются номинальная емкость и диапазон ее изменения, а также допустимые обратное напряжение и мощность. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре.
Светодиоды
На основе явлений, происходящих в p-n -переходе при протекании через него прямого тока, можно получать полупроводниковые приборы, способные генерировать оптическое излучение. Такими приборами являются полупроводниковые светодиоды. Работа светодиодов основана на инжекционной электролюминесценции, т. е. генерации оптического излучения в p-n -переходе, находящемся под прямым внешним напряжением. Под воздействием внешней энергии электроны в атомах переходят в возбужденное состояние с более высоким уровнем энергии W 2, называемым метастабильным уровнем возбуждения. При возвращении этих электронов с метастабильного уровня W 2 на исходный W 1 происходит испускание фотонов c длиной волны, определяемой соотношением:
= 1,23 (W 2 – W 1).
К преимуществам полупроводниковых светодиодов относятся высокий по сравнению с лампами накаливания КПД, относительно узкий спектр излучения и хорошая диаграмма направленности, высокое быстродействие и малое напряжение питания. Все это обеспечивает удобство согласования с интегральными микросхемами, высокую надежность, долговечность и технологичность. Спектр излучения, а следовательно и его цвет, зависит от используемого полупроводникового материала. Светодиоды изготавливают не на основе кремния или германия, как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида-фосфида галлия. Яркость свечения пропорциональна прямому току светодиода. Тока в несколько миллиампер уже достаточно для отчетливой индикации. Светодиоды изготавливают как в виде отдельных индикаторов, так и в виде семисегментных или точечных матриц. Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок — сегментов, из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать изображение уже не только цифры, но и любого индицируемого знака (буквы, специального символа и.т.д.).
Фотодиоды
Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод (см. рис. 1.4, а), в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на p-n -переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n -структуре.
При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n -перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n -области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n -области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n -перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n -перехода, причем дырки переходят в p -область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы p-n -перехода и n -области.
Таким образом, ток через p-n -переход обусловлен дрейфом неосновных носителей — дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком I ф. Фотоносители — дырки — заряжают p -область положительно
|
|
|
