Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-переходов.
Стр 1 из 2Следующая ⇒
Количество известных в настоящее время полупроводниковых материалов довольно велико. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества — германий, кремний, селен — и сложные полупроводниковые материалы — арсенид галлия, фосфид галлия и др. Значения удельного электрического сопротивления в чистых полупроводниковых материалах лежат в диапазоне от 0,65 Ом-м (германий) до 108 Ом·м (селен). В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда — свободных электронов и дырок — составляет лишь 1016—1018 на 1 см3 вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности — электронной при преобладании свободных электронов или дырочной при преобладании дырок — в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы — легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы III группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы V группы—электронную электропроводность и называются донорными примесями. Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 1020—1021 на 1 см3 вещества оно может быть снижено до 5-10-6 Ом·м для германия и 5-10-5 Ом·м для кремния. Однако даже в сильнолегированных полупроводниках один атом примеси приходится на 103—104 атомов полупроводника. Слаболегированные полупроводники используют для изготовления маломощных полупроводниковых диодов и транзисторов. 3 мощных и импульсных диодах, транзисторах и тиристорах применяют сильнолегированные полупроводники с малыми удельными сопротивлениями.
Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называют p-n-переходом.
Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную электропроводность.
Одна половина структуры, показанной на Рис. 1.8, легирована примесью n-типа, другая — примесью p-типа. На границе перехода дырки устремляются в слой n-типа, а электроны — в слой p-типа до тех пор, пока не установится равновесие и не образуется область без свободных носителей. Эта область называется обедненным слоем и, при отсутствии носителей заряда, сохраняет свойства диэлектриков. Нарастание заряда в обедненном слое — это внутренний эффект, т.е. изменение разности потенциалов на концах p-n-перехода не наблюдается. Однако если к p-слою приложить положительный потенциал, а к n-слою — отрицательный, как показано наРис. 1.9а, то дырки устремятся через переход из p-слоя в n- слой, а электроны — из n-слоя в p-слой. Возникнет ток, и прибор заработает. Если к p-слою приложить отрицательный потенциал, а к n-слою — положительный, как показано наРис. 1.9б, некоторые электроны и дырки переместятся, и основным эффектом будет увеличение обедненного слоя. После кратковременного протекания тока (эквивалентного зарядке конденсатора небольшой емкости), прибор перестанет проводить ток. На самом деле небольшой ток, вызванный неосновными носителями, все-таки будет протекать. Обычно его в расчет не принимают. Таким образом, вольтамперная характеристика p-n -перехо да имеет ярко выраженную нелинейную форму, что можно увидеть на Рис. 1.10. Из рисунка следует, что, для того чтобы переход открылся (через него стал протекать ток), требуется небольшое напряжение, приложенное к переходу в прямом направлении. Оно необходимо для того, чтобы носители смогли преодолеть потенциальный барьер в обедненном слое, составляющий около 0.2 В для германия и 0.7 В для кремния
Сам по себе p-n-переход — это прекрасный выпрямитель, но, помимо этого, он является основным элементом более сложных полупроводниковых приборов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковый диод представляет собой обычный p-n- переход. НаРис. 1.15 приведены основные характеристики диода и символ, которым диод обозначается в схемах. В общих чертах все диоды подразделяются на два класса: выпрямительные и импульсные. Выпрямительные диоды применяются в источниках питания для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды могут проводить большие токи, должны выдерживать большие пиковые обратные напряжения и в основном работают при низких частотах (обычно 50 или 60 Гц). Импульсные диоды используют в качестве логических элементов или как демодуляторы в высокочастотных схемах. Напряжения и токи в таких диодах малы, но их быстродействие должно быть очень высоким. Эти различия отражены в конструкции диодов. Выпрямительный диод должен рассеивать значительное количество тепла, а поглощенная энергия определяется средним значением прямого тока и падением прямого напряжения. Обычно выпрямительные диоды имеют относительно большие размеры и зачастую снабжены специальными приспособлениями для крепления к теплоотводам. Быстродействие диодов зависит от такого фактора, как паразитная (конструктивная) емкость, поэтому импульсные диоды отличаются очень небольшими размерами. Выпрямительные и импульсные диоды изготавливают из германия или кремния. Германиевые диоды характеризуются малым прямым напряжением отпирания (около 0.2 В), но температурный предел работы перехода составляет 75 °С. Напряжение отпирания кремниевого диода составляет около 1 В, но такие диоды могут работать при температуре вплоть до 200°С. Обратный ток кремниевого диода значительно меньше чем германиевого. В основном кремниевые диоды чаще используют в выпрямительных схемах и логических устройствах, а германиевые — в высокочастотных схемах.
СТАБИЛИТРОН В обратносмещенном p-n-переходе существует ток определенной величины. Обычно этот ток пренебрежимо мал, но с ростом обратного напряжения можно достичь напряжения пробоя, при котором обратный ток достаточно большой. Пробой может быть вызван двумя различными механизмами, каждый из которых включает в себя совокупность физических процессов в полупроводнике: 1. Лавинный эффект. Неосновные носители с большой скоростью проникают через обедненный слой и выбивают валентные электроны. Лавинный эффект является нарастающим и вызывает стремительное увеличение тока. 2. Эффект Зенера. Диод намеренно изготавливают с узким обедненным слоем. Таким образом, приложенное напряжение вызывает электрическое поле большой напряженности в обедненном слое, которое достаточно для того, чтобы разрушить ковалентные пары. Эти эффекты возникают в обычных диодах при напряжениях, значительно превышающих номинально допустимые обратные напряжения. Однако существуют конструкции, в которых пробой этих двух типов происходит при небольших предсказуемых значениях напряжения. Вне зависимости от механизма пробоя такие диоды называют стабилитронами. При пробое важно, чтобы ток был ограничен. Обычно ограничение реализуют при помощи последовательно включенного резистора, как показано на Рис. 1.16а. Наклон вольтамперной характеристики при пробое очень крутой (Рис. 1.16б), а выходное сопротивление схемы, показанной на Рис. 1.16а, составляет несколько Ом.
Ток, протекающий через стабилитрон, вызывает рассеяние мощности в виде тепла, рассеиваемая мощность определяется формулой: Выпускаемые стабилитроны могут рассеивать мощность до 5 Вт. Характеристики стабилитронов позволяют использовать их в качестве удобных источников опорного напряжения источников питания и других схем. Однако стоит заметить, что механизмы пробоя приводят к возникновению «шумового» напряжения, поэтому при использовании стабилитронов в усилителях могут возникнуть некоторые проблемы.
ВАРИКАП Ранее уже было упомянуто, что обедненный слой в обратносмещенном переходе ведет себя как конденсатор. С увеличением обратного напряжения носители перемещаются из области перехода. Это приводит к увеличению ширины обедненного слоя и уменьшает емкость перехода. Варикап — полупроводниковый прибор, разработанный на основе этого эффекта. Изменение емкости типичного варикапа составляет от 20 до 40 пФ при изменении обратного напряжения в 5 В. Варикапы широко используются в качестве элементов настройки в индуктивно-емкостных контурах. В настоящее время варикапы применяют в большинстве телевизионных тюнеров (селекторов каналов).
ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД Туннельный диод (иногда называемый также диодом Есаки, по имени его изобретателя) представляет собой p-n-переход с очень высоким уровнем легирования. Результатом этого является очень узкий обедненный слой, вследствие чего пробой происходит без какого бы то ни было внешнего смещения. Прямая ветвь ВАХ такого диода представлена на Рис. 1.17. Эта ветвь разделяется на три отчетливые области. В области 1 происходит пробой и прямой ток возрастает. В области 2 прибор выходит из пробоя и демонстрирует отрицательное сопротивление (уменьшение тока при возрастании напряжения). В области 3 прибор полностью выходит из пробоя и ведет себя как обычный диод. При работе прибора используется область 2, так как отрицательное сопротивление дает возможность применять прибор в качестве генератора или запоминающего (накопительного) элемента. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Биполярный транзистор — это трехслойный прибор, состоящий из двух p-n-переходов, расположенных по одной линии вплотную друг к другу. Его структура может быть либо p-n-p, либо n-p-n, как показано наРис. 1.18. Три области, которые образуют транзистор, называются эмиттер, коллектор и база.
Чтобы транзистор работал, область базы должна быть очень тонкой, и эмиттер должен быть легирован намного сильнее, чем база. На Рис. 1.19 показана схема включения p-n-p-транзистора (для n-p-n-транзистора следует поменять полярность источников питания).
Переход эмиттер—база смещен в прямом направлении, и дырки двигаются в область базы. Если бы база была толще, движение этих дырок просто создавало бы ток через базовую область из эмиттера, но из-за малой толщины базы они попадают также под влияние отрицательно смещенного коллектора. Разность потенциалов коллектор—база способствует проникновению дырок в коллектор, в результате чего появляется коллекторный ток Ic. Некоторые дырки рекомбинируют с электронами в базовой области, за счет чего возникает небольшой базовый ток Ib. Отношение тока коллектора к току эмиттера Ic/Ie имеет приблизительно постоянное значение, около 0.98, и называется коэффициентом усиления эмиттерного тока — α. Исходя из закона Кирхгофа можно записать:
Ie = Ic + Ib Следовательно, ток базы составляет около 0.02Ie. Коэффициент α иногда обозначают hFB.
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Недостатком биполярного транзистора является малое входное сопротивление, и для его повышения требуется достаточно сложная схема. Биполярные транзисторы — это приборы, управляемые током, однако проводимостью полупроводникового материала можно управлять также с помощью электрического поля. Транзисторы, в которых проводимость модулируется электрическим полем, называют полевыми транзисторами. Самый простой полевой транзистор показан наРис. 1.23а. Этот транзистор представляет собой прибор с тремя выводами (стоком, истоком и затвором), состоящий из кристалла кремния /г-типа, в котором с помощью диффузии создана область n-типа, т.е. образован p-n-переход. Сток положительно смещен по отношению к истоку, таким образом, в n-слое образуется канал, по которому течет ток от стока к истоку (Id). Однако если на затвор подать отрицательный потенциал, в области p-n-перехода образуется обедненный слой, что приведет к ухудшению проводимости канала и уменьшению тока Id. Следовательно, напряжение на затворе управляет проводимостью канала; чем больше по величине значение отрицательного напряжения, тем меньший ток течет от стока к истоку. Переход затвор — канал всегда смещен в обратном направлении, и через него протекает небольшой ток затвора, которым обычно пренебрегают. Если увеличивать отрицательное напряжение на затворе, ток Id перестанет протекать вовсе. Напряжение на затворе, при котором это произойдет, называется напряжением отсечки или напряжением смыкания канала, и его типичное значение равняется 5 В. НаРис. 1.23б приведены типичные характеристики полевого транзистора. Другой тип полевого транзистора — это так называемый полевой транзистор с изолированным затвором, известный также как полевой транзистор со структурой металл—диэлектрик— полупроводник, или МОП-транзистор. Затвор в таком транзисторе изолирован от канала.
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|