Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-переходов.

 

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 I_c. Некоторые дырки рекомбинируют с электронами в базовой области, за счет чего возникает небольшой базовый ток I_b. Отношение тока коллектора к току эмиттера I_c/I_e имеет при­близительно постоянное значение, около 0.98, и называется ко­эффициентом усиления эмиттерного тока — α. Исходя из закона Кирхгофа можно записать:

I_e = I_c + I_b

Следовательно, ток базы составляет около 0.02I_e. Коэффици­ент α иногда обозначают h_FB.

 

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 (I_d). Однако если на затвор подать отрицатель­ный потенциал, в области p-n-перехода образуется обедненный слой, что приведет к ухудшению проводимости канала и умень­шению тока I_d.

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 I_d 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.

 

12Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: