Электронно-дырочный переход

Полупроводниковые приборы изготавливают на основе электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход представляет собой переходный слой между областями полупроводников с различными типами проводимости. Свойства перехода определяются соотношением доноров и акцепторов, их распределением по объемам и областей и геометрией этих областей. Такой переход не может быть создан путем простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов с разными типами электропроводности. Необходимо создать между областями и металлургическую границу. Электронно-дырочные переходы создаются с помощью определенных технологических процессов либо выращиванием в специальной газовой среде, либо сплавлением материалов различной проводимости.

В сплавных переходах изменение концентрации от проводимости - типа к проводимости типа происходит на расстоянии порядка 0,1 мкм. Это расстояние составляет ширину металлургической границы. Будем понимать под металлургической границей поверхность в полупроводниках, на которой концентрация доноров в - области равна концентрации акцепторов в - области. Если концентрация доноров в - области равна концентрации акцепторов в - области, то переход называется симметричным. Чаще используют несимметричные переходы, для которых . Если концентрации примесей различаются на порядок, то переход называется односторонним.

Из-за градиента концентраций носителей возникает их диффузионное движение. Дырки движутся из - области в - область, а электроны из -области в -область. Диффузия сопровождается перераспределением зарядов в узком слое шириной вблизи металлургической границы. Этот узкий слой и представляет собой - переход (рис. 4.2). На рисунке показаны только примесные атомы, то есть акцепторные атомы справа и донорные атомы слева. В приконтактных слоях - области остается некомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорных примесей, возникающий вследствие диффузии электронов в - область Точно также в - области остаются некомпенсированными отрицательные заряды неподвижных ионов акцепторных примесей. Этот двойной слой неподвижных электрических зарядов создает электрическое поле .

Рис. 4.2. Электронно-дырочный переход

 

Высота потенциального барьера в области - перехода определяется как контактная разность электростатических потенциалов в и -слоях:

. (4.6)

Рис. 4.3. Распределение потенциала в области перехода

Вектор напряженности электрического поля направлен так, что поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Вместе с тем под действием этого поля возникает дрейфовое движение неосновных носителей зарядов – дырок из - области в - область и электронов из - области в - область. Дрейфовое движение носителей зарядов порождает дрейфовый ток. Таким образом, через -переход протекает два тока – диффузионный ток за счет основных носителей и дрейфовый ток (ток проводимости) за счет неосновных носителей. Электронно-дырочный переход в целом нейтрален, поскольку положительный заряд слева от металлургической границы равен отрицательному заряду справа от нее. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает динамическое равновесие на переходе и суммарный ток через переход равен нулю:

. (4.7)

 

Рассмотрим физические процессы в электронно-дырочном переходе при подключении к областям и внешнего источника постоянного напряжения . Подсоединим источник напряжения минусом к -области, а плюсом к -области. При этом высота потенциального барьера на переходе уменьшается до величины (рис.4.3). Напряжение, уменьшающее высоту потенциального барьера, называется прямым.

Таким образом, при прямых напряжениях на переходе граничные концентрации превышают равновесные и имеет место процесс, называемый инжекцией, которая сопровождается введением носителей в области полупроводника, где они являются неосновными. У несимметричных переходов инжектирующий слой обладает меньшим удельным сопротивлением и называется эмиттер. Слой с большим удельным сопротивлением называется базой.

Если поменять направление полярности внешнего источника, то высота потенциального барьера возрастает до величины (рис.4.3). Напряжение при этом называется обратным. При обратном напряжении ширина обедненного слоя увеличивается и через переход будет протекать небольшой ток неосновных носителей. Дырки из -области и электроны из -области диффундируют к границам перехода, электрическое поле которого является для них ускоряющим. При этом граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются по сравнению с равновесными концентрациями. Этот процесс называется экстракцией.

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА отражает поведение перехода при прямом и обратном смещениях.

Полный ток в полупроводниках обусловлен диффузионным и дрейфовым движением электронов и дырок, создающим диффузионную и дрейфовую составляющие. Плотности диффузионных токов пропорциональны градиенту концентрации соответствующих свободных носителей заряда. При этом токи направлены в сторону убывания концентрации.

(4.18)

Полученное выражение для тока достаточно точно описывает работу перехода как при прямом, так и при обратном напряжениях на переходе.(в формуле-прямой ток,обратный ток,напряжение,приложенное к переходу,и температурный потенциал).

При прямых напряжениях на переходе при можно считать, что ток через переход равен

. (4.19)

Прямой ток намного больше обратного, что согласуется с физическими представлениями о работе перехода. Напряжение на переходе, при котором появляется заметный ток, называется пороговым. При обратных напряжениях на переходе экспоненциальный член в уравнении становится малым по сравнению с 1 и ток через переход равен току насыщения:

. (4.20)

В разных масштабах прямая и обратная ветви вольтамперных характеристик германиевого и кремниевого переходов показаны

на рис.4.5.

Рис. 4.5. Вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого переходов

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковые диоды строят на основе полупроводниковых структур с переходом. Полупроводниковый диод - это двухполюсник с одним переходом. В зависимости от конструкции полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Наиболее распространены плоскостные диоды, у которых площадь перехода значительно больше его толщины.

Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры. При повышении температуры прямой и обратный токи растут. Резко увеличивается обратный ток, что объясняется усилением генерации пар носителей. При повышении температуры на каждые у германиевых диодов обратный ток возрастает примерно в 2 раза, у кремниевых - в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве диода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры. Кремниевые диоды работают в диапазоне температур от минус 65 до плюс 125 .

В зависимости от функционального назначения различают следующие типы диодов: выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны, туннельные диоды, варикапы.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока в постоянный ток. Такое назначение обусловлено односторонней проводимостью электронно-дырочного перехода. Их свойства: сопротивления в прямом и обратном направлениях, а также величина допустимого обратного напряжения.

Высокочастотные диоды предназначены для работы на частотах до единиц-десятков гигагерц. В качестве высокочастотных диодов используются точечные диоды. В них электронно-дырочный переход образован контактом металлической пружинки из вольфрама с полупроводниковым кристаллом. Высокочастотные диоды подразделяются на детекторные, смесительные, умножительные, переключательные. Плоскостные диоды используются для выпрямления переменного тока с частотой до единиц килогерц. Точечные диоды могут работать в качестве выпрямителей переменного тока, как на высоких, так и на низких частотах. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Ниже на рис.4.7 приведена схема однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Рис. 4.7. Однополупериодный выпрямитель

Рис. 4.8. Графики, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя

Стабилитрон

При некотором значении обратного напряжения наблюдается резкий рост обратного тока через переход. Это явление называется электрическим пробоем. Возможны два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Лавинный пробой возникает в полупроводниках с невысокой концентрацией примесей. Неосновные носители заряда приобретают энергии, достаточные для ионизации атомов полупроводника. При этом возникают дополнительные электроны и дырки, которые на своем пути ионизируют новые атомы. В результате развивается лавина подвижных носителей заряда

Туннельный пробой характерен для полупроводников с высоким уровнем легирования. У полупроводников с повышенной концентрацией примесей ширина перехода значительно меньше, чем у обычных, и на нем возникает значительная напряженность электрического поля. При больших напряженностях поля порядка начинают проявляться квантовомеханические свойства электронов. Некоторые электроны, не обладая достаточной энергией для преодоления потенциального барьера, могут пройти через него, если с другой стороны барьера имеется такой свободный энергетический уровень, какой занимали электроны перед барьером. Электрический пробой носит обратимый характер. При чрезмерном перегреве перехода происходит тепловой пробой, при котором электронно-дырочный переход выходит из строя. При тепловом пробое количество отводимого тепла меньше выделяемого в переходе. Тепловой пробой наступает при напряжениях, превышающих напряжение лавинного пробоя.

Эта особенность позволяет использовать такие электронно-дырочные переходы для стабилизации напряжений. Для стабилизации напряжений от единиц до нескольких сотен вольт применяют специально изготовленные кремниевые плоскостные диоды, называемые стабилитронами.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона равно:

 

. (4.21)

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем круче обратная ветвь и тем лучше стабилизирующее свойство стабилитрона.

Изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус характеризует температурный коэффициент напряжения стабилизации. У стабилитронов с лавинным пробоем температурный коэффициент положительный, а у стабилитронов с туннельным пробоем – отрицательный. Положительный температурный коэффициент можно скомпенсировать, включив последовательно со стабилитроном плоскостной кремниевый диод, смещенный в прямом направлении и имеющий отрицательный температурный коэффициент. Термокомпенсирующий диод встраивают в корпус стабилитрона на этапе его изготовления.

Эффективность стабилизации напряжения характеризует коэффициент стабилизации , который показывает, во сколько раз относительное изменение напряжения на выходе схемы стабилизации меньше, чем относительное изменение напряжения на входе:

. (4.23)

Варикап.

Смещенный в обратном направлении - переход обладает барьерной емкостью. Барьерная емкость обусловлена неподвижными носителями зарядов разных знаков и зависит от величины запирающего напряжения. С увеличением запирающего напряжения толщина обедненного слоя увеличивается, при этом барьерная емкость уменьшается, как показано на рис. 4.10.

Рис. 4.10. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения

 

Величина барьерной емкости равна:

, (4.24)

где:

- емкость при обратном напряжении ;

- контактная разность потенциалов;

- запирающее напряжение;

Плоскостные диоды, емкость которых изменяется изменением запирающего напряжения, называются варикапами. Можно сказать, что варикапы – это конденсаторы переменной емкости, управляемые изменением обратного напряжения. Важным параметром варикапа является коэффициент перекрытия по емкости при заданном изменении обратного напряжения. Так для варикапа КВ105 при изменении обратного напряжения в пределах нескольких вольт барьерная емкость изменяется в пределах от 400 до 600 пФ. В справочниках приводятся данные для широкого спектра выпускаемых промышленностью варикапов.

Варикапы используются в колебательных контурах для частотной модуляции и автоматической подстройки частоты. Обозначение варикапа и его включение для подстройки колебательного контура показаны на рис. 4.11. Изменяя с помощью потенциометра обратное напряжение на варикапе, можно изменять резонансную частоту контура. Конденсатор является разделительным, чтобы варикап по постоянному напряжению не замыкался накоротко катушкой контура. Емкость конденсатора должна быть намного больше емкости варикапа.

 

 

Рис. 4.11. Схема включения варикапа для подстройки частоты контура

Туннельный диод

Квантовомеханический туннельный эффект в переходе открыт японцем Лео Есаки в 1958 году. Впоследствии на основе этого эффекта были созданы туннельные диоды. В них применяется германий или арсенид галлия с концентрацией примесей в раз большей, чем для обычных диодов. Концентрация доноров в -области и акцепторов в -области составляет . Такие полупроводники называются вырожденными. В вырожденном полупроводнике переход получается в десятки-сотни раз тоньше, чем в обычных диодах. Если у обычных полупроводниковых диодов ширина перехода составляет примерно 1 мкм, то у туннельных – 0,001 мкм. Другим следствием высокой концентрации примесей является то, что уровень Ферми поднимается на -стороне в зону проводимости, а на -стороне опускается в валентную зону. В зоне проводимости, таким образом, постоянно присутствует много электронов и в валентной зоне - очень много дырок. Из-за малой толщины запирающего слоя напряженность электрического поля на таком переходе вследствие контактной разности потенциалов составляет величину порядка и более. При таких больших напряженностях электрического поля начинают проявляться волновые свойства электронов. При этом возникновение тока в электронно-дырочном переходе определяется не только диффузией, но и туннельным эффектом. Туннельный эффект состоит в том, что благодаря волновым свойствам электрона, имеется вероятность его перехода через потенциальный барьер перехода без потери электроном энергии. При отсутствии внешнего напряжения на переходе уровни Ферми областей и лежат на одной высоте. При повышении уровня прямого напряжения начинает появляться диффузионный ток. Однако при этом значительно сильнее проявляется другой эффект: незаполненные уровни валентной зоны -слоя располагаются на одной высоте с энергетическими уровнями электронов, находящихся в зоне проводимости -слоя. При этом существует вероятность того, что электрон перейдет из одной зоны в другую путем туннелирования. Возникновение туннельного эффекта можно объяснить незначительной толщиной перехода, а с другой стороны тем, что полностью заполненная зона проводимости находится на одинаковой высоте с незаполненной валентной зоной, а приложенное напряжение достаточно мало, так что диффузионным током еще можно пренебречь. При увеличении прямого напряжения обе зоны смещаются друг относительно друга, так что в итоге туннельный ток, достигнув максимального значения, начинает уменьшаться, а диффузионный ток возрастает. В тонком переходе имеют место два тока – туннельный и диффузионный. Максимум туннельного тока наблюдается при прямом напряжении на переходе порядка 100мВ.

Рис.4.12. Обоззначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика.

Вольтамперная характеристика туннельного диода, представленная на рис. 4.12, получается суммированием туннельного и диффузионного токов. На вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что позволяет создавать на туннельных диодах генераторы электрических колебаний сверхвысоких частот (до Гц). Мощность туннельного диода невелика и генерируемое напряжение соизмеримо с шириной запрещенной зоны.

Характерные точки вольтамперной характеристики:

– напряжение пика (0,06В для германия и 0,18 В для арсенида галлия);

– ток пика (1мА – 100 мА);

– напряжение впадины (0,3В для германия и 0,55В для арсенида галлия;

– ток впадины;

- 5 10 для германия и 10 15 для арсенида галлия;

В туннельном диоде отсутствует вентильный эффект. Если приложить к переходу обратное напряжение, то уровни электронов, находящихся в валентной зоне -слоя, совпадают со свободными уровнями зоны проводимости -слоя, что вызывает ток и в обратном направлении.

12

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами. Две крайние области полупроводникового кристалла однотипной проводимости разделены областью противоположной проводимости, как показано на рис. 4.13. Поскольку ток в полупроводниковых транзисторах обусловлен двумя типами носителей зарядов, то транзисторы называются биполярными. Биполярные транзисторы бывают типа и типа.

 

Рис.4.13. Структура и обозначение биполярных транзисторов

Средняя область транзистора называется базой. Левая на рисунке область транзистора называется эмиттер, правая - коллектор. Переход эмиттер-база называется эмиттерным переходом. Переход коллектор-база называется коллекторным переходом. Назначение эмиттера – инжекция (при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных носителей заряда) подвижных носителей заряда, а коллектора – их экстракция(граничные концентрации неосновных носителей уменьшаются по сравнению с равновесными концентрациями).

На каждый переход можно подать как прямое, так и обратное напряжение. В соответствии с этим различают четыре режима работы транзистора:

Режим отсечки. В этом режиме на оба перехода подано обратное напряжение.

Режим насыщения. В этом режиме на оба перехода подано прямое напряжение.

Активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное напряжение.

Инверсный активный режим. В этом режиме на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный – прямое напряжение.

Режим отсечки и насыщения характерен для транзисторов, работающих в ключевом режиме. В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении и ток через транзистор отсутствует. В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении и через транзистор проходит максимальный прямой ток. В режимах отсечки и насыщения работают транзисторы схем цифровой электроники.

Инверсный активный режим используется достаточно редко.

В активном режиме к эмиттерному переходу источник питания подключается в прямом направлении, а к коллекторному - в обратном, как показано на рис. 4.14. В активном режиме работают транзисторы усилителей электрических сигналов.

Рис. 4.14. Механизм возникновения токов в транзисторе

Рассмотрим работу биполярного транзистора в активном режиме. Под влиянием напряжения, приложенного к эмиттерному переходу, потенциальный барьер на эмиттерном переходе уменьшается и начинается диффузия дырок из эмиттера в область базы, а электронов из базы в область эмиттера, то есть через переход начинает протекать ток. Источник питания к коллекторному переходу подключается в обратном направлении и коллекторный переход смещен в обратном направлении. При этом создается ускоряющее электрическое поле для дырок, достигающих коллекторного перехода. В случае транзистора, как показано на рис. 4.14, из эмиттера будет инжектироваться большое количество дырок в базу, которые создают ток эмиттера. В результате инжекции дырок из эмиттера в базу их концентрация на границе эмиттерного перехода становится больше, чем в остальном объеме базы. Вследствие этого начинается их движение в область базы к границе коллекторного перехода. Будучи в базе неосновными носителями, дырки будут перемещаться в области базы за счет диффузии, рекомбинируя с электронами базы. Рекомбинация дырок в базе вызывает соответствующий приток электронов из внешней цепи источника питания в область базы для восполнения электронов, рекомбинировавших с дырками, который создает ток базы. Так как база тонкая, то большинство дырок не успевает рекомбинировать с электронами и достигает коллекторного перехода. Вблизи коллекторного перехода поток дырок попадает под действие ускоряющего электрического поля обратно смещенного коллекторного перехода, что вызывает быстрый дрейф дырок через коллекторный переход в область коллектора, где они становятся основными носителями заряда и легко доходят до коллекторного вывода. В месте контакта коллектора и вывода источника питания дырки рекомбинируют со свободными электронами и создают ток во внешней цепи. Часть дырок успевает рекомбинировать в области базы, поэтому не все дырки инжектируемые эмиттером, доходят до коллекторного перехода. Вследствие этого коллекторный ток всегда меньше тока на величину тока базы .

Движение носителей тока в транзисторе приводит к появлению токов во внешней цепи. Ток коллектора течет по цепи: плюс источника - источник - эмиттер - база- коллектор- минус источника . Ток базы течет по цепи: плюс источника - эмиттер – база – минус источника . Для уменьшения вероятности рекомбинации дырок в области базы, толщину базы делают немного меньше диффузионной длины пробега дырок. Для обеспечения односторонней инжекции, то есть максимального перехода дырок из эмиттера в область базы при минимальном переходе электронов из базы в эмиттер, концентрация дырок в эмиттере должна быть примерно в 100 раз больше концентрации электронов в базе. При этом эмиттер обладает меньшим удельным сопротивлением, чем база.

Токи в транзисторе связаны следующим соотношением:

. (4.25)

Доля носителей зарядов, инжектированных эмиттером в базу и достигших вследствие диффузии коллектора, оценивается статическим коэффициентом передачи эмиттерного тока:

, (4.26)

величина которого для современных транзисторов составляет примерно .

Другим параметром транзистора является статический коэффициент передачи базового тока:

. (4.27)

Связь между и дает следующее выражение:

. (4.28)

Поскольку , то .

При выяснении механизма протекания токов в транзисторе типа необходимо поменять полярности источников питания, подключаемых к эмиттеру и коллектору. При этом эмиттер будет инжектировать электроны.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: