Тема 7-00. Элементы теории электронных полупроводниковых приборов

Тема 7-00. Элементы теории электронных полупроводниковых приборов

К полупроводникам относят многие химические элементы (кремний, германий, индий, бор, галлий и др.), большинство окислов и сульфидов (закись меди, окись цинка, сульфид галлия и др.), интерметаллические соединения (арсенид галлия, карбид кремния и др.)

Удельное электрическое сопротивление полупроводников лежит в широких пределах от 10^-5 до 10^-6 Ом*м. Для сравнения, например металлы при комнатной температуре имеют удельное сопротивление10^-7 Ом*м, а диэлектрики 10¹²/10¹⁴ Ом*м. Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при увеличении температуры.

Проводимость полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.

Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электронов.

В результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.

Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами мало, заметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.

Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис.7-1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.

Рис.7 -1Образование энергетических зон

С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.

Ширина запрещенной зоны DW называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при DW£ 2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – DW> 2эВ диэлектриком. Определить вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне при данной абсолютной температуре можно с помощью функции Ферми:

(12.1)

Функция (12.1) определяет вероятность нахождения электронов на том или ином энергетическом уровне. В уравнении (1) W- энергия данного уровня; k- постоянная Больцмана; T-абсолютная температура; -параметр, называемый уровнем Ферми. Уровень Ферми – это последний заполненный электронами уровень при Т=0⁰К. Из (1) видно, что если:

1) Т=0⁰К, W< , то F(W)=1; 2) Т=0⁰К, W< , то F(W)=0; 3) T> 0 ⁰К, W= , то F(W)=0, 5.

Электроны с верхних уровней энергии валентной зоны при получении энергии извне (тепловой, световой и др.) могут переходить на уровни энергии зоны проводимости.

При уходе электрона в валентной зоне остаются свободные (вакантные) места, называемые дырками. Дырки так же, как и электроны способны «перемещаться» в кристалле, так как появившиеся свободные места могут быть заняты электронами, энергия которых лежит ниже энергии ушедших из валентной зоны электронов и на их месте также появляются дырки.

Пробой р–п перехода.

Рис. 7-8 Виды пробоя p-n перехода

Если обратное напряжение р–п перехода увеличить сверх определенной величины, наступает пробой р–п перехода. При этом будет резкое увеличение величины обратного тока.

Пробой делят на два вида: тепловой и электрический. Тепловой пробой (рис.1-8, кривая I) приводит к разрушению р–n перехода.

При электрическом пробое р–п переход может сохранить свою работоспособность. При этом различают пробой лавинный (рис.7-8, кривая 2) и туннельный (рис. 7-8, кривая 3). Свойства р–п перехода в условиях лавинного и туннельного пробоя используют при создании туннельных диодов.

Лавинный пробой наблюдается в широких р–п переходах. Он возникает вследствие того, что под действием электрического поля большой величины носители заряда приобретают энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом решетки полупроводника выбить из ковалентной связи электроны, вследствие чего возникает пара свободных носителей электрон–дырка. В свою очередь эти носители также выбивают электроны и т.д. Этот процесс ударной ионизации атомов кристаллической решетки протекает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию тока через р–п переход.

Туннельный пробой наблюдается при больших напряженностях поля в узких р–п переходах. В них наблюдается туннельный эффект, который состоит в том, что электроны через узкий р–п перехода проходят в смежную область без затраты энергии, «туннелируют».

 

Параметры диодов.

Выпрямительные диоды

Условное обозначение выпрямительных диодов в схемах

В выпрямительных диодах используется свойство односторонней проводимости p-n перехода. Такие диоды применяются в качестве вентилей, которые пропускают переменный ток только в одном направлении. Принцип работы таких приборов может быть рассмотрен в отдельной главе «Источники вторичного питания».

Схема замещения выпрямительного диода представлена на рисунке 7-9.

Рис. 7-9 Схема замещения выпрямительного диода

Включенное в схему сопротивление “r” определяет учет утечки электрического тока, электроемкость С учитывает диффузионную и барьерную электроемкость p-n перехода, i – управляемый источник электрического тока, который моделирует ВАХ p-n перехода.

 

СТАБИЛИТРОН.

Такой полупроводниковый прибор, который работает в режиме электрического пробоя p-n перехода. Условное графическое обозначение стабилитрона в схемах

Обратная ветвь ВАХ (рис. 7-7) имеет значительный излом, который характеризуется резким ростом электрического тока. При резком возрастании тока наблюдается соответствующее напряжение стабилизации, которое может охватить диапазон 4÷ 180 В. Эффект стабилизации состоит в том, что резкое возрастание электрического тока вызывает незначительное изменение напряжения, которое практически незаметно.

ВАРИКАП

Этот полупроводниковый прибор предназначен для работы в качестве конденсатора переменной емкости. Условное графическое обозначение варикапа в схемах

Работа варикапа в режиме конденсатора объясняется следующим образом. Если подать на варикап обратное напряжение, то барьерная электроемкость варикапа уменьшается при увеличении напряжения и наоборот. Варикапы используются для электрической настройки колебательных контуров.

 

Туннельные диоды.

Благодаря своей своеобразной ВАХ, туннельные диоды используют в качестве быстродействующих переключающих устройств, для усиления и генерирования электрических сигналов

Условное обозначение туннельных диодов в схемах

Эти диоды изготовляются на основе вырожденного полупроводника, т.е. из такого материала, содержание примесей в котором очень велико. Вследствие высокой концентрации примесей удельные сопротивления областей р–и n типа очень малы, а ширина р–n перехода составляет примерно 0, 02 мкм, что в сто раз меньше, чем в других полупроводниковых диодах. Напряженность электрического поля в таких р–n переходах достигает огромной величины – до 10⁶ В/см.

На вольтамперной характеристике туннельного диода наблюдают следующие участки:

1. Рост электрического тока до максимального значения (точка «а»);

2. Снижение электрического тока до минимального значения (точка «В»);

3. Рост электрического тока от точки минимального значения (до уровня точка «а»).

Рис.7-9 Вольтамперная характеристика туннельного диода

Из рисунка 7-9 видно, что на участке «ав» рост напряжения соответствует «отрицательному приращению» электрического тока. В этом случае говорят об «отрицательном» сопротивлении (-R) или «отрицательном значении дифференциальной проводимости ( ).

Схема замещения туннельного диода на участке отрицательного сопротивления для малого сигнала представлена на рисунке 7-10.

Рис. 7-10. Схема замещения туннельного диода

В этой схеме С – общая электроемкость туннельного диода в точке «В»; -R – отрицательное сопротивление; r – сопротивление потерь; L – индуктивность выходов.

 

Диод Шотки.

Условное обозначение

Диод Шотки выполнен на основе контакта металл-полупроводник и при этом работа выхода электронов в металле больше работы выхода электронов в полупроводнике. При идеальном контакте металла и полупроводника происходит диффузия электронов из полупроводника и металл заряжается отрицательно, и при этом в приконтактной области полупроводника образуется слой, который обеднен основными носителями заряда и заряжен положительными ионами доноров. В результате возникает электрическое поле, напряженность которого направлена в сторону к металлу. Возникшее электрическое поле не дает возможности движению электронов в металл и возникает потенциальный барьер.

При прямом включения источника напряжения диода Шотки, потенциальный барьер снижается и электроны переходят в металл. При обратном включении – высота потенциального барьера повышается и этот барьер могут преодолеть только дырки, которые создают обратный ток. Концентрация дырок мала и обратный ток очень незначительный.

Таким образом, в диоде Шотки создается также, как и в обычном p-n переходе, запирающий слой, который обладает выпрямляющими свойствами. Кроме того, этот слой является неинжектирующим (инжекция – впрыскивание) и имеет незначительную барьерную электроемкость.

Также свойства позволяют создавать на основе диода Шотки полупроводниковые приборы с идеальными характеристиками.

 

Биполярные транзисторы

Б иполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя областями чередующегося типа электрической проводимости, разделенными двумя взаимодействующими р–п переходами, способный усиливать мощность.

Конструктивно–сплавной биполярный транзистор представляет собой пластинку монокристалла полупроводника проводимостью p или n – типа, по обеим сторонам которой наплавлены полупроводники, образующие с данным полупроводником иной тип проводимости.

На рис.7-11 показана конструкция транзистора, в которой в пластинку германия n–типа вплавлены по обеим сторонам шарики индия, образующие с германием проводимость p–типа.

 

Рис. 7-11. Реальная структура сплавного транзистора p-n-p

На рис.7-12 показана упрощенная плоскостная структура транзистора.

 

а) б)

Рис.7-12. Упрощённая структура транзистора p-n-p (а) и n-p-n (б)

Э-эмиттер, Б-база, К-коллектор

Крайние области транзистора называют эмиттером и коллектором, среднюю – базой, р–п переходы соответственно называют эмиттерным и коллекторным. Если эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью (области р), а база – электронной проводимостью (область п), структура транзистора р–п–р. Если проводимости областей транзистора противоположна названным, его структура п–р–п.

Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков и основан на использовании свойств р–п переходов.

Условное обозначение транзисторов в схемах полярности напряжений в активном (усилительном) режиме работы и направления токов показаны на рис.7-13

Рис. 7-13. Условное обозначение транзисторов структур р–п–р (а) и п–р–п (б), полярности напряжений в активном режиме работы и направления токов.

Различают 3 схемы включения транзисторов в зависимости от того, какой вывод транзистора принимается общим для его входной и выходной цепей (см. рис.7-14):

1) с общей базой (ОБ),

2) с общим эмиттером (ОЭ)

3) с общим коллектором (ОК)

Рис.7-14. Схемы включения транзисторов:

а) с общей базой. б) с общим эмиттером. в) с общим коллектором

.Транзисторы в схемах могут работать в различных режимах: активном (усилительном), насыщения и отсечки. Последние два режима называют ключевыми.

Рассмотрим принцип работы транзистора структуры р–п–р на примере схемы с общей базой. Обычно для исследования работы транзистора используют условную плоскостную схему (рис.7-15).

Рис.7-15 Направления токов в транзисторе

Для работы транзистора в активном режиме на его эмиттерный переход подается небольшое по величине напряжение в прямом направлении, а на коллекторный переход – значительно большее по величине (примерно, на порядок) напряжение в обратном направлении. При подаче напряжения на эмиттерный переход в прямом направлении понижается высота его потенциального барьера, поэтому дырки вследствие разности концентрации их в эмиттере и базе (т.е. вследствие диффузии) инжектируются (впрыскиваются) в область базы, образуя дырочный ток эмиттера Iэр.

Одновременно из области базы в результате диффузии в области эмиттера переходят электроны базы, образуя в эмиттере электронный ток Iэп.

Итак, ток эмиттера равен:

Iэ=Iэр+Iэn (12.13)

Ток Iэn не участвует в создании коллекторного (выходного) тока транзистора и только нагревает эмиттерный переход, поэтому его величину уменьшают. Для этого базу насыщают донорной примесью незначительно. Из–за малой величины тока Iэn им часто пренебрегают.

Инжектированные в область базы дырки у эмиттерного перехода имеют значительную концентрацию и за счет диффузии перемещаются в сторону коллекторного р–п перехода. Так как поле коллекторного перехода для дырок является ускоряющим, происходит экстракция (всасывание) дырок в область коллектора. Поскольку их концентрация около коллекторного перехода выше, чем в остальной части коллектора, за счет диффузии дырки перемещаются в сторону омического контакта, где рекомбинируют с электронами, поступающими от источника Екб. Таким образом, дырки от эмиттера через базу попадают в коллектор, образуя дырочную составляющую тока Iкр в области коллектора. Токи Iэр и Iкр по величине не равны, так как часть дырок эмиттера, попавших в область базы, не доходит до коллекторного перехода, рекомбинируя с электронами базы, в результате чего исчезают и дырка и электрон. В базе вследствие этого процесса протекает составляющая тока базы, называемая током рекомбинации Iбрэк.

Вместе с основными носителями заряда через эмиттерный и коллекторный переходы движутся не основные носители, образующие дрейфовую составляющую тока в каждой из областей транзистора.

Влияние на свойства транзистора оказывает дрейфовый ток, образованный перемещением не основных носителей через коллекторный переход: дырок, из области базы и электронов из области коллектора. Этот ток называют обратным током коллекторного перехода Iко.

Так как он образуется в результате генерации пар носителей дырка–электрон при повышении температуры сверх К, его называют тепловым током. С повышением температуры он растет по экспоненциальному закону. В германиевых транзисторах при повышении температуры на каждые К Iко возрастает в 2 раза, в кремниевых – в 2, 5 раза.

Величина Iко не зависит от величины потенциального барьера р–п перехода, так как поле р–п перехода для не основных носителей является ускоряющим, она зависит от температуры транзистора, т.е. Iко является неуправляемым током.

Таким образом, можно записать значения токов, протекающих в отдельных областях транзистора в схеме ОБ.

Ток эмиттера был определен выше:

Iэ=Iэр+Iэп»Iэр (12.14)

Ток базы

Iб=Iэn–Iбрэк–Iко (12.15)

Ток коллектора

Iк=Iкр+Iко.(12.16)

Из уравнений (14), (15), (16) можно установить

Iэ=Iб+Iк, (12. 16)

что соответствует 1–му закону Кирхгофа.

Токи Iк и Iб содержат составляющую Iко, следовательно, их величина, как и Iко, изменяется с изменением температуры. Для того, чтобы поддерживать величины этих токов на определенном уровне вне зависимости от температуры, схемы, в которых работает транзистор, стабилизируют.

Итак, через транзистор течет сквозной дырочный ток от эмиттера через базу в коллектор, а в выводах транзистора – электронный ток.

Напомним, что за положительное направление тока принимают направление движения положительных зарядов (дырок), т.е. направление, противоположное направлению движения электронов (см. рис.7-15).

Током коллектора можно управлять. Для изменения его величины следует изменять величину напряжения источника питания Еэ. С увеличением Еэ уменьшается высота потенциального барьера эмиттерного перехода и увеличивается ток Iэ, а, следовательно, и ток Iк. Таким образом, ток эмиттера является управляющим током, а ток коллектора – управляемым. Поэтому транзистор часто называют прибором, управляемым током.

Оптоэлектроника.

Оптоэлектроника это раздел электроники, изучающий преобразование оптических сигналов в электрические и наоборот. Оптоэлектроника используется в системах передачи, обработки и хранения информации. Передача информации в оптоэлектронных приборах осуществляется световыми фотонами с энергией

……………………………………….(12.38)

где, h=6, 6^× 10^-34 Дж∙ ^.с – постоянная Планка; - частота.

Передача, обработка и хранение информации с помощью оптоэлектронных элементов обеспечивает ряд преимуществ:

а) Высокую ёмкость оптических каналов передачи информации;

б) Большую плотность записи;

в) Высокую помехозащищённость каналов связи (световая волна не реагирует на действие электромагнитных полей)

г) Большую возможность микроминиатюризации компонентов связи.

Светодиод.

Светодиоды – это такие приборы, которые имеют один p-n переход, преобразующий электрическую энергию в энергию некогерентной световой волны. Это явление происходит при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода и результатом этого явления получают излучение фотонов. Условное графическое изображение светодиода.

Фотодиод. Фотодиоды – это приборы, в которых видимое оптическое излучение воздействует на p-n переход и за счёт внутреннего фотоэффекта происходит разделение пар и образуется гальванический элемент. Условное графическое изображение фотодиода:

Фоторезистор. Фоторезисторы – это приборы, электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от падающей на него интенсивности и спектрального состава светового луча. Поток фотонов вызывает появление пар электрон-дырка, которые уменьшают сопротивление резистора. Явление уменьшения сопротивления резисторов под воздействием света называют внутренним фотоэффектом. Условное графическое изображение фоторезистора:

Фототранзистор. Фототранзисторы – это биполярные транзисторы, в которых при попадании света на базу транзистор открывается. условное графическое изображение фототранзисторов структуры n-p-n.

При включении фототранзисторов по схеме с ОЭ базовый фототок увеличивается в - раз ( =50÷ 200). Это говорит о том, что фоточувствительность прибора очень высока.

Оптроны. Оптроны – это приборы, состоящие из источника и приёмника светового излучения, которые помещены в один корпус.

Различают следующие оптроны (оптопары):

· Резисторная оптопара

· Диодная оптопара

· Транзисторная оптопара

Рассмотрим простейшую схему усилителя на диодной оптопаре (рис. 7-37).

Рис. 7-37. Схема усилителя на диодной оптопаре.

В рассматриваемой схеме находится транзистор VT, с которого можно снимать усиленный сигнал. Uвх подаётся на светодиод и световая энергия от него попадает на вход фотодиода, который преобразует световую энергию в электрическую, которая снимается с Uвых.

 

Тема 7-00. Элементы теории электронных полупроводниковых приборов

К полупроводникам относят многие химические элементы (кремний, германий, индий, бор, галлий и др.), большинство окислов и сульфидов (закись меди, окись цинка, сульфид галлия и др.), интерметаллические соединения (арсенид галлия, карбид кремния и др.)

Удельное электрическое сопротивление полупроводников лежит в широких пределах от 10^-5 до 10^-6 Ом*м. Для сравнения, например металлы при комнатной температуре имеют удельное сопротивление10^-7 Ом*м, а диэлектрики 10¹²/10¹⁴ Ом*м. Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при увеличении температуры.

Проводимость полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо объясняются с помощью зонной теории твердого тела. Согласно квантовой механике энергия электрона дискретна (прерывиста) или квантована. Вследствие этого электрон может двигаться только по той орбите, которая соответствует его энергии. Значение энергии электрона называют энергетическим уровнем.

Энергетические уровни электронов отделены друг от друга запрещенными интервалами. На одинаковых уровнях по принципу запрета Паули не может находиться более двух электронов.

В результате воздействия на электрон не только ядра своего атома, но и соседних атомов, энергетические уровни смещаются и расщепляются и образуются энергетические зоны, называемые разрешенными.

Расщепление в кристалле уровней, занятых внутренними электронами мало, заметно расщепляются лишь уровни, занимаемые валентными электронами.

Для полупроводников наиболее важной является валентная зона, образованная уровнями энергии валентных электронов невозбужденных атомов (т.е. при отсутствии внешней энергии) и ближайшая к ней разрешенная зона (см. рис.7-1). Разрешенная зона, в которой при возбуждении могут находиться электроны, называется зоной проводимости, или свободной зоной.

Рис.7 -1Образование энергетических зон

С точки зрения зонной теории твердого тела деление твердых тел на металлы, полупроводники и диэлектрики производят, исходя из ширины запрещенной зоны и степени заполнения разрешенных энергетических зон.

Ширина запрещенной зоны DW называется энергией активизации собственной проводимости. Считают, что при DW£ 2эВ (электрон–вольт) кристалл является полупроводником, при – DW> 2эВ диэлектриком. Определить вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне при данной абсолютной температуре можно с помощью функции Ферми:

(12.1)

Функция (12.1) определяет вероятность нахождения электронов на том или ином энергетическом уровне. В уравнении (1) W- энергия данного уровня; k- постоянная Больцмана; T-абсолютная температура; -параметр, называемый уровнем Ферми. Уровень Ферми – это последний заполненный электронами уровень при Т=0⁰К. Из (1) видно, что если:

1) Т=0⁰К, W< , то F(W)=1; 2) Т=0⁰К, W< , то F(W)=0; 3) T> 0 ⁰К, W= , то F(W)=0, 5.

Электроны с верхних уровней энергии валентной зоны при получении энергии извне (тепловой, световой и др.) могут переходить на уровни энергии зоны проводимости.

При уходе электрона в валентной зоне остаются свободные (вакантные) места, называемые дырками. Дырки так же, как и электроны способны «перемещаться» в кристалле, так как появившиеся свободные места могут быть заняты электронами, энергия которых лежит ниже энергии ушедших из валентной зоны электронов и на их месте также появляются дырки.

12345Следующая ⇒

Поделиться: