При нагревании до температуры

полупроводник из примесного превращается в собственный, исчезает потенциальный барьер и p/n-переход теряет свои выпрямляющие свойства. В случае германия с шириной запрещенной зоны ~0, 67эВ , в случае кремния с шириной запрещенной зоны ~1, 12эВ .

При больших по абсолютному значению обратных напряжениях возможен электрический или тепловой пробой полупроводникового диода. Электрический пробой может происходить либо за счет лавинообразной ударной ионизации, когда неосновные носители в виде электронов, ускоренные в запорном слое до больших скоростей, при соударениях с нейтральными атомами ионизируют эти атомы с переходом выбитых из атомов электронов в зону проводимости, либо за счет туннельного перехода электронов из.валентной зоны в зону проводимости. Для наблюдения туннельного пробоя требуются поля E ~ 10⁷ – 10⁸ В/м при толщине запорного слоя d ~ 10^–8– 10^–7 м. Электрический пробой не приводит к разрушению p/n-перехода, поэтому после уменьшения обратного напряжения восстанавливается обычная вольт-амперная характеристика.

Тепловой пробой обусловлен генерацией носителей тока в p/n-переходе за счет теплового возбуждения и сопровождается разрушением материала. Для того, чтобы избежать теплового пробоя за счет выделения джоулевой теплоты, последовательно с полупроводниковым диодом включается резистор, ограничивающий величину протекающего тока и, соответственно, тепловыделение на p/n-переходе.

Поскольку электрический ток широко используются для передачи и обработки информации, разработка усилителей и генераторов электрических сигналов имеет очень большое практическое значение. Полупроводниковые транзисторы, позволившие решать эту задачу и создать современную элементную базу для микроэлектроники, были изобретены в 1948г. Дж.Бардином, У. Браттейном и У. Шокли, которые за это открытие получили в 1956г. Нобелевскую премию в области физики.

Транзистор представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя p/n-переходами, где области с разными типами проводимости чередуются в виде pnp или npn. Благодаря этому один переход работает в пропускном режиме, а другой в запорном. Рассмотрим транзистор типа npn, включенный по схеме с общей базой (рис. 8.6.) Левый полупроводник с электронной проводимостью называется эмиттером, центральный полупроводник с дырочной проводимостью – базой и левый полупроводник с электронной проводимостью – коллектором.

Рис.8.6

Входной сигнал в виде переменного напряжения , подается в цепь эмиттера, куда входит источник постоянной ЭДС и p/n-переход, работающий в пропускном режиме. Напряжение на p/n-переходе

(8.18)

где , в соответствии с ВАХ на рис. 8.5 для V > 0 определяет ток в эмитерной цепи (рис. 8.7). Величина задает рабочую точку А на ВАХ и постоянную составляющую протекающего тока.

Благодаря большой крутизне ВАХ в области малые изменения входного напряжения приводят к большим колебаниям тока около постоянного значения тока , определяемого ЭДС источника постоянного напряжения. Большая амплитуда колебаний тока обусловлена главным образом сильной зависимостью сопротивления p/n-перехода от подаваемого на него напряжения .

Рис. 8.7

При работе транзистора основные носители тока эмиттера (электроны) инжектируются в базу, где становятся неосновными носителями с временем жизни, которое определяется процессом рекомбинации электронов и дырок (переходом электрона из зоны проводимости в валентную зону, когда прекращают свое существование сразу два носителя тока – электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне). При малой ширине базы электроны за время своей жизни успевают дойти до второго p/n-перехода и пройти в область коллектора.

Согласно закону Ома для коллекторной цепи

,

(8.19)

где – ток в коллекторной цепи, – сопротивление p/n-перехода база – коллектор, R_Н – сопротивление нагрузки. Соотношения между напряжениями и V_БК., а также ЭДС источника находятся с помощью ВАХ на рис.8.5 для V < 0. Ток электронов, инжектированных в коллектор, определяет величину тока насыщения I_s второго p/n-перехода в запорном режиме (рис.8.8).

Рис. 8.8

В этом случае изменения напряжения на нагрузочном сопротивлении R_Н также определяются не только изменением тока I_К=I_э, но и изменениями сопротивления p/n-перехода БК, которое управляется с помощью напряжения V_БК..

Малые изменения входного напряжения в силу экспоненциальной зависимости тока через p/n-переход, работающий в пропускном режиме, приводят к большим изменениям тока (см. формулу (8.14) и ВАХ на рис.8.5). Эти изменения тока через базу и второй p/n-переход передаются на достаточно большое сопротивление R_Н нагрузки, что и обуславливает значительный коэффициент усиления по напряжению. Коэффициент усиления по напряжению K_V для схемы с общей базой определяется выражением

,

(8.20)

где Т – температура транзистора, (для Т=300К).

Усиление сигнала по мощности обеспечивает источник постоянной ЭДС в коллекторной цепи. В силу приближенного равенства

(8.21)

коэффициент усиления по току равен 1, а коэффициент усиления по мощности

.

(8.22)

Для обеспечения равенства (8.21) используется база, ширина которой много меньше диффузионной длины электронов в области базы.

Рассмотрим подробнее механизм усиления переменного сигнала источником постоянной ЭДС. Ток в цепи коллектора

(8.23)

состоит из постоянной компоненты I_A и переменной компоненты I₁(t). Соответственно напряжения на сопротивлении нагрузки

(8.24)

и на p/n-переходе БК

(8.25)

также имеют как постоянные V_H0 и V_БК0, так и переменные V_H1(t) и V_БК1(t) составляющие.

Из (8.19), (8.23), (8.24), и (8.25) следует, что усредненная по времени электрическая мощность в коллекторной цепи удовлетворяет уравнению

.

(8.26)

Поскольку колебания тока и напряжения на сопротивлении нагрузки происходят в фазе, а на p/n - переходе БК – в противофазе, то

, .

(8.27)

Подставляя формулы (8.27) в (8.26), получим

(8.28)

Таким образом, усиление мощности переменного выходного сигнала объясняется перераспределением средней мощности переменной компоненты тока между p/n - переходом БК и нагрузочным сопротивлением за счет изменения сопротивления p/n – перехода БК с помощью инжекционного тока.

При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной сигнал подается на базовую цепь, а выходной сигнал снимается с нагрузочного сопротивления в коллекторной цепи. В этом случае входной сигнал одновременно усиливается как по напряжению, так и по току, поэтому коэффициент усиления по мощности может достигать величин порядка нескольких десятков тысяч.

Традиционные полупроводниковые элементы изготавливаются на основе одного монокристалла постоянного химического состава, что обеспечивает одинаковую ширину запрещенной зоны во всех сечениях кристалла. В гетероструктурах химический состав кристаллической решетки меняется по длине кристалла, причем геометрическое строение самой кристаллической решетки остается неизменной. Гетероструктуры получаются, например, на основе твердого раствора , где часть атомов Ga кристаллической решетке GaAs заменена атомами Al. Ширина запрещенной зоны в таком твердом растворе растет с увеличением доли x атомов Al. Совместимость полупроводников GaAs и AlAs обеспечивается весьма точным равенством их пространственных периодов d₁=5, 63Ǻ (AlAs) и d₁=5, 653Ǻ (GaAs) их кристаллических решеток. Если пространственные периоды существенно отличаются, то возникают многочисленные дефекты новой кристаллической структуры, которые не позволяют ее использовать в микроэлектронике. Гетероструктуры дают возможность варьировать не только концентрацию и тип носителей тока, но также эффективную массу и подвижность носителей тока, энергетический спектр кристалла, включая ширину его запрещенной зоны. Самым значительным достижением в этом направлении стало создание полупроводниковых лазеров на основе двойных гетероструктур, имеющих очень низкий ток возбуждения, большой срок службы и работающих при комнатной температуре. Это привело к бурному развитию волоконно-оптических линий связи.

В настоящее время современные технологии, позволяют создавать полупроводниковые элементы с минимальными линейными размерами 0, 1мкм, работа которых описывается исключительно законами квантовой механики. Это направление относится к нанотехнологии, где функциональные узлы фактически собираются из отдельных атомов и молекул. В марте 2006г. появилось сообщение о создании диода, состоящего всего из 40 атомов, объединенных в одну молекулу. Новая технология позволит уменьшить емкость транзисторов, которая во многом определяет их быстродействие. Нанося последовательно слой за слоем из разных атомов и регулируя должным образом химический состав и толщину каждого слоя, можно получить структуру с любой энергетической диаграммой. Набор таких сверхтонких слоев (толщиной до 10нм), число которых достигает нескольких тысяч, называется сверхрешеткой. Например, комбинируя в слоях сверхрешетки атомы С, Si и О, можно создать такую же энергетическую зонную структуру, как у кристалла золота. При этом цвет, блеск, химическая пассивность будут такими же, как у золота.

 

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: