Физические основы электроники и полупроводниковые приборы

К полупроводниковым приборам можно отнести:

- выпрямительные диоды

- ВЧ- и СВЧ-диоды

- стабилитроны или опорные диоды

- туннельные диоды

- варикапы

- тиристоры

- биполярные и полевые транзисторы и др.

В качестве веществ, используемых для изготовления полупроводниковых приборов, широко используются германий Ge, кремний Si (элементы четвертой группы таблицы Менделеева) и арсенид галлия GaAs. Они имеют кристаллическую решетку алмазного типа: каждый атом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра. Каждый атом на наружной оболочке имеет четыре валентных электрона и образует четыре ковалентных связи с четырьмя ближайшими от него атомами. В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет восемь электронов и становится полностью заполненной.

1.2. Электропроводность полупроводников

Э лектропроводность полупроводников определяется направленным движением электронов под действием внешнего электрического поля. Существенные отличия электропроводности полупроводников от проводников и диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм, показанных на рисунке. Здесь 1 зона проводимости, 2 — валентная зона, 3 — запрещенная зона, ΔW – ширина запрещенной зоны, потенциальный барьер, который электрон должен преодолеть, чтобы перейти в зону проводимости.

У проводников запрещенная зона отсутствует, зона проводимости и валентная зона частично перекрываются. При этом образуется свободная зона, имеющая свободные энергетические уровни. Электроны заполненных валентных уровней могут легко переходить на близлежащие свободные энергетические уровни. Это определяет возможность их перемещения под действием внешнего электрического поля и хорошую электропроводность металлов.

В полупроводниках валентная зона и зона проводимости разделены неширокой запрещенной зоной (ΔW = 0,67эВ для Ge; 1,12 эВ для Si; 1,41 эВ для GaAs). Под действием внешнего электрического поля, теплового, светового и другого излучений возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные энергетические уровни, а в зоне проводимости появляются свободные электроны, называемые электронами проводимости. На месте разрыва связи появляется дырка, которая имеет ту же величину заряда, что и электрон, но с противоположным знаком.

Этот процесс называют генерацией пар носителей, а не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне — дыркой. Электроны могут перемещаться в зоне проводимости, переходя на ближайшие свободные энергетические уровни, а дырки — в валентной зоне. Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда «электрон — дырка», называют собственной электропроводностью. Возвращение возбужденных электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате которого, пара носителей заряда «электрон — дырка» исчезает, называют рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выделением кванта энергии в виде фотона.

1.3. Прмесные полупроводники

В реальных полупроводниковых приборах используют примесные полупроводники. Если в полупроводник в качестве примеси ввести 5-ти валентный элемент, то данный полупроводник будет полупроводником с электронной проводимостью или n-типа, а примесь называется донорной примесью. При этом концентрация электронов N_n будет много больше концентрации дырок N_p, т.е. N_n N_p. Таким образом электроны будут являться основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Если в полупроводник в качестве примеси ввести 3-х валентныый элемент, то в валентной зоне появятся свободные дырки. В этом случае концентрация дырок будет много больше концентрации электронов N_p N_n — это полупроводник с дырочной проводимостью или р-типа, а примесь называется акцепторной. Здесь основными носителями заряда являются дырки.

1.4. Электронно-дырочный переход

Э лектронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. При контакте двух полупроводников с различным типом проводимости в результате диффузии электроны переходят в р-слой, а дырки наоборот в n-слой. На границе контакта двух полупроводников в результате рекомбинации образуется область неподвижных пространственных зарядов (ионов), которые создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу основных носителей заряда. р-n-переход это область обедненная носителями заряда и, следовательно, она имеет повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.

На практике широко используется метод получения p-n перехода путем введения в примесный полупроводник примеси с противоположным типом проводимости, например с помощью диффузии, или эпитаксии.

Электронно-дырочные переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов (в диодах и полевых транзисторах используются по одному p-n переходу, в биполярных транзисторах - два p-n перехода, в тиристорах - три p-n перехода). Поэтому очень важным является понимание физических явлений и электрических свойств p-n перехода. Свойства р-n-перехода зависят от частоты напряжения, приложенного к р-n-переходу.

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого Rд изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Из вольтамперной характеристики p-n перехода очевидно, что он хорошо проводит в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. обладает вентильными свойствами. Вольтамперная характеристика – нелинейна, это означает, что сопротивление p-n перехода не постоянно.

На обратной ветви вольтамперной пунктиром показано резкое увеличение тока, т.е. происходит пробой р-n-перехода.

Электрический пробой – это обратимый пробой, который используется для получения специальных приборов – стабилитронов. К электрическому пробою относятся – туннельный, лавинный и поверхностный.

Туннельный пробой – это когда при увеличении обратного напряжения U_обр происходит резкое искривление энергетических зон. При этом уровень валентной зоны полупроводника n-типа оказывается на уровне зоны проводимости полупроводника р-типа, т.е. появляется туннель для зарядов, что приводит к резкому увеличению тока.

Лавинный пробой возникает при больших напряжениях р-n-перехода, чем туннельный пробой, в результате чего в р-n-переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что также приводит к резкому увеличению тока.

Тепловой пробой – необратим.

1.5. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами (двухполюсный элемент), содержащий один p-n переход. На практике широко используются германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые полупроводниковые диоды. Данные об основных типах, обозначениях и основные характеристики полупроводниковых диодов приведены в табл. 1.1.

Полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными лампами: небольшие габаритные размеры, малую массу, высокий коэффициент полезного действия, отсутствие накаливаемого источника электронов, большой срок службы, высокую надежность. В основу системы обозначений полупроводниковых диодов положен буквенно-цифровой код.

Важное свойство полупроводниковых диодов — односторонняя проводимость — широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов. Изменение барьерной емкости p-n перехода под действием обратного напряжения используется в приборах, получивших название варикапы. Явление обратимого электрического пробоя p-n перехода используется в приборах для стабилизации напряжения. Эти приборы называются стабилитронами.

1.6. Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы ‒ электропреобразовательный прибор с двумя и более p-n-переходами. Различают транзисторы двух типов n-p-n-типа и p-n-p-типа.

Э миттер – это область с очень высокой концентрацией носителей заряда. Средняя область – база – другого типа проводимости, концентрация носителей в ней много меньше, чем концентрация в эмиттере, т.е. как и в диодах база высокоомна.

Коллектор осуществляет экстракцию носителей из базы под действием внешнего напряжения. Концентрация носителей в коллекторе велика, но чуть ниже чем в эмиттере.

Если к транзистору приложить напряжение к эмиттерному переходу в прямом в прямом направлении, а к коллекторному переходу в обратном направлении, причем Е_кЕ_э, то тогда эмиттерный переход становится уже, его сопротивление уменьшается и начинается инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.

Т.к. база высокоомна, то можно считать, что дырки в эмиттер не переходят, поскольку они еще в базе рекомбинируют с электронами. Рекомбинация дает ток базы, который не велик, т.к. концентрация дырок в базе мала.

Коллекторный переход закрыт для основных носителей заряда, но поскольку электроны в базе являются неосновными носителями, то они под действием коллекторного напряжения Е_к переходят в коллектор и создают во внешней цепи ток I_к – ток кллектора.

Одну из крайних областей транзисторной структуры создают с повышенной концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и называют эмиттером. Среднюю область называют базой, а другую крайнюю область — коллектором. Два перехода БТ называются эмиттерным и коллекторным.

БТ может работать в следующих режимах:

отсечки, когда оба перехода находятся под действием обратных напряжений;

насыщения, когда оба перехода находятся под действием прямых напряжений;

инверсном режиме, когда к эмиттерному переходу приложено запирающее напряжение, а к коллекторному переходу —отпирающее. Последний режим часто встречается при работе БТ в качестве ключа разнополярных-электрических сигналов

активный ‒ этом случае к эмиттерному переходу для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение, а к коллекторному переходу, работающему в режиме экстракции, — обратное напряжение.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения со входной и выходной цепями, различают три способа включения транзистора: с общей базой; общим эмиттером и общим коллектором. Электрические параметры и характеристики БТ существенно различаются при разных схемах включения. На практике БТ широко используются в качестве усилительных приборов.

1.7. Полевые транзисторы

П ринцип действия полевых транзисторов (ПТ) основан на управлении выходным током под действием электрического поля, которое, воздействуя на носители заряда, будет управлять проводимостью. Регулирование сопротивления токопроводящего канала поперечным электрическим полем, создаваемым приложенным к затвору напряжением. В транзисторе используется один тип основных носителей – электроны или дырки. Элементы полевого транзистора

• исток (source) — электрод, из которого в канал входят основные носители заряда;

• сток (drain) — электрод, через который из канала уходят основные носители заряда;

• затвор (gate) — электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала.

Принцип работы полевого транзистора. При подаче напряжения на затвор между затвором и каналом появляется пространство, через которое протекает ток. Ширина этого канала регулируется напряжением, которое подаётся на затвор. Соответственно, можно увеличивать и уменьшать ширину канала и управлять протекающим током.

Таблица Обозначения полевых транзисторов на электрических схемах

Статические характеристики ПТ.

В качестве статических характеристик ПТ представляются функциональные зависимости между токами и напряжениями, прикладываемыми к их электродам: входная характеристика I₃=f(U_зи) при U_си=const; характеристика обратной передачи I₃=f(U_си) при U_зи=const; характеристика прямой передачи I_с=f(U_зи) при U_си = const; выходная характеристика I_с = f(U_си) при U_зи = const.

На практике широко используются лишь две поcледние характеристики, причем первую из них часто называют характеристикой передачи.

Входная характеристика и характеристика обратной передачи используются редко, так как в абсолютном большинстве случаев применения входные токи ПТ (10-8...10-12 А) пренебрежительно малы по сравнению с токами, протекающими через элементы, подключенные к их входам.

Основные параметры, интересующие разработчиков электронной аппаратуры, могут быть получены из семейства выходных (стоковых) характеристик. Поэтому они заслуживают подробного рассмотрения.

С токовые характеристики ПТ разных структур и типов приведены на рисунке. Условно их можно разбить на четыре области: крутую, пологую, пробоя и возникновения прямых токов затвора. В крутой области наблюдается резко выраженная зависимость тока стока I_с от напряжений сток — исток U_си и затвор — исток U_зи. Здесь транзистор ведет себя как сопротивление, управляемое напряжением U_зи. Пологая область отделена от крутой геометрическим местом точек (кривая ОА на рисунке), для которых выполняется условие: U_си = U_зи — U_{ЗИ oтс}. Для пологой области характерна слабовыраженная зависимость I_с=f(U_си).

При больших напряжениях на стоке наблюдается резкое увеличение I_с, и если мощность рассеивания на стоке превышает допустимую, то происходит необратимый пробой участка «затвор— сток». При подаче на вход ПТ запирающего напряжения увеличивается разность потенциалов между затвором и стоком. В этом случае пробой наблюдается при меньшем напряжении U_си на величину напряжения U_зи.

В отличие от электронных ламп ПТ могут работать и при смене полярности выходного напряжения. Однако необходимо помнить, что, как только напряжение U_си превысит напряжение U_зи на величину контактной разности потенциалов U_к p-n перехода, возникает прямой ток затвора и входное сопротивление резко падает.

Область возникновения токов затвора, как показано на рисунке, отделена от крутой области геометрическим местом точек (кривая OB), для которых выполняется соотношение U_си=U_зи + U_к.

1 .7. Тиристоры

Тиристором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с тремя или более p-n переходами, используемый для переключения, в вольтамперной характеристике которого имеется участок отрицательного дифференциального сопротивления.

Простейшим тиристором является динистор — неуправляемый переключающий диод, представляющий собой четырехслойную структуру типа p-n-p-n. Здесь, как и у других типов тиристоров, крайние p-n переходы называются эмиттерными, а средний p-n переход — коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие между переходами, называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней «-областью, называется катодом, а с внешней p-областью — анодом.

При включении динистора по схеме, приведенной на рисунке, коллекторный p-n переход закрыт, а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтому почти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу, имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малый ток (участок 1 на рисунке). Если увеличивать напряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, пока это напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равному напряжению включения U_вкл. При напряжении U_вкл в динисторе создаются условия для лавинного размножения носителей заряда в области коллекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторного перехода (участок 2 на рисунке б). В n-области коллекторного перехода образуется избыточная концентрация электронов, а в p-области — избыточная концентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальные барьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей через эмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождается переключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходит одновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтому увеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодом и катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторе возрастает и происходит переключение динистора.

После перехода коллекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующий прямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динисторе снижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания или уменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока, как в обычной схеме с диодом при прямом включении.

П ри уменьшении напряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивление коллекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода может составлять десятки микросекунд. Напряжение U_вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу. Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом, питаемым от независимого источника управляющего напряжения (U_упр). Тиристор со вспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным. Схема включения тринистора показана на рисунке. Тринистор дает возможность снижения напряжения U_вкл при росте тока управления.

Если к тиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности, то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристора напоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень больших обратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.

В отличие от рассмотренных несимметричных тиристоров в симметричных обратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигается встречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя p-n переходами.

Тиристоры имеют широкий диапазон применений (управляемые выпрямители, генераторы импульсов и др.), выпускаются с рабочими токами от долей ампера до тысяч ампер и с напряжениями включения от единиц до тысяч вольт.

1.8. Фотоэлектрические и излучающие приборы

Фотоэлектрическими называют приборы для преобразования лучистой энергии в электрическую энергию. Обратное преобразование энергии осуществляют излучающие приборы. Фотоэлектрические приборы широко используются в качестве приемников электромагнитных излучений оптического диапазона:

инфракрасного: λ = 300...0,78 мкм, ν = 10¹²...4×10¹⁴ Гц; видимого: λ = 0,78...0,35 мкм, ν=4×10¹⁴...7,6×10¹⁴ Гц; ультрафиолетового: λ = 0,35...0,01 мкм, ν = (7,6×10¹⁴...10¹⁶) Гц.

Принцип действия фотоэлектрических приборов основан на использовании явлений внутреннего или внешнего фотоэффектов.

Внутренний фотоэффект наблюдается в полупроводниках и диэлектриках. В них под действием излучения происходит возбуждение электронов. Переход электронов на более высокий энергетический уровень приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и, следовательно, электрических свойств вещества. При воздействии лучистой энергии на полупроводник у части валентных электронов увеличивается энергия настолько, что они преодолевают запрещенную зону и переходят в зону проводимости.

Лучистая энергия излучается и поглощается веществом в виде квантов (фотонов). Энергия кванта W_KB = h_пν, где h_п = 6,6×10-34 Дж×с — постоянная Планка. Внутренний фотоэффект возникает, если W_КВ превышает ширину запрещенной зоны ΔW_З. Например, для проявления внутреннего фотоэффекта в германии требуется W_KB 0,67 эВ.

При уменьшении частоты излучения наступает порог фотоэффекта. Длину волны, соответствующую этой частоте, называют границей фотоэффекта. Для германия эта граница лежит в инфракрасной области: λ 0 = 1,7 мкм. В диэлектриках внутренний фотоэффект проявляется слабее, так как они имеют большую ширину запрещенной зоны.

Внутренний фотоэффект используется в фоторезисторах, фотодиодах, фототранзисторах.

Внешний фотоэффект может наблюдаться в любых веществах. Он основан на явлении фотоэлектронной эмиссии. Здесь используется выход электронов за пределы поверхности веществ под действием излучения. Например, у металлов внешний эффект проявляется, если энергия кванта W_KВ превысит работу выхода электрона из металла А. Для цезия W_KВ должна быть не менее 1,2 эВ, для золота — 5 эВ. Внешний эффект используется в электронных и ионных фотоэлементах, в фотоэлектронных умножителях.

Принцип действия излучающих полупроводниковых приборов основан на излучении квантов электромагнитной энергии при переходе частиц из высокого энергетического состояния в более низкое. Переходы, при которых излучаются кванты лучистой энергии, называются излучательными. Они обусловливают явления люминесценции и индуцированного излучения.

Люминесценцией называют избыточное по сравнению с тепловым излучение и характеризуемое длительностью, значительно превышающей период световых колебаний. При люминесценции эмиттируется некогерентное оптическое излучение с относительно широким спектром (около 10-2 мкм).

Для возникновения люминесценции к полупроводнику подключают внешний источник энергии с целью его перехода в возбужденное состояние. Возбужденному состоянию полупроводника соответствует образование неравновесных концентраций свободных частиц: электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.

Явление люминесценции широко используется в некогерентных излучающих полупроводниковых приборах.

Явление индуцированного излучения лежит в основе работы квантовых приборов. Длительность индуцированного излучения близка к периоду световых колебаний (примерно 10-15 с). Индуцированное излучение отличается когерентностью и узким спектром (менее 10-5 мкм).

На практике широко используются методы возбуждения полупроводникового кристалла, содержащего электронно-дырочный переход: инжекцию неосновных носителей под действием внешнего источника напряжения, включенного в прямом направлении; лавинный пробой в p-n переходе при подключении обратного напряжения и др.

Обычно в полупроводниках наряду с излучательными переходами наблюдаются также переходы безызлучательные, поэтому энергия, затрачиваемая на возбуждение полупроводника, лишь частично превращается в энергию люминесцентного излучения. Эффективность процесса люминесцентного излучения определяется отношением выделяемой лучистой энергии к полной энергии возбуждения. Эффективность люминесценции тем выше, чем больше число локальных уровней, участвующих в излучательных переходах, и чем ближе они расположены к границам соответствующих зон, т. е. легче захват электронов и дырок.

Излучательные переходы могут происходить, например, в результате рекомбинации электронов, захваченных на примесный уровень вблизи дна зоны проводимости с дырками в валентной зоне, или в результате рекомбинации дырок, находящихся на локальных уровнях вблизи потолка валентной зоны с электронами из зоны проводимости.

Широко распространенным излучающим прибором является светодиод. В качестве материалов для изготовления светодиодов используются соединения карбида кремния SiC, фосфид галлия GaP, арсенид галлия GaAs. Спектр излучения зависит от ширины запрещенной зоны используемого материала, а также от рода и концентрации примесей. Например, для арсенида галлия ΔW_З = 1,4эВ, а максимум спектральной характеристики лежит в инфракрасной области спектра (λ 0,9 мкм); светодиоды из карбида кремния излучают желтый цвет (λ 0,6 мкм). Использование совокупности люминесцирующих кристаллов позволяет синтезировать знаковые индикаторы.

Объединение излучателя и приемника света в одном изделии позволяет реализовать прибор, получивший название оптрон. Простейший оптрон состоит из светодиода и фотодиода, размещенных в общем корпусе. Кроме диодных оптронов электронной промышленностью выпускаются резисторные, транзисторные и тиристорные оптроны. Однонаправленность светового луча от источника света к приемнику позволяет создавать управляемые электронные элементы, у которых цепь управления электрически развязана от входной цепи, так как связь между указанными цепями осуществляется оптически.

Электрическая изоляция входа от выхода позволяет с помощью низких напряжений управлять высокими, осуществлять развязку низкочастотных и высокочастотных цепей, выполнять высококачественные электронные реле и коммутаторы.

Условные графические обозначения фотоэлектрических и излучающих приборов