Лекции по разделу "Полупроводники" дисциплина "Электротехнические материалы"

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по разделу «Полупроводники»

дисциплина

«ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ»

Полупроводниковые материалы.

1. Основные параметры.

Строение и свойства полупроводниковых материалов

Интенсивно расширяется круг полупроводниковых материалов, различающихся не только природой химических связей, химическим и фазовым состояниями, но и структурным состоянием. Если раньше это были монокристаллические полупроводниковые материалы, то позднее наряду с монокристаллами различной степени совершенства стали применяться поликристаллические материалы, а затем и аморфные. Вызванный вначале чисто экономическими соображениями (низкой стоимостью) интерес к аморфным полупроводникам все усиливается благодаря ряду их других достоинств.

Большинство важнейших полупроводников имеют кристаллическую структуру типа алмаза или цинковой обманки, которые относятся к тетраэдрическим фазам, где каждый атом окружен четырьмя эквидистантными ближайшими соседями, расположенными в вершинах соответствующего тетраэдра. Связь между двумя ближайшими соседями обусловлена парой электронов с противоположными спинами. Решетки алмаза и цинковой обманки можно представить как две гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые одна относительно другой на четверть объемной диагонали элементарной ячейки. В алмазоподобных полупроводниках (таких, как кремний) в узлах той и другой подрешетки находятся ядра кремния. В решетках типа цинковой обманки (например, в арсениде галлия) одну подрешетку составляют ядра галлия, а другую - мышьяка. Арсенид галлия является соединением типа A^InB^V, поскольку образован элементами III и V групп периодической системы Менделеева. Многие полупроводники кристаллизуются в решетке типа вюрцита либо каменной соли.

Зонная структура полупроводников, т. е. связь энергии с волновым числом, обычно определяется из уравнения Шредингера в одноэлектронном приближении. Одной из наиболее важных теорем, на которой основана зонная теория, является теорема Блоха. Из теоремы Блоха следует, что энергия W является периодичной в пространстве обратной решетки.

Таким образом, для однозначного определения энергии достаточно использовать значения волнового вектора в элементарной ячейке пространства обратной решетки. Такая ячейка называется зоной Бриллюэна.

Рис.1 Простая Рис.2 Объемноцентрированная Кубическая (Р и кубическая (Na, W и т. д.)

т. д.)

Рис.3 Гранецентрированная Кубическая (Al, Au и т. д.)

Основные элементарные ячейки прямых решеток и кристаллическая структура ряда элементарных полупроводников и полупроводниковых соединений (а - постоянная решетки)

Рис.6 Элементарные ячейки решеток полупроводниковых соединений: а - ячейка решетки вюрцита CdS, ZnS и т.д.); б - ячейка решетки каменной соли (PbS, PbТе и т.д.)

Форма и размеры зон Бриллюэна определяются симметрией кристалла и его межатомными расстояниями (рис. 7).

Рис.7 Зоны Бриллюэна для решетки алмаза. Показаны главные точки и линии симметрии

Рис.4 Ячейка цинковой обманки (GaAs, GaP и т. д.)

Рис.5 Ячейка алмаза (C, Ge, Si и т. д.)

В спектрах каждого из полупроводников имеется зона запрещенных энергий, в которой не существует электронных состояний. Эти состояния образуют разрешенные зоны с энергиями выше и ниже этой энергетической щели. Верхнюю разрешенную энергетическую область называют зоной проводимости, а нижнюю - валентной. Расстояние между дном области проводимости и потолком валентной называют шириной запрещенной зоны.

К элементарным полупроводникам относятся вещества, расположенные в IV - VII подгруппах таблицы Менделеева - углерод (алмаз), кремний, германий, олово. Валентные оболочки свободных атомов этих элементов состоят из (ш)²(пр)² электронов. Связи sр³ - гибридные тетраэдрические с углом 109°28'.

Ge Si GaA$

Рис.8 Форма и расположение изоэнергетических поверхностей в Ge, Si и

GaAs

Кремний является вторым по распространенности элементом земной коры - его содержание в ней по массе составляет 27,6 %. Из-за своей химической активности в свободном состоянии не встречается. Содержание германия в земной коре составляет 7 10^-4 %. При этом он является рассеянным в природе элементом и в виде рудных месторождений почти не встречается. В настоящее время одним из основных источников получения германия является каменный уголь, из которого германий извлекают как отход при сгорании.

Олово обладает полиморфным превращением. Низкотемпературная полупроводниковая модификация (a-Sn) со структурой алмаза при нагреве переходит в высокотемпературную металлическую модификацию (P-Sn) со структурой тетрагональной решетки.

Кремний и германий являются самыми распространенными материалами полупроводниковой электроники и микроэлектроники. Из этих веществ, особенно кремния, изготовляют различные электронные полупроводниковые приборы: диоды, транзисторы, тиристоры, фотоприемники, солнечные батареи, а также интегральные схемы - основу микроэлектронных и микропроцессорных устройств. Однако отсутствие прямых оптических переходов в кремнии и германии исключает возможность изготовления на их основе светодиодов и оптических квантовых генераторов.

Элементы V подгруппы - фосфор, мышьяк, сурьма и висмут. У этих элементов реализуются химические связи за счет образования р³-орбит, которые приводят к структурам с координационным числом Z_k = 3,

относящимся к ромбоэдрической сингонии.

Элементы V подгруппы находят широкое применение в полупроводниковой электронике, с одной стороны, в качестве донорных примесей в кремнии и германии, а с другой - как основные компоненты полупроводниковых соединений A^InB^V и ряда других.

Элементы VI подгруппы - сера, селен, теллур. Химические связи этих элементов реализуются за счет образования р²-орбит, Z_k = 2. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочкисвязаны силами Ван-дер-Ваальса. Связи в этих кристаллах гораздо слабее, чем в кристаллах элементов IV и V подгрупп. Элементы VI подгруппы входят в качестве основных компонентов в многочисленные полупроводниковые

ТТ VT V VI

соединения A B , A2 B³ и др. Кроме того, они используются в качестве донорных примесей в соединениях A^TTTB^V.

Элементом VII подгруппы, относящимся к полупроводникам, является йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи. Йод находит применение в качестве легирующей донорной примеси в полупроводниковых соединениях, а также входит в качестве компонента в состав соединений A^IB^VII.

Наибольшее распространение получила классификация полупроводниковых соединений, основанная на объединении в один класс материалов, имеющих одинаковую стехиометрическую формулу и образованных из элементов, расположенных в одних группах периодической системы элементов.

Химические связи в полупроводниковых соединениях смешанные, с преобладанием ковалентной составляющей

Химические связи и структуры кристаллической и обратной решеток определяют строение валентной зоны и зоны проводимости соединений типа A^IIIB^V.

Полупроводниковые соединения используют для создания приборов и устройств различного назначения. Широкий спектр применения полупроводниковых соединений обусловлен удачным сочетанием комплекса физико-химических и электрофизических свойств данных материалов.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках обычно на 5 - 7 порядков меньше, чем в металлах, и примерно на столько же больше, чем в диэлектриках. Следовательно, именно ее значение определяет принадлежность материала к классу полупроводников. Собственная концентрация n_i является фундаментальным параметром и рассчитывается исходя из эффективных масс электронов и дырок, ширины запрещенной зоны и температуры.

Собственная концентрация тем ниже, чем больше ширина запрещенной зоны. Измерение концентрации носителей заряда чаще всего выполняется по схеме Холла.

Сущность метода Холла состоит в том, что если поместить однородный прямоугольный образец полупроводника в магнитное поле, то на его боковых гранях А и В возникает поперечная разность потенциалов, называемая ЭДС Холла (рис. 9) и вычисляемая по формулам, из которых определяется коэффициент Холла, где U_a - U_b - ЭДС Холла, В; I - ток через образец, А; В - магнитная индукция, Тл или Гаусс; d - толщина пластинки в направлении магнитного поля, мм.

U_a - Ub = R ■ I ■ B/d

^Ua ^{- U}b = P'P'¹ ■ ^Bl^d

Рис.9 Поперечное поле, обусловленное эффектом Холла

R =

(Ug - Ub ) • d

I • B

Метод Холла позволяет определить тип проводимости полупроводника, концентрацию и подвижность носителей заряда.

Проводимость полупроводников, как и других материалов, зависит от концентрации свободных носителей заряда (электронов и дырок) при данной температуре и их подвижности.

В настоящее время имеется много методов измерения удельного сопротивления полупроводника: двухзондовый, трехзондовый, четырехзондовый, бесконтактный и др. Наибольшее распространение получили двухзондовый и четырехзондовые методы..

При расчете и конструировании полупроводниковых приборов и интегральных схем используется параметр время жизни неосновных носителей заряда. Время жизни связано с диффузионной длиной образца.

Наиболее распространенный метод измерения времени жизни связан с изменением фотопроводимости кристалла во время прекращения действия света на полупроводник.

Аморфные полупроводники

Аморфные полупроводники - это вещества, обладающие в твердом аморфном состоянии свойствами полупроводников. Под аморфным телом принято понимать такое вещество, в котором отсутствует трехмерная периодичность в расположении атомов. Благодаря такому определению термины «неупорядоченный», «некристаллический», «аморфный», «стеклообразный» являются синонимами.

Материал считается аморфным, если на его электронограммах и рентгенограммах наблюдаются диффузные кольца, а не резкие брегговские кольца или отдельные пятна, характерные для поликристаллических или монокристаллических твердых тел.

Некристаллические материалы, получаемые охлаждением расплава, называются стеклами. Большинство стекол являются широкозонными полупроводниками, в которых ширина запрещенной зоны превосходит 1 эВ. Примерами могут служить селен Se, триселенид мышьяка As₂Se₃ и сходные с ними халькогенидные полупроводники и многокомпонентные системы, а также боросиликатные стекла.

Такие вещества, как теллур Те, германий Ge, кремний Si, бор В и антимонид индия InSb, которые нельзя получить обычной закалкой расплава, могут быть получены в аморфном состоянии путем напыления. Ширина запрещенной зоны в них обычно меньше, чем в стабильных стеклах.

Ковалентные аморфные полупроводники в дальнейшем делятся еще на два класса. К первому классу относятся материалы с тетраэдрической направленностью связей, такие как элементы Si , Ge и соединения А^ШВУ Эти материалы могут быть приготовлены в аморфной фазе лишь вакуумным напылением тонких пленок. Второй класс состоит из халькогенидных стекол на основе элементов S, Se и Те, к которым могут добавляться другие элементы, такие как Si, Ge и As .

Практическое использование некристаллических полупроводников определяется особенностями их структуры, свойств, химической стойкостью и механической прочностью, а также технологичностью их обработки и возможностью получения материалов с заданными свойствами. Некоторые устройства регистрации оптических изображений удалось создать только благодаря использованию некристаллических полупроводников. К таким устройствам относятся, например, телевизионные трубки типа «видикон», электрофотографические приборы и регистрирующие среды типа «халькогенидный стеклообразный полупроводник (ХСП) - термопластик».

Полупроводниковые материалы, используемые для указанных целей, должны обладать одновременно высоким удельным темновым сопротивлением (р_Т 10¹¹ Ом см) и высокой фоточувствительностью (изменять свое удельное сопротивление при освещении на несколько порядков). Указанные требования противоречивы и могут быть удовлетворены одновременно лишь при низких значениях подвижности носителей заряда, что характерно для аморфных полупроводников.

свойства, как фотостимулированное изменение оптического поглощения и коэффициента преломления, фотокристаллизация и высокая радиационная стойкость (например, термисторы на основе ХСП в управляющих схемах ядерных реакторов не претерпевают заметных изменений проводимости даже при дозах облучения 10²⁰ нейтрон/см²).

Синтез стеклообразных полупроводников проводится в вакуумированных ( 10^-3 - 10^-4 мм рт. ст.) кварцевых ампулах из элементарных материалов.

Аморфные кремний и германий получают путем их испарения и конденсации в глубоком вакууме или катодного распыления в аргоновой плазме. Аморфные слои в системах Si - С, Si - Ge и Ge - Sn можно получить теми же методами, что и для и Si и Gе.

Разность между энергиями краев подвижности в зоне проводимости и валентной зоне называют «запрещенной зоной по подвижности» («щелью по подвижности»). Край зоны подвижности определяется как энергия, отделяющая состояния, являющиеся локализованными от состояний, являющихся нелокализованными. В стеклообразных полупроводниках примеси не оказывают такого влияния на проводимость, как это имеет место в кристаллах. Однако экспериментально показано, что некоторые примеси способны сильно изменять электрические свойства стеклообразных полупроводников.

Температурная зависимость фотопроводимости большинства аморфных полупроводников изменяется так, как показано на рис. 10. В области высоких температур (режим I) фотопроводимость экспоненциально растет с 1/T, обнаруживая хорошо определенную энергию активации. Кроме того, имеется линейная зависимость от интенсивности возбуждающего света. При более низких температурах (режим II) фотопроводимость уменьшается с 1/Т и пропорциональна квадратному корню из интенсивности света. При еще более низких температурах (режим III) кривые фотопроводимости достигают насыщения. Максимум температурной зависимости обычно имеет место вблизи температуры, при которой «темнотой» ток превышает фототок.

Рис. 10 Температурная зависимость фототока в халькогенидных полупроводниках (штриховой линией показана зависимость для «темнового» тока)

1. Простые полупроводники

Германий. Один из наиболее хорошо изученных полупроводников. Упрощенная технологическая схема производства германия показана ниже

очищенный GeCl4

Jr

дихлорид германия GeO2 Jr

GeO2

Jr

Ge

Jr

сплавление в слитки

i

выращивание монокристаллов по Чохральскому

германиисодержащая руда

тетрахлорид германия

При зонной очистке вдоль горизонтально расположенного образца создается 4-5 узких расплавленных зон, перемещающихся вдоль слитка. Примеси оттесняются к концу слитка. Процесс повторяют много раз. Монокристаллы германия можно создавать диаметром до 300-500мм. Германий применяется для изготовления диодов различных типов, транзисторов, датчиков Холла, тензодатчиков, детекторов ядерных излучений и в ИК-оптике. Рабочий диапазон германиевых приборов от - 60 до +70^оС.

Jr

глубокая очистка ^(экстракция и

ректификация)

гидролиз водой

просушка

восстановление в токе Н2 при 650^оС

металлическое травление в смеси кислот

очистка зонной плавкой

концентрированная HCl

Кремний полупроводниковой чистоты получается по следующей примерной технологической схеме:

превращение технического кремния в легколетучее

очистка соединения физическими и химическими методами

восстановление соединения

выделение чистого кремния

очистка кремния бестигельной зонной плавкой

выращивание монокристаллов

Метод бестигельной зонной плавки позволяет получать кристаллы кремния до 100 мм. Схема этого метода показана на рисунке. Кремнивые приборы благодаря большей, чем у германия ширине запрещенной зоны, могут работать при более высоких температурах, чем германиевые. Верхний предел рабочей температуры достигает у кремниевых приборов 180-200^оС. Кремний является пока единственным материалом для изготовления БИС и микропроцессоров. Кремний удается наращивать на монокристаллы или на инородные подложки при толщине слоя 5-10 мкм. Этот процесс производится при температуре, меньшей температуры плавления и называется эпитаксией, при наращивании на инородных подложках, нпример, на сапфире - гетероэпитаксией. Такие структуры используются как основа ИС наиболее быстродействующих, энергоемких и радиационно стойких.

Селен - элемент группы таблицы Менделеева, обладающий рядом интересных электрических свойств. Применяется для изготовления выпрямителей переменного тока, фотоэлементов, а также в технологии красок, пластмасс, керамики, как легирующая добавка при производстве стали, в электрофотографии.

Теллур - элемент группы Менделееева с шириной запрещенной зоны 0.35 эВ. Применяется в виде сплавов с сурьмой и свинцом для изготовления термоэлектрических генераторов. Некоторые характеристики германия, кремния, селена приведены в таблице.

Карбид кремния - бинарное соединение с большой шириной запрещенной зоны 2.8-3.1 эВ в зависимости от модификации. Карбид кремния одно из наиболее твердых веществ, полупроводниковые приборы из которого могут работать при высоких температурах вплоть до 700^оС. Карбид кремния устойчив против окисления до температуры свыше 1400^оС. При комнатной температуре он не взаимодействует ни с какими кислотами.

К а р б и д к р е м н и я п р и м е н я е т с я д л я

изготовления варисторов (нелинейныхрезисторов), светодиодов, высокотемпе ратурных диодов, транзисторов, тензорезисторов, счетчиков частиц высоких энергий, способных работать в химически агрессивных средах. В электротехнике карбид кремния применяется для изготовления вентильных разрядников, предназначенных для защиты от перенапряжений аппаратуры и линий передачи высокого напряжения. Карбид кремния применяется для изготовления силитовых стержней для электрических печей на максимальную температуру до 1500^оС. Силитовые стержни изготовляются на основе карбида кремния, кристаллического кремния и углерода.

Бинарные соединения - соединения А₃В₅ классифицируют по металлоидному элементу. Различают нитриды, фосфиды и антимониды. Особое место среди них занимает арсенид галлия, отличающийся большой шириной запрещенной зоны (1.4 эВ) и высокой подвижностью электронов (0.85 м²/(в . с)). Он используется для изготовления приборов, работающих при в ы с о к и х т е м п е р а т у р а х и в ы с о к и х ч а с т о т а х , д л я инжекционных лазеров, светодиодов, т у н н е л ь н ы х д и о д о в, диодов

Ганна, транзисторов, солнечных батарей и других приборов. Широко применяются антимонид индия, фосфид галлия, антимонид галлия.

Соединения А₂В₆, к которым относятся халькогениды

цинка, кадмия, ртути, сульфиды, селениды, теллуриды применяются д л я изготовления фоторезисторов, высоковольтных датчиков Холла, в инфракрасной технике, для создания промышленных люминофоров и другие.

Полупроводниковые свойства проявляют 12 химических элементов, находящихся в средней части Периодической системы Д. И. Менделеева. К ним относятся: элементы IVA подгруппы — углерод (алмаз), кремний, германий, олово; элементы VА подгруппы — фосфор, мышьяк, сурьма и висмут; элементы VIA подгруппы — сера, селен, теллур; элементы VIIA подгруппы — иод. Все они являются ^-элементами, в атомах которых постепенно заполняются электронами р-орбитали. В простых веществах с валентными s- и р-электронами выполняется правило Юм-Розери (правило октета), согласно которому координационное число К = (8 - N) , где N — номер группы в Периодической системе. В полупроводниках группы IVA координационное число равно четырем (тетраэдр). У полупроводниковых модификаций простых веществ группы VA — фосфор, мышьяк, сурьма — координационное число равно трем, что способствует формированию слоистых структур. S, Se, Te (группа V^) в полупроводниковом состоянии имеют координационное число 2 и образуют линейные и цепочечные структуры, связанные в трехмерную решетку силами Ван-дер-Ваальса. У полупроводниковой модификации йода (группа VI^) координационное число равно единице. Из 12 элементарных полупроводниковых элементов приборное применение имеют только три — кремний, германий и селен.

Элементы VII А подгруппы

Из элементов этой группы к полупроводникам относится только йод. В твердом состоянии он обладает полупроводниковыми свойствами, в нем реализуются р-связи.

Элементы VI А подгруппы

Полупроводниковыми свойствами обладают сера, селен и теллур. Кристаллы этих элементов состоят из спиральных цепочек или колец, в которых каждый атом имеет две ковалентные связи с атомами той же цепочки. Между собой цепочки связаны силами Ван-дер-Ваальса. Ширина запрещенной зоны убывает с увеличением порядкового номера и составляет у серы — 2,4 эВ, у селена 1,7 эВ, у теллура 0,35 эВ. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^InB^V.

В качестве полупроводникового материала в микроэлектронике из элементов V^ подгруппы используется гексагональная модификация селена. Это полупроводник^-типа проводимости, полупроводниковые свойства которого проявляются и используются и в поликристаллических структурах. Ширина запрещенной зоны 1,8 эВ. Монокристаллы гексагонального селена получают выращиванием из расплава или осаждением из газовой фазы. Испарением Se в вакууме на подложку можно получать пленки толщиной 50­100 мкм, которые применяют для производства полупроводниковых приборов. Гексагональный селен используется для изготовления полупроводниковых выпрямителей фотоэлементов, солнечных батарей.

Для селена характерен внутренний фотоэффект: под действием света растет число дырок и увеличивается собственная электропроводность. На этом свойстве основано действие селеновых фотоэлементов и многих других приборов. Влияние света на электрические свойства селена двояко. Первое — это уменьшение его сопротивления на свету. Второе, не менее важное — фотогальванический эффект, т. е. непосредственное преобразование энергии света в электроэнергию в селеновом приборе. Для осуществления фотогальванического эффекта необходимо, чтобы энергия фотонов была больше некоей пороговой, минимальной для данного фотоэлемента, величины. Простейший прибор, в котором используется именно этот эффект, — экспонометр. Более сложные устройства — солнечные батареи, работающие на Земле и в космосе.

Элементы VA подгруппы

У полупроводниковых элементов VA подгруппы — фосфора, сурьмы, мышьяка и висмута — химические связи реализуются за счет образования р³- орбит, они имеют структуры с координационным числом =3, относящимся к ромбоэдрической сингонии. Такие кристаллы можно представить состоящими из двухслойных пластин. Каждый атом имеет в соседнем слое той же пластины трех ближайших соседей, с которыми он связан ковалентными связями. Соседние пластины связаны между собой слабыми силами Ван-дер- Ваальса. Элементы этой подгруппы входят в качестве основных компонентов в полупроводниковые соединения, а также используются в качестве донорных примесей в соединениях A^InB^V.

Элементы IVA подгруппы

К полупроводниковым элементам ^А подгруппы относятся основные полупроводниковые материалы германий и кремний, а также углерод (алмаз) и полиморфная -модификация олова. Эти элементы имеют кристаллическую решетку типа алмаза. Связи между атомами sp3-гибридные, тетраэдрические.

Недостатком германия и кремния как полупроводниковых материалов, являются малая ширина запрещенной зоны, поэтому рабочая температура германиевых приборов не превышает 60-80 °C. Германий относится к числу редких и очень рассеянных химических элементов. Кремний не имеет указанных недостатков, а по распространенности занимает второе место после кислорода. Ширина запрещенной зоны кремния значительно больше, чем у германия, поэтому кремниевые приборы могут функционировать при более высокой температуре (200-220 °C), однако подвижности носителей тока у кремния меньше, чем у германия. Поэтому частотный предел кремниевых полупроводниковых приборов ниже германиевых. Технологически кремний труднее получить в чистом состоянии, чем германий. Поэтому один из самых распространенных элементов в виде простого вещества нужной чистоты становится дороже редкого и рассеянного германия.

Германий полупроводниковый. Кристаллизуется в решетке типа алмаза. Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Ge в единице объема — 4,4510²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны небольшая и равна 0,72эВ. Германий прозрачен в ИК-области спектра, начиная с длины волны 1,8 мкм.

Одно из преимуществ технологии германия — относительно невысокая температура плавления (936 ^оС) и ничтожно малое давление насыщенного пара при этой температуре, что существенно упрощает процесс кристаллизационной очистки и выращивания монокристаллов. Для некоторых приборов (например, для счетчиков ядерных излучений) требуются монокристаллы германия с пониженным содержанием кислорода.

Для получения необходимых электрофизических свойств германий легируют различными примесями. В качестве доноров и акцепторов в германии используют соответственно элементы V и III групп Периодической системы. Эти примеси создают мелкие уровни в запрещенной зоне с энергией

ионизации порядка 0,01 эВ. Большинство примесей других групп проявляют свойства многозарядовых центров (создают несколько уровней в запрещенной зоне). Мелкие доноры и акцепторы при температуре выше 90 К полностью ионизованы, поэтому в нормальных условиях концентрация носителей заряда в германии определяется концентрацией примеси. В слаболегированном германии в достаточно широком диапазоне температур наблюдается положительный температурный коэффициент удельного сопротивления. Температура, при которой начинает проявляться собственная электропроводность, зависит от концентрации легирующей примеси.

Германий — один из первых полупроводниковых материалов, который широко использовался для изготовления большого количества приборов. На его основе можно изготавливать выпрямительные плоскостные диоды, низко- и высокочастотные, мощные и маломощные транзисторы, лавинно-пролетные и туннельные диоды, варикапы, точечные высокочастотные импульсные и СВЧ-диоды. В импульсных диодах для достижения высокой скорости переключения требуется материал с малым временем жизни неравновесных носителей заряда. Этому требованию удовлетворяет германий, легированный золотом. Благодаря относительно высокой подвижности носителей заряда германий применяют для изготовления датчиков Холла и других магниточувствительных приборов.

В последние годы основное применение германий находит в производстве оптических приборов. Оптические свойства германия позволяют использовать его для изготовления фототранзисторов и фотодиодов, оптических линз и фильтров инфракрасной техники, модуляторов света и коротковолнового радиоизлучения. Он не имеет конкуренции в счетчиках ядерных частиц. Недостаточно высокое значение ширины запрещенной зоны позволяет изготовленным из германия приборам работать при относительно невысоких температурах (до 60-70 ^оС). Это явилось основной причиной вытеснения его из многих приборов более широкозонным кремнием и арсенидом галлия.

Кремний полупроводниковый, монокристаллический — основной материал для твердотельной электроники. Ежегодно в мире производится около 9000 тонн высокосовершенных бездислокационных монокристаллов кремния. Кремний находит широкое применение в микроэлектронике, силовой электронике, солнечной энергетике, кремниевой оптоэлектронике.

Кремний, как и германий, кристаллизуется в решетке типа алмаза. Связь между атомами в решетке германия — ковалентная. Число атомов Si в единице объема — 5,0 10²²атом/см³. Ширина запрещенной зоны равна 1,12 эВ.

1. Устройство полупроводниковых приборов

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i- типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, складывается из электронной и дырочной электропроводности.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.

Для получения полупроводника с электронной электропроводностью в чистый полупроводник - германий или кремний - вводят небольшое количество элемента пятой группы периодической системы элементов: сурьмы (Sb), мышьяка (As), фосфора (P). Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами (рис. 2) образуя прочные парноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон, например атома мышьяка, в образовании парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным со своим атомом и может быть легко оторван от него. В результате он превращается в свободный электрон, который может свободно перемещаться в объеме полупроводника, создавая электронную проводимость. Атом мышьяка, потерявший один электрон, превращается в положительный ион, который оказывается неподвижным, так как он прочно удерживается в узле кристаллической решетки парноэлектронными связями.

Подвижные носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными носителями зарядов.

Элементы, атомы которых отдают свои электроны, создавая в полупроводнике избыток свободных электронов, называются донорами. Обычно донорами для германия являются мышьяк и сурьма, а для кремния - фосфор и сурьма. В полупроводнике с донорными примесями электроны являются основными носителями зарядов, а дырки - не основными.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избыточных свободных электронов, называется электронной проводимостью.

Полупроводник, в котором основными носителями зарядов являются электроны, называется электронным полупроводником или полупроводником n- типа.

Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов: индий (In) и галлий (Ga) для германия; бор (В) и алюминий (Al) для кремния. При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь - дырка (рис. 3). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т. е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р- типа.

Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными - электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р- типа.

Электрический ток в полупроводнике может быть вызван двумя причинами:

• действием внешнего электрического поля;

• неравномерным распределением концентрации носителей зарядов по объему полупроводника.

Направленное движение подвижных носителей зарядов под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей зарядов - диффузией (диффузионное движение). Неравномерность концентрации зарядов в какой- либо части полупроводника может возникнуть под действием света, тепла электрического поля и др.

В зависимости от характера движения носителей зарядов различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

Электронно-дырочный переход (p - n - переход)

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным переходом или p-n- переходом.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое

движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n- типа в полупроводник р- типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р- типа в полупроводник n- типа диффундируют дырки (рис.3). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

Рис. 3

Ек ►

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K = ф_п - ф_Р и электрическое поле, направленное от п- области к р- области.

Как видно, в р-n- переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n- перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K = 0,3 - 0,4 В и d = 10^-4 - 10^-5см, а при больших концентрациях -ик ~ 0,7 В и d = 10^-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n- переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа. Ток диффузии и ток дрейфа ч е р е з p-n- переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n- переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом ^- области p-n- перехода, а минусом к n- области, называется прямым напряжением U^. Если к p-n- переходу приложено внешнее прямое напряжение U^, то создаваемое им внешнее электрическое поле Enp оказывается направленным навстречу электрическому полю p-n- перехода -Е_к. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя рd) и его сопротивление в прямом направлении становится малым. Так как высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n- переход из p- и n- областей.

- Unp

—о

Еп,

1пр

0

Uk пи

x

1пр|

Рис.4

При прямом напряжении 1_диф 1_др и поэтому полный ток через переход т.е. прямой ток, уже не равен нулю:

!-пр ^иф !-др 0.

Ток, протекающий через p-n- переход под действием приложенного к нему прямого внешнего напряжения, называется прямым током. Протекающий через p-n- переход прямой ток направлен из p- области в n- область.

Введение носителей зарядов через p-n- переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

Внешнее напряжение, приложенное “плюсом“ источника питания к n- области p-n- перехода, а “минусом“ к p- области называется обратным.

+ Uo6p -

Под действием обратного напряжения Uo6p через переход протекает очень небольшой обратный ток 1_обр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением Е_обр, складывается с полем контактной разности потенциалов Е_к. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (ёо_бр d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т. е. Roбp R^.

Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p-n- перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p-n-переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном Цбр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. 1диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера. Однако не основные носители будут перемещаться через p-n- переход, создавая ток, протекающий из^области в p- область (обратный ток!_обр). Он является дрейфовым током (током проводимости) не основных носителей через p-n- переход. Значительное электрическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p-n- переход любой не основной носитель заряда, появившийся в этом поле.

Выведение не основных носителей через p-n- переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.

Таким образом, p-n- переход пропускает ток в одном направлении - прямом, и не пропускает ток в другом направлении - обратном, что определяет вентильные свойства p-n- перехода.

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n- перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n- переход от приложенного внешнего напряжения I = f(U) (рис.6).

В

Рис. 6 - Вольтамперная характеристика p-n- перехода: 1 - прямая ветвь; 2 - обратная ветвь при лавинном пробое; 3 - обратная ветвь при тепловом пробое

Прямую 1 и обратную 2 ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n- перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

При достижении обратным напряжением некоторой критической величины и_проб происходит резкое уменьшение сопротивления p-n- перехода. Это явление называется пробоем p-n- перехода, а соответствующее ему напряжение - напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробой. Электрический пробой (участок АБВ характеристики) является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Могут существовать два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для p-n- переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт.

Явление ударной ионизации состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяя в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые, в свою очередь, разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵В/см, действующем в p-n- переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

Области теплового пробоя соответствует на рис. 6 участок ВГ. Тепловой пробой необратим, т.к. он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p-n- перехода. Причиной теплового пробоя является нарушение устойчивости теплового режима p-n- перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количества теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Рис. 7 Вольтамперная характеристика ^-«-перехода: 1 - при 20°С; 2 при 50°С.

На электропроводность полупроводников значительное влияние оказывает температура. При повышении температуры усиливается генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается концентрация носителей и проводимость растет. При повышении температуры прямой и обратный ток растут. Для p-n- переходов на основе германия обратный ток возрастает примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10°C; на основе кремния - при нагреве на каждые 10°C обратный ток увеличивается примерно в 2,5 раза. Прямой ток при нагреве p-n- перехода растет не так сильно, как обратный. Это объясняется тем, что прямой ток возникает главным образом за счет примесной проводимости, а концентрация примесей не зависит от температуры.

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые диоды

Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь. Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом.

На рисунке изображён внешний вид некоторых полупроводниковых диодов: а- маломощный германиевый диод Д226Б, б- маломощный кремниевый диод Д-302, в- мощный кремниевый диод с воздушным охлаждением ВКД-200 и г- мощный кремниевый диод с водяным охлаждением ВКДВ-350.

Ламповые диоды. Ламповые диоды представляют собой радиолампу с двумя рабочими электродами, один из которых подогревается нитью накала. Благодаря этому, часть электронов покидает поверхность разогретого электрода (катода) и под действием электрического поля движется к другому электроду — аноду. Если же поле направлено в противоположную сторону, электрическое поле препятствует этим электронам и тока (практически) нет.

Специальные типы диодов:

• Стабилитроны (диод Зенера). Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения.

• Туннельные диоды (диоды Лео Эсаки). Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы.

• Варикапы. Используется то, что запертый p-n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от выставленного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости.

• Светодиоды (диоды Генри Раунда). В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Однако, выпускаются светодиоды и с излучением в ИК диапазоне, а с недавних пор - и в УФ.

• Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет.

• Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света.

• Солнечный элемент Подобен фотодиоду, но работает без смещения. Падающий на p-n-переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

• Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне.

• Диод Шоттки. Диод с малым падением напряжения при прямом включении.

• Лавинно-пролётный диод. Диод, работающий за счёт лавинного пробоя.

• Магнитодиод. Диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n-перехода.

• Стабисторы. При работе используется участок ветви вольт­амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

• Смесительный диод — предназначен для перемножения 2-ух высокочастотных сигналов.

• pin диод — содержит область собственной проводимости между сильнолегированными областями. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

Применение диодов

Диодные выпрямители

Трёхфазный выпрямитель Ларионова А. Н. на трёх полумостах

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диодный выпрямитель или диодный мост (то есть 4 диода для однофазной схемы (6 для трёхфазной полумостовой схемы или 12 для трёхфазной полномостовой схемы), соединённых между собой по схеме) — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств. Диодный трёхфазный выпрямитель по схеме Ларионова А. Н. на трёх параллельных полумостах применяется в автомобильных генераторах, он преобразует переменный трёхфазный ток генератора в постоянный ток бортовой сети автомобиля. Применение генератора переменного тока в сочетании с диодным выпрямителем вместо генератора постоянного тока с щёточно-коллекторным узлом позволило значительно уменьшить размеры автомобильного генератора и повысить его надёжность. В некоторых выпрямительных устройствах до сих пор применяются селеновые выпрямители. Это вызвано той особенностью данных выпрямителей, что при превышении предельно допустимого тока, происходит выгорание селена (участками), не приводящее (до определенной степени) ни к потере выпрямительных свойств, ни к короткому замыканию - пробою. В высоковольтных выпрямителях применяются селеновые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых селеновых выпрямителей и кремниевые высоковольтные столбы из множества последовательно соединённых кремниевых диодов.

Диодные детекторы. Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно- модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диодные детекторы применяются почти во всех радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п. Используется квадратичный участок вольтамперной характеристики диода.

Диодная защита. Диоды применяются также для защиты разных устройств от неправильной полярности включения и т. п. Известна схема диодной защиты схем постоянного тока с индуктивностями от скачков при выключении питания. Диод включается параллельно катушке так, что в «рабочем» состоянии диод закрыт. В таком случае, если резко выключить сборку, возникнет ток через диод и сила тока будет уменьшаться медленно (ЭДС индукции будет равна падению напряжения на диоде), и не возникнет мощного скачка напряжения, приводящего к искрящим контактам и выгорающим полупроводникам.

Диодные переключатели. Применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей.

Диодная искрозащита. Этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

Полупроводниковые транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В полупроводниковом триоде две p- области кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью. Транзисторы подразделяются на биполярные и полевые. Каждый из этих типов имеет свой принцип работы и конструктивное исполнение, однако, общим для них является наличие полупроводниковых p-n структур.