Физические основы полупроводников

УДК 621.3

 

 

ISBN5- с Пермский государственный

технический университет, 2000

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

 

1. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. М.: Энергоатомиздат,1988.320с.

2. Основы промышленной электроники / Под ред. проф. В.Г. Герасимова. М.: Высш. шк.,1986,335с.

3. Забродин Ю.С. Промышленная электроника. М.: Высш. шк., 1982, 496с.

 

 

ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

Современные сложные электронные устройства содержат до 10⁹ элементов, что обусловливает необходимость решения проблем надежности, миниатюризации, автоматизации проектирования и изготовления.

1.Надёжность оценивают по времени безотказной работы Т,

,

где t_i - время безотказной работы одного элемента;

n - количество элементов;

Пути увеличения надёжности:

-увеличение t_i (улучшение технологии и контроля, новое обрабатывающее оборудование);

-уменьшение n («упаковка» в интегральные микросхемы - ИМС);

-применении интегральных микросхем ( сегодня в одной ИМС до 10⁶ элементов. надёжность ИМС надёжности одного транзистора ).

2. Миниатюризация. Микросхема, содержащая 10⁶ элементов, занимает объём 1см³.

3. Автоматизация проектирования и изготовления. Ориентация на использование ИМС обусловливает применение ЭВМ как для их проектирования, так и для изготовления.

 

Полупроводниковые приборы

Физические основы полупроводников

 

Для объяснения электропроводности твердых тел целесообразно использовать понятие энергетической зоны. Энергетическая зона - это множество энергетических подуровней, которые получены при соединении атомов в кристалл за счёт расщепления соответствующего энергетического уровня электронов отдельного атома

С точки зрения электропроводности нас интересует взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости (рис.1.1).

 

Валентная зона (ВЗ) получается при расщеплении энергетических уровней валентных электронов. Зона проводимости (ЗП ) это ближайшая к валентной зоне разрешённая зона. В эту зону попадает электрон, если ему сообщить дополнительную энергию. Электрон становится свободным (т.е. способным перемещаться под действием электрического поля, создавая электрический ток),если рядом есть свободные энергетические подуровни. Так как в валентной зоне, как правило, нет свободных подуровней, то электрон становится свободным попадая в зону проводимости.

У диэлектрика зона проводимости отделена от валентной зоны широкой запрещенной зоной (ЗЗ), которую электрон из валентной зоны не может преодолеть ни при каком воздействии. Отсутствие свободных электронов обусловливает высокое сопротивление диэлектриков.

У металлов практически нет запрещённой зоны, поэтому электроны свободно попадают в зону проводимости. Наличие большого количества свободных электронов приводит к тому, что металлы хорошо проводят электрический ток.

У полупроводников узкая запрещенная зона, и электрон при определённом воздействии может её преодолеть. По величине электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Когда в полупроводнике электрон из валентной зоны попадает в зону проводимости, то в валентной зоне появляется свободное место - «дырка».

Четырехвалентные полупроводники Ge и Si имеют кристаллическое строение,при котором атомы в тетраэдрической решетке связаны ковалентными связями, т.е. каждый атом имеет с четырьмя соседними атомами по два общих электрона (рис.1.2).

 

Проводимость чистых полупроводников (Si, Ge ). Используя модель кристаллического строения полупроводников, получение свободных носителей заряда можно объяснить следующим образом. Под воздействием внешних факторов электрон может покидать своё место и становиться свободным. Освободившееся место – дырка - несёт положительный заряд.

Характер проводимости – смешанный, так как количество электронов равно количеству дырок.

 

 

Получение полупроводников электронной проводимости (n-типа). Для получения полупроводников n- типа в чистый 4 валентный полупроводник добавляется 5 валентная (донорная) примесь.

Примесь не образует своих зон, так как атомы примеси расположены далеко друг от друга.

Энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводников n- типа представлены на рис.1.3 и рис.1.4. Уровень примеси находится рядом с зоной проводимости. Электроны с уровня примеси при малейшем воздействии переходят в зону проводимости и становятся свободными. Как видно из рис.1.4., пятый валентный электрон примеси не участвует в ковалентных связях с атомом. При малейшем воздействии он покидает атом и становится свободным. В узле решетки остаётся положительно заряженный ион. В таком полупроводнике много свободных электронов.

Получение полупроводников дырочной проводимости (р-типа).

Для получения полупроводника дырочной проводимости в чистый исходный полупроводник вводится 3- валентная (акцепторная) примесь.

На рис.1.5 и рис.1.6 представлены энергетическая диаграмма и кристаллическое строение полупроводника. Не полностью заполненный уровень примеси находится около валентной зоны. При малейшем воздействии электроны переходят из валентной зоны на уровень примеси. В валентной зоне остаются свободные места - дырки.

Как видно из рис.1.6., у 3-валентной примеси не хватает одного электрона для ковалентных связей с соседними атомами. Одна связь – дефектная, здесь как бы свободное место, на которое может перейти электрон с другой связи, и опять остаётся свободное место и т. д. В таком полупроводнике избыток свободных мест - дырок.

 

Основные и неосновные носители заряда. Основные носители заряда – это носители, которые обусловливают данный тип проводимости. Их концентрация велика. Неосновные носители – это носители,противоположные основным. Их концентрация мала. Они появляются в результате незапланированных примесей.

 

Электронно-дырочный переход (р–п-переход).Р-n- переходом называется пограничная область контакта двух полупроводников различного типа проводимости, обладающая пониженной концентрацией основных носителей, а вследствие этого повышенным сопротивлением.

Структура и процессы р-n-переходе.

После соприкосновения полупроводников в пограничной области происходит :

1. Диффузия основных носителей заряда (дырок из области р в n -область, электронов из области n в р- область).

2. Возникает нескомпенсированный заряд r, создаваемый слоями ионов.

3. Под воздействием нескомпенсированного заряда возникает электрическое поле p-n перехода - E_pn и потенциальный барьер j (контактная разность потенциалов) с полярностью препятствующей дальнейшему перемещению основных носителей под действием сил диффузии.

4. Диффузия прекращается (основные носители прекращают движение).

5. Возникает движение неосновных носителей под действием потенциального барьера.

Используя информацию о кристаллическом строении полупроводников p- и n -типа процессы в p-n- переходе можно объяснить следующим образом. Пятый валентный электрон примеси полупроводника n -типа переходит на дефектную ковалентную связь примеси полупроводника p -типа. В пограничной области n возникает слой положительных ионов, в пограничной области p - слой отрицательных ионов. Таким образом, в пограничной области не стало ни свободных электронов, ни свободных дырок, поэтому она обладает повышенным сопротивлением.

Токи в р-n-переходе:I _диф. - ток диффузии - ток основных носителей; I _{прово д.} - ток проводимости(ток дрейфа) - ток неосновных носителей; I_p-n -ток через p-n – переход,

I_p-n =I _диф -I _провод. В установившемся режиме .

 

 

P-n-переход под воздействием внешнего напряжения (рис.1.8, рис1.9).

 

При прямом включение р-n -перехода напряжение U подключается плюсом к p, а минусом к n. Так как электрическое поле источника Е_ист направлено на встречу электрическому полю p-n- перехода, то все эффекты создаваемые полем р-n –перехода ослабятся:

1) сузится область р-n- перехода (L);

2) сопротивление R ¯;

3) потенциальный барьер j ¯;

4) I_диф ­;

5) I_пров ¯;

6)½ I_p-n ½­.

При обратном включении p-n- перехода напряжение U подключается плюсом к n, а минусом к p. Поскольку электрическое поле источника Е_ист совпадает по направлению с полем р-n -перехода,., то все эффекты создаваемые полем р-n- перехода будут усилены.

1) расширится область р-n -перехода (L);

2) сопротивление R ­;

3) потенциальный барьер ­;

4) I_диф ¯;

5) I_пров ­;

6) ½ I_n-p ½­, но не намного, так как неосновных носителей мало.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода I=f(U) (рис.1.10) Так как при прямом включении ток создается основными носителями, а при обратном - неосновными, то прямой ток много больше обратного. Поскольку обратный ток на участке 0-1 на 3 порядка меньше прямого, то им можно пренебречь и считать, что ток через р-n- переход проходит только в одном направлении (вентильное свойство р-n- перехода).

 

 

Пробой p-n-перехода. Пробой – это резкое возрастание обратного тока. На рис. 1.10 1-2 – участок электрического пробоя (увеличение тока связано с увеличением носителей зарядов под действием ударной ионизации нейтральных атомов движущимися электронами).

2-3 – участок теплового пробоя (увеличение тока связано с термогенерацией носителей зарядов).

Электрический пробой обратим, а тепловой нет.

 

Основные свойства р-n-перехода.:

1. Повышенное сопротивление.

2. Вентильное свойство.

3. Пробой.

4. Емкостное свойство. В пограничной области р-n-перехода накапливаются заряды, а сама область обладает повышенным сопротивлением. В этом смысле р-n-переход

 

напоминает конденсатор, поэтому р-n-переход обладает емкостным свойством.

Изменение ширины p-n-перехода под воздействием приложенного напряжения.

Диоды.

Диод - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на каком-либо свойстве одного р-n-перехода.

Выпрямительные диоды. Используется вентильное свойство p-n перехода.

Данные диоды используются в основном для создания выпрямителей. Наиболее распространены диоды на основе G e (ГД) и Si(КД).

Величина обратного тока диода зависит от температуры (рис. 1.11).

ГД – более температурно зависимы; КД – менее температурно зависимы.

 

 

 

Условное обозначение

 

:

 

Однофазная 2^х полупериодная схема выпрямителя приведена на рис. 1.12.

В первую половину периода в соответствии с указанной на рисунке полярностью напряжения открыты диоды Д1 и Д3. Диоды Д2 и Д4 закрыты.Во второй полупериод полярность изменяется - открыты Д2 и Д4, а закрыты Д1 и Д3.

В первую половину периода ток i обозначен сплошной линией, во вторую ток i₂ - штриховой. Оба тока i₁ и i₂ по нагрузке протекают в одном направлении, т.е. по нагрузке протекает постоянный по направлению - пульсирующий ток.

.

Временная диаграмма работы выпрямителя представлена на рис. 1.13.

Для сглаживания пульсаций включают ёмкостной фильтр С_ф и стабилизатор.

 

 

 

 

Стабилитроны.- это полупроводниковые приборы, использующие при работе свойство электрического пробоя. Применяются наиболее часто в стабилизаторах для сглаживания пульсации напряжения Включение производят в обратном направлении. ВАХ стабилитрона приведена на рис.1.14. В рабочей области характеристики стабилитрона малому изменению напряжения соответствует значительное изменение тока.

 

 

Условное обозначение:

 

 

 

Схема параметрического стабилизатора приведена на рис. 1.15, где R_б – балластное сопротивление; U₂=U₁ - U_б . При изменении напряжения U₁ происходит резкое изменение тока через стабилитрон в соответствии с этим резко изменяется U_б, в результате чего U₂ остается практически неизменным.

 

Варикап - это диод, принцип действия которого основан на емкостном свойстве p-n -перехода. Зависимость C=f(U) приведена на рис.1.16.Используется в устройствах автоматической подстройки частоты (АПЧ).

 

 

Условное обозначение:

 

Светодиод- это полупроводниковый прибор, в котором используется выделение энергии в виде света при прохождении тока. Такие диоды используют в устройствах индикации.

: Условное обозначение светодиода

 

Фотодиод - это полупроводниковый прибор, реагирующий на свет.

Работает в двух режимах:

фотопреобразовательном и фотогенераторном. В фотопреобразовательном режиме под воздействием светового потока Ф увеличивается обратный ток фотодиода. Такие диоды используют в устройствах,реагирующих на свет.

В фотогенераторном режиме диод работает как источник электрической энергии, преобразующий энергию света в электрическую. ВАХ фотодиода представлена на рис. 1.17.

 

Транзисторы

 

Транзисторы - это приборы предназначенные для регулирования тока и работы в качестве усилительных элементов в усилительных схемах

.

 

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР - это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на совокупных свойствах двух p-n -переходов. Транзистор имеет трехслойную структуру. В соответствии с порядком чередования слоев различают транзисторы PNP -и NPN – типа. На рис.1.18а и 1.18б представлены структуры и условные обозначения транзисторов PNP – и NPN – типа.

Рис. 1.18.

 

Структура и принцип действия транзистора PNP -типа приведены на рис.1.19. Конструктивные особенности среднего слоя (базы): база выполняется очень узкой (несколько микрон) и концентрация основных носителей (электронов)в ней очень мала. Транзистор включает 2 p-n- перехода:

I p-n– переход включим в прямом направлении.

II p-n- переход включим в обратном правлении.

Под воздействием приложенного напряжения дырки из эмиттера устремляются в базу через открытый p-n- переход Э -Б, создавая ток эмиттера I_Э. Встречным потоком электронов можно пренебречь вследствие их малого количества. Из-за особенностей базы лишь небольшая часть пришедших дырок рекомбинирует с , создавая небольшой ток базы I_Б. Основная же часть дырок достигает II (закрытого) p-n- перехода. Поскольку дырки в базе являются неосновными носителями, то поле закрытого p-n- перехода для них ускоряющее и они втягиваются в область коллектора, создавая ток коллектора I_K.

 

Очевидно, что I_Э =I_К + I_Б, а так как. ток базы мал,то I_К @ I_Э . Усилительные свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи тока. .

 

Различают 3 схемы включениятранзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором:

1. Схема с общей базой (рис.1.20):

, .

 

Так как I_Э I_К, а напряжение U_КБ >>U_{Б Э} Þ P_ВЫХ>>P_ВХ,то идет усиление сигнала по мощности.

2. Схема с общим коллектором (рис.1.21):

 

,

.

При a = 0,95 g= 20, т.е.

сигнал усиливается по току и по мощности.

 

3. Схема с общим эмиттером (рис.1.22).

 

При a= 0,95 b= 19.

Схема усиливает сигнал по току, напряжению и мощности и является самой распространенной схемой включения.

Анализируя схемы включения транзистора можно сделать вывод, что источник входного сигнала подключается к открытому переходу эмиттер - база, обладающему малым сопротивлением. Следовательно биполярный транзистор обладает малым входным сопротивлением. Это является его основным недостатком.

 

Статические вольт-амперные характеристики схемы с общим эмиттером Различают два семейства характеристик:

входные I_ВХ = f(U_ВХ) при U_ВЫХ = const, то есть I_Б = f(U_Б) при U_К = const (рис.1.23,а) и

выходные I_ВЫХ =f(U_ВЫХ) при I_ВХ =const, то есть I_К = f(U_К) при I_Б = const (рис.1.23,б).

 

По выходным характеристикам можно определить

b =

Области работы транзистора. На выходных характеристиках можно выделить три области работы транзистора (рис.1.24): насыщения (I); линейной работы (II); отсечки (III).

 

 

В области отсечки и насыщения нет прямопропорциональной зависимости между входным и выходным током, эта зависимость наблюдается только в области линейной работы, где DIк=b I_{Б .} (таблица).

 

 

Область работы	Состояние p-n-переходов	Зависимость IВЫХ=f(IВХ)
эмиттер- база	база- коллектор
Насыщения	Открыт	Открыт	Не зависит (транзистор полностью открыт)
Отсечки	Закрыт	Закрыт	Не зависит (транзистор полностью закрыт)
Линейная	Открыт	Закрыт	Прямопропорциональная

Передельно-допустимые параметры транзистора. Для нормальной работы транзистора необходимо укладываться в область, ограниченную предельно допустимыми параметрами: U_{k (max)}, I_{k (max)}, P_{k (max )}:

- если U_k > U_{k (max)}, возможен пробой коллекторного р-n перехода;

- если I_k > I_k(max), возможен перегрев эмиттерного р-n перехода;

- если P_k >P_{k (max)} работа транзистора невозможна из-за перегрева коллекторного р-n- перехода (t^o ~ Р_k). Область работы транзистора ограничивают все три условия (рис.1.25).

 

Пример конструкции биполярного транзистора (рис.1.26). В пластину Ge_n вплавляют кусочки акцептора (In). В месте вплавления в результате диффузии получаются участки полупроводника p - типа (Ge_p ).

 

 

ПОЛЕВОЙ (УНИПОЛЯРНЫЙ) ТРАНЗИСТОР– это транзистор, в котором ток через канал регулируется с помощью электрического поля затвора.

Условное обозначение

Электроды полевого транзистора:

- исток (И) –электрод, через который носители заряда входят в канал,

- сток (С) -электрод, через который носители заряда выходят из канала,

-затвор (З)– электрод, с помощью которого регулируется ток через канал.

 

Полевой транзистор с каналом n-типа и затвором в виде р-n-перехода. Структура полевого транзистора данного типа, представленная на рис.1.27 имеет один р-n -переход между затвором и каналом, который включают в обратном направлении, при этом возникает область повышенного сопротивления (заштрихованная область на рис.1.27.).

 

Под воздействием напряжения U_ИС ток через канал протекает только по той части, которая не входит в область р-n- перехода. Изменяя напряжение на затворе, мы изменяем область р-n- перехода, за счет чего изменяется та часть канала, по которой протекает ток (активное сечение канала). Эти изменения вызывают изменение сопротивления канала, а следовательно и тока через канал, т.е. изменяя напряжение на затворе можно регулировать ток через канал:

(ï U_зи1ï<ïU_зи2 ï) Þ (S₁>S₂) Þ (R_k1<R_k2) Þ (I_k1>I_k2),

здесь S - площадь активного канала сечения,

R_K - сопротивление канала,

I_K - ток канала;

 

 

 

Схема с общим истоком (рис.1.28). Источник входного сигнала (ИС) подключен к закрытому р-n -переходу, обладающему большим сопротивлением, следовательно, прибор обладает высоким входным сопротивлением - это его главное преимущество перед биполярным транзистором.

Выходные характеристики схемы с общим истоком представлены на рис.1.29.

Рис.1.28.

 

 

Основной параметр рассматриваемого транзистора, характеризующий его усилительные

свойства, S –крутизна характеристики,

Полевые транзисторы бывают двух типов: с затвором в виде p-n- перехода и с изолированным затвором.

Тиристоры

Тиристор – это полупроводниковый прибор, обладающий двумя состояниями:

выключено (сопротивление велико Þ ток мал) и включено (сопротивление мало Þ ток относительно велик)

Переход из одного состояния в другое происходит скачком.

Существуют следующие разновидности тиристоров:

- одно-операционный тиристор;

- симметричный тиристор (симистор);

- двух - операционный тиристор;

- фототиристор.

 

Структура тиристора включает как минимум 3 p-n-- перехода.

Структура и принцип действия неуправляемого тиристора (динистора), показаны на рис.1.30, где R - ограничительное сопротивление. I и III p-n- переходы открыты,

а II p-n- переход закрыт.

 

 

 

Условное обозначение.

 

 

 

Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис.1.31, где участок 0-1 соответствует состоянию ‘‘выключено”; участок 2-3 – состоянию ‘‘включено’’;

участок 1-2 – переход из состояния ‘‘выключено’’ в состояние ‘‘включено’’. При увеличении напряжения тиристор сначала находится в состоянии ‘‘выключено’’ – средний р-n- переход включен в обратном направлении, сопротивление всей структуры велико, ток мал. При достижения напряжения переключения U_п в закрытом р-n -переходе происходят процессы

 

внешне напоминающие его пробой, сопротивление среднего р-n перехода, а следовательно и всей структуры резко падает и тиристор переходит в состояние ‘‘включено’’.

Для выключения необходимо снять напряжение.При смене полярности будут закрыты два p-n- перехода и ток через тиристор практически не протекает.

 

Однооперационный управляемый тиристор имеет управляющий электрод (УЭ)

С помощью I_у через УЭ можно включать тиристор. Схема включения однооперационного тиристора представлена на рис.1.32.

 

 

Условное обозначение.

 

Вольт-амперная характеристика

однооперационного тиристора представлена на рис.1.33.

С увеличением I_у, напряжение U_п уменьшается.

Существует два способа включения одноперационного управляемого тиристора:

1) I_у=0, U>U_п. (УЭ не используют).

2)U<U_п , I_y>0 (тиристор включается с помощью УЭ).

Способ выключения один - снятие питающего напряжения U.

Применение тиристора в управляемом выпрямителе.

 

 

Управляемым называется выпрямитель, у которого можно регулировать U_ВЫХ, т. е. U_ВЫХ = f (a), где a- некий параметр.

Рассмотрим схему однополупериодного управляемого выпрямителя (рис.1.34).

Блок управления (БУ) предназначен для подачи управляющих импульсов на управляющий электрод - тиристор открывается при подаче импульса от блока управления.

 

Работа выпрямителя иллюстрируется временной диаграммой (рис. 1.35.)

До подачи управляющего импульса – I_упр тиристор закрыт. После подачи I_упр тиристор открывается и остается открытым до момента прохождения синусоиды через ноль.

Изменяя время подачи управляющего импульса, мы изменяем время открытого состояния тиристора, за счет чего изменяется величина выпрямленного напряжения.

Чем больше a, тем меньше U_{ВЫХ сред.}

Симметричный тиристор. Структура и ВАХ симметричного тиристорапредставлены на рис. 1.36. Симметричная вольт-амперная характеристика создается за счет наличия двух параллельных структур с разным чередованием слоев.

При одной полярности напряжения работает одна структура. При противоположной полярности - другая.

 

Условное обозначение.

 

 

 

Двухоперационный тиристор. С помощью управляющего электрода можно включать и выключать тиристор (рис.1.37).

 

Фототиристор. В фототиристоре (рис.1.38) роль импульса тока управляющего электрода играет импульс света. Импульс света воздействует на закрытый р-n-переход.

1.1.5 Оптрон

Оптрон - это прибор, состоящий из трех элементов (рис.1.39):

1) элемента, преобразующего электрический сигнал в световой (например,светодиода); 2) элемента, преобразующего свет в электрический сигнал (например, фотодиода);

3) оптического канала, соединяющего первый и второй элементы

Преимущества оптрона: полная электрическая развязка между первым и вторым элементами и отсутствие электромагнитного излучения при передаче информации через световой сигнал. Недостаток: низкий КПД (<10%)

 

 

Условное обозначение оптопары светодиод - фотодиод.