Полупроводниковые приборы в электронике

Полупроводниковые приборы в электронике В начале своего развития и в течение нескольких десятилетий электроника опиралась почти исключительно на электронные и ионные электровакуумные приборы. В настоящее время во всех областях современной электроники основными приборами стали полупроводниковые. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Современной физикой доказано, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольной энергией. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии или энергетическими уровнями. Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т.е находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение, а следовательно, затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями, т.е находятся на более высоких энергетических уровнях. Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом или фотоном. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Т.о., энергия электронов изменяется только квантами, т.е. определенными порциями. Распределение электронов по уровням можно изобразить схематически как на рисунке: Горизонтальными линиями показаны уровни энергии W электрона. В соответствии с, так называемой теорий твердого тела, энергетические уровни объединяются в зону. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон. В металлах и полупроводниках существует большое число электронов, находящихся на болеее высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов. Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную решетку, называемую иначе ионной или кристаллической. Такое состояние вещества соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости. На рисунке, приведенном выше изображена схема уровней энергии, или зонная энергетическая диаграмма, для металла. Следует отметить, что в действительности схема эта сложнее, число уровней в ней очень велико и они распределены неравномерно. Из рисунка видно, что у металлов зона проводимости непосредственно примыкает к валентной зоне. Поэтому при нормальной температуре в металлах большое число электронов имеет энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Практически каждый атом металла отдает в зону проводимости по крайней мере, один электрон. Т.о., число электронов проводимости в металлах не меньше числа атомов. Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут находиться. Ширина запрещенной зоны, т.е. разность между энергией нижнего уровня зоны проводимости и верхнего уровня валентной зоны, составляет несколько электрон-вольт. При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает очень малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость. У полупроводников зонная диаграмма имеет вид: Из диаграммы видно, что ширина запрещенной зоны у полупроводников меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около одного электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное количество электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости. В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используются германий (Ge) и кремний (Si), имеющие валентность равную 4. Внешние оболочки атомов германия или кремния имеют четыре валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь, называемая ковалентной изображена на рисунке: Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам два валентных электрона, показанные на рисунке жирными точками. В условном плоскостном изображении такой кристаллической решетки ковалентные связи показаны в виде линий, а электроны – в виде кружков со знаком «минус» внутри, т.к.электроны имеют условно отрицательный заряд. СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ Полупроводники представляют собой вещества, которые по удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками. При Т= 300 К у проводников удельная электрическая проводимость составляет 104 – 106 См/см (1 См/см – это проводимость 1 см3 вещества, читается как сименс на сантиметр), у диэлектриков она меньше 10-10 См/см, а у полупроводников ее значения находятся в пределах от 10-10 до 104 См/см. Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости. Принцип работы полупроводниковых приборов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение (колебания) между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут начать двигаться в определенном направлении. Такое дополнительное движение и есть электрический ток. Полупроводники также обладают дырочной проводимостью, которая не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников, поэтому рассмотрим ее подробнее. В атоме полупроводника под влиянием тепловых или других воздействий один из более удаленных от ядра валентных электронов переходит в зону проводимости. Тогда атом будет иметь положительный заряд, численно равный заряду электрона. Такой атом можно назвать положительным ионом. Отсутствие электрона в атоме полупроводника условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды. Возникновение дырки можно пояснить с помощью плоскостной модели полупроводника. Один из электронов, участвующий в ковалентной связи, получив дополнительную энергию, становится электроном проводимости, т.е. свободным носителем заряда, и может перемещаться в кристаллической решетке. А его прежнее место теперь свободно. Это и есть дырка, изображенная на рисунке пунктирным кружком. При дырочной электропроводности под влиянием приложенной разности потенциалов перемещаются дырки, что эквивалентно перемещению положительных зарядов. На самом деле, при дырочной электропроводности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении противоположном направлению электронов. Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой. На рисунке видно, что ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,72 эВ, для кремния 1,12 эВ). При температуре абсолютный нуль полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры электропроводность полупроводника повышается, т.к. электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счет этого все большее их число преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости. Этот переход показан сплошной стрелкой на рисунке. Т.о. появляются электроны проводимости и возникает электронная электропроводность. Каждый электрон, перешедший в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободное место – дырку, т.е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, число которых равно числу электронов, перешедших в зону проводимости. Следовательно, вместе с электронной создается и дырочная электропроводность. Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т.е. возникают пары электрон проводимости – дырка проводимости. Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Этому процессу соответствует показанный штриховой стрелкой переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинации всегда ограничивает возрастание числа пар носителей и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т.е. они находятся в состоянии динамического равновесия. Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-типа. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. При этом, несмотря на то, что число электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок. В собственном полупроводнике при комнатной температуре число подвижных носителей заряда по отношению к общему числу атомов составляет около 10-7 % для германия и около 10-10 % для кремния. А в металлах число электронов проводимости не меньше числа атомов. Поэтому удельная электрическая проводимость полупроводников в миллионы раз меньше, чем у металлов. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ Вещества, которые используются в качестве основного материала для изготовления полупроводниковых приборов (германий и кремний) тщательно очищаются, а затем в них добавляется строго дозированное количество примеси, которое очень мало и составляет порядка 10-4 %. Из-за этого существует трудность изготовления полупроводниковых приборов со строго дозированным количеством примеси. По этой причине разбросы значений качественных показателей полупроводниковых приборов могут составлять 100%. Атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы основного материала. Дополнительная электропроводность, возникшая в результате введения примеси называется примесной электропроводностью. Сам полупроводник при этом будет называться примесным. Примеси в кристалле могут отдавать свой электрон, в этом случае получается полупроводник с электронной проводимостью или говорят, полупроводник n-типа (от латинского negative – отрицательный). Либо примеси в кристалле могут захватывать электрон из решетки основного материала, за счет чего образуется полупроводник с дырочной проводимостью или p-типа (от латинского positive – положительный). Рассмотрим процесс формирования полупроводников n – типа и p – типа. Предположим что, в качестве основного материала использован четырехвалентный германий. При температуре абсолютного нуля (Т = 0°К = - 273°С) данный полупроводник – диэлектрик. У германия четыре электрона, вращающиеся по внешним орбитам образуют парные или ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия. В качестве примеси могут быть использованы вещества либо с большей (чем у четырехвалентного Ge) валентностью, например, пятивалентные фосфор(Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), либо с меньшей валентностью, например, трехвалентные бор (В), индий (In), алюминий (Аl). При использовании в качестве примеси фосфора, четыре его электрона образуют жесткие ковалентные связи с четырьмя электронами соседних атомов германия, а пятый электрон оказывается слабо связанным. При воздействии на него внешнего импульса энергии (например, повышения температуры) он может покинуть атом фосфора, стать свободным, при этом атом фосфора становится положительно заряженным ионом (неподвижным, т.к. он находится в одном из узлов кристаллической решетки). Наличие свободных электронов приводит к тому, что примесная электропроводность полупроводника резко возрастает. Т.к. электропроводность обусловлена наличием электронов, то такой полупроводник называется электронным или n-типа. Примесь в этом случае, называется донорной. С точки зрения зонной теории, энергетические уровни атомов донора расположены лишь немного ниже зоны проводимости основного материала, что отображено на рисунке: Поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости, и т.о. в этой зоне появляется дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора при этом дырки не образуются. При внедрении в решетку германия в качестве примеси трехвалентного индия, три его электрона образуют ковалентную связь с тремя электронами соседних атомов германия, а четвертое место является вакантным, и его называют дыркой. Атом индия, захватывая электрон, становится отрицательно заряженным ионом. Т.к. дополнительная электропроводность является дырочной, то полупроводник будет так же называться дырочным или p-типа. Примесь в таком случае называется акцепторной. На рисунке показано схематически, как атом акцепторной примеси (индий), внедренный в кристаллическую решетку германия, захватывает электрон от соседнего атома германия, в котором при этом создается дырка. С точки зрения зонной теории, энергетические уровни акцепторных атомов располагаются лишь немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникают дырки. Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси или акцепторной примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда. В полупроводнике n-типа концентрация концентрация свободных электронов Nn значительно выше концентрации дырок Pn, а в полупроводнике p-типа – наоборот, концентрация дырок Pp значительно выше концентрации электронов Np. Носители заряда, концентрация которых в полупроводнике преобладающая называются – основными. Носители противоположного знака – неосновными. Т.о. основные носители образуются за счет введения примеси, неосновные – за счет собственной электропроводности полупроводника. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ (P-N) ПЕРЕХОД В основе работы всех полупроводниковых устройств лежит так называемый p-n-преход. P-N – переход – это область на границе двух полупроводниковых слоев с электронной и дырочной электропроводностью в едином монокристалле. На границе раздела создается резкий градиент концентраций одноименных носителей заряда, т.к. Pp >> Pn; Nn>>Np При отсутствии внешнего электрического поля, приложенного к переходу на границе p-n перехода происходит диффузия – т.е. переход одноименных носителей заряда из области их высокой концентрации (в которой они являются основными) в область низкой (где они являются неосновными). Это направленное движение создает диффузионный ток Iдиф. Процесс диффузии стремится к уравновешиванию концентраций одноименных носителей заряда на границе перехода. В результате, диффузия привела к возникновению объемного нескомпенсированного заряда, отрицательного в p-области и положительного в n-области. Область, которую занял этот заряд показана на рисунке: Т.о. на переходе возникает внутреннее поле – Евнутр (контактная разность потенциалов φк) - потенциальный барьер, который создает тормозящее действие для основных носителей. Приконтактная область, занятая объемным зарядом называется запирающим (запорным) слоем. (Т.е. это слой, откуда ушли основные носители). В то же время, это внутреннее поле воздействует на неосновные носители, создавая встречный дрейфовый ток – Iдрейф. Эти токи (диффузионный и дрейфовый показаны на рисунке): В равновесном состоянии, когда Евнеш (внешнее электрическое поле) отсутствует, т.е. равно нулю, диффузионный и дрейфовый токи уравновешиваются и общий ток через переход равен нулю: Iдиф + Iдрейф = 0 Это уравнение равновесного состояния на границе. ПРЯМОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ (СМЕЩЕНИЕ) P-N ПЕРЕХОДА Если подключить внешнее напряжение к p-n переходу в прямом направлении (т.е. к p-области – «плюсом», а к n-области – «минусом»). При этом, внешнее электрическое поле – Евнеш, создаваемое приложенным внешним напряжением, направлено навстречу внутреннему полю - Евнутр и созданной контактной разности потенциалов φк, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n переходе. Запирающий слой, при этом, уменьшается, а при напряжении порядка 0,3- 0,5 В, в зависимости от исходного материала – совсем исчезает. Сопротивление p-n перехода уменьшается, создаются условия для движения основных носителей заряда (инжекция) и диффузионный ток резко возрастает. Дрейфовый ток через переход не меняется, т.к. он определяется только количеством неосновных носителей заряда. Для данного полупроводника концентрация их при определенной температуре является постоянной. Общий прямой ток через переход будет определяться следующим образом: Iпрямой = Iдиф – Iдрейф С повышением приложенного напряжения прямой ток увеличивается. Состояние p-n перехода, когда к нему подведено прямое напряжение, сопротивление его мало и через него протекает большой прямой ток, называется открытым. ОБРАТНОЕ ВКЛЮЧЕНИЕ (СМЕЩЕНИЕ) P-N ПЕРЕХОДА При обратном подключении внешнего электрического поля (т.е. к p-области – «минусом», а к n-области – «плюсом»), внешнее электрическое поле Евнеш совпадает по направлению с внутренним, расширяя запирающий слой. Т.о. основные носители устремятся от контакта. Потенциальный барьер (и запирающий слой) возрастет на величину Uобр – приложенного внешнего напряжения. Это затрудняет прохождение через p-n переход основных носителей, следовательно, диффузионный ток Iдиф резко уменьшится. Дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями, можно считать неизменным и он теперь будет превышать диффузионный. Общий обратный ток через переход будет определяться следующим образом: Iобр = Iдрейф - Iдиф Состояние p-n перехода, когда к нему подведено обратное напряжение, сопротивление его велико и через него протекает малый обратный ток, называется закрытым. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА (ВАХ) P-N ПЕРЕХОДА Рассчитывается аналитически по формуле: где U – приложенное напряжение; Iобр – тепловой ток или ток неосновных носителей; φт – тепловой потенциал в вольтах; ВАХ имеет прямую ветвь (для прямого включения) и обратную ветвь (для обратного), и может быть представлена в виде: Из рисунка видно, что характеристика нелинейная, на ней можно выделить 4 участка: Участок 1 – Евнеш < Евнутр, сказывается влияние дрейфового тока, поэтому прямой ток мал. Участок 2 – Евнеш > Евнутр, потенциальный барьер (или запирающий слой) отсутствует. Ток определяется только сопротивлением полупроводника. Участок 3 – при небольших обратных напряжениях наблюдается некоторое увеличение обратного тока за счет уменьшения диффузионной составляющей тока. С ростом Uобр диффузионный ток становится равным нулю. Обратный ток становится равным дрейфовому току, и будет оставаться постоянным. Участок 4 – при увеличении обратного напряжения и превышения им некоторого значения Uобр. пробоя обратный ток резко возрастает. Такое явление называется пробоем p-n перехода, а обратное напряжение, при котором происходит резкое возрастание обратного тока – напряжением пробоя. Напряжение пробоя p-n перехода лежит в пределах от единиц до сотен вольт. Различают четыре вида пробоя: лавинный, туннельный, поверхностный, тепловой. Лавинный пробой происходит при достижении UОБР= UОБР.ПРОБОЯ. При этом неосновные носители заряда под действием электрического поля приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение электронов и дырок, что приводит к резкому возрастанию обратного тока при почти неизменном напряжении. Лавинный пробой развивается в относительно широких переходах с малой концентрацией примесей. С ростом температуры условия лавинного пробоя ухудшаются. Туннельный пробой обусловлен непосредственным отрывом валентных электронов от атомов кристаллической решётки под действием сильного электрического поля. Развивается туннельный пробой в узких p-n-переходах, где имеется высокая напряжённость электрического поля. Условия туннельного пробоя улучшаются с ростом температуры. Поверхностный пробой развивается при протекании по поверхности p-n-перехода токов утечки, вызываемых дефектами и загрязнением внешней поверхности p-n-структуры. Тепловой пробой возникает за счёт интенсивного размножения носителей заряда при недопустимом повышении температуры. Рост числа носителей заряда вызывает увеличение обратного тока и ещё больший разогрев. Процесс заканчивается нарушением структуры p-n-перехода и выходом прибора из строя. Лавинный и туннельный пробои являются обратимыми. При снижении напряжения свойства p-n-перехода восстанавливаются, если обратный ток не достигал предела, выше которого развивается тепловой пробой. Характерной особенностью полупроводниковых приборов является зависимость их характеристик и параметров от температуры. С ростом температуры концентрация носителей заряда увеличивается, что приводит к росту как Inp, так и Iобр. На рисунке показаны ВАХ точечного диода при различных температурах. Емкостные свойства p-n-перехода обусловлены наличием по обе стороны от границы p-n-перехода электрических зарядов, созданных ионами примесей, а также подвижными носителями зарядов, находящимися вблизи границы от p-n-перехода. Ёмкость p-n-перехода складывается из барьерной и диффузионной емкостей. Барьерная ёмкость определяется наличием объёмных зарядов по обе стороны от границы раздела р- и n-слоёв. Диффузионная ёмкость обусловлена изменением суммарных зарядов неравновесных электронов и дырок слева и справа от р-п-перехода в результате протекания диффузионного тока через него. Величина диффузионной ёмкости зависит от величины приложенного прямого напряжения и может составлять сотни пикофарад. При прямом включении перехода проявляется, в основном, диффузионная ёмкость. При обратном включении главную роль играет барьерная ёмкость. Величина барьерной ёмкости зависит от ширины и площади p-n-перехода. Поскольку с ростом обратного напряжения ширина p-n-перехода возрастает, барьерная ёмкости уменьшается. На этом свойстве p-n-перехода основана работа варикапов, используемых в качестве ёмкости, управляемой напряжением. Величина СБАР составляет десятки пикофарад. Из ВАХ p-n перехода видно, что он обладает вентильными свойствами, т.е. может использоваться в качестве диода. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковый диод ─ это электронный преобразовательный прибор с одним p-n-переходом, обладающий свойством односторонней проводимости тока. На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде стрелки, которая показывает направление прямого тока через переход. Диод имеет анод, который представляет собой p-область и катод, представляющий n-область. Т.о., чтобы включить диод прямо, необходимо на его анод подать потенциал выше, чем на катод. Классификация и условные обозначения диодов приведены на рисунке: В зависимости от величины прямого тока, выпрямительные диоды подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные (силовые). Классификация по мощности приведена в таблице: Iпр Uпр Iобр Uобр Рмал 300 мА 1-2 В ~1 мкА 20-60 В Рсред до 3 А 1-2 В ~100 мкА 200-600В Рбол >10 А 1-2 В ~1 мА >1 кВ Т.о. В маломощных диодах выделяющееся тепло рассеивается корпусом диодов. Диоды средней мощности и силовые диоды снабжаются теплоотводами. СТАБИЛИТРОНЫ Полупроводниковый стабилитрон ─ это диод, на котором напряжение в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Стабилитрон служит для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении в обратном направлении. Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее электрический пробой p-n-перехода. В режиме пробоя нагрев диода не носит лавинообразный характер. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой. ВАХ стабилитрона приведена на рисунке. Из неё видно, что на рабочем участке (1-2) при больших изменениях тока стабилизации напряжение на стабилитроне изменяется незначительно. Основными параметрами стабилитрона являются: 1) напряжение на участке стабилизации Uст; 2) температурный коэффициент напряжения: ; 3) минимальный ток стабилизации Icт.min; 4) максимальный ток стабилизации Icт.max; 5) динамическое сопротивление . Напряжение стабилизации стабилитронов Uст лежит в пределах 3…1000В. Минимальный ток стабилизации Icт.min лежит в пределах 1…10мA. Максимальный ток стабилизации Icт.max лежит в пределах 50…2000мA. Значение Icт.max ограничивается возможностью наступления теплового пробоя. Для большинства стабилитронов Rд=0,5…200Ом. Рабочая схема параметрического стабилизатора представлена на рисунке: