ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

1. Основные свойства p-n перехода

В полупроводниковых приборах, применяемых в современной электронной технике, используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении (легировании) в материал элементов IV группы периодической системы (в основном, кремния и германия) примеси из элементов III или V группы.

При легировании примеси элементов V группы (сурьма, фосфор, мышьяк) в полупроводниковом материале образуется избыток электронов и их концентрация становится много больше концентрации дырок. Таким образом, получаются полупроводниковые материалы типа n, обладающие электронной проводимостью. Полупроводниковые материалы типа p, обладающие дырочной проводимостью, создаются при легировании в полупроводниковый материал примеси элементов III группы периодической системы (бор, алюминий, индий), в результате чего образуется избыток дырок.

В примесных полупроводниковых материалах имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Концентрация основных носителей заряда существенно превышает концентрацию неосновных носителей. В материале типа n основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. В материале типа p основными носителями заряда являются дырки, неосновными – электроны.

Во многих типах полупроводниковых приборах используется свойство электронно-дырочного или p - n перехода, образующегося на границе двух слоев, полупроводниковые материалы которых различаются характером проводимости. На границе образуется запирающий слой, формирование которого можно объяснить следующим образом. При контакте слоев полупроводниковых материалов, обладающих различным типом проводимостей, диффузия дырок из p-слоя в n-слой и электронов из n-слоя в p-слой создает по обе стороны границы заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в p-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Вследствие этих процессов, как следует из схемы рис.1.1, положительный заряд в n-слое будет препятствовать дальнейшей диффузии дырок из p-слоя, а отрицательный заряд в p-слое будет препятствовать диффузии электронов из n-слоя. Создающийся таким образом запирающий слой, препятствующий взаимному переходу основных носителей заряда через границы p- и n-слоев, характеризуется высотой потенциального барьера. В табл.1.1 приведены данные о величине высоты потенциального барьера для германия и кремния при комнатной температуре.

Рисунок 1.1. Схема, иллюстрирующая образование

запирающего слоя в p-n переходе (а) и схема замещения

p-n перехода (б)

Таблица 1.1

Параметры полупроводниковых материалов

Полупроводник материал	Высота потенциального барьера, В	Верхняя температурная граница, °С
Германий	0,3 0,5	75 – 85
Кремний	0,6 0,8	150 - 170

Высота потенциального барьера и ширина запирающего слоя зависят от концентрации примесей в p и n-слоях. Кроме того, значения этих параметров p-n перехода зависят от знака и величины приложенного внешнего напряжения. Данные, приведенные в табл.1.1, соответствуют случаю, когда это напряжение отсутствует. Если приложено положительное напряжение («плюс» к p-слою, «минус» - к n-слою), то направления внутреннего электрического поля перехода и поля, обусловленного внешним напряжением, оказываются противоположными. В результате уменьшаются высота потенциального барьера запирающего слоя, а также ширина этого слоя. При отрицательном внешнем напряжении суммарная напряженность электрического поля в p-n-переходе возрастает, что увеличивает и высоту потенциального барьера и ширину запирающего слоя.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода имеет вид, представленный на рис.1.2. При положительном внешнем напряжении через p-n переход протекает ток, обусловленный переносом основных носителей заряда и называемый прямым. В результате концентрация неосновных носителей заряда по обе стороны перехода существенно возрастает по сравнению с равновесной в отсутствии внешнего напряжения, что уменьшает высоту этого барьера. По мере уменьшения высоты этого барьера величина прямого тока IПР возрастает экспоненциально.

Рисунок 1.2. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

При отрицательном внешнем напряжении через p-n-переход протекает ток, обусловленный переносом неосновных носителей заряда и называемым обратным. В этом случае, например, неосновные носители заряда из слоя с дырочной проводимостью, электроны, попадая в слой с электронной проводимостью, становятся там основными. Аналогичная ситуация имеет место и для дырок, неосновных носителей заряда в слое с электронной проводимостью. Поскольку в каждом слое p-n перехода концентрация основных носителей заряда существенно превышает концентрацию неосновных носителей заряда, то появление дополнительно небольшого числа основных носителей заряда не изменяет состояния перехода. Поэтому величина обратного тока IОБР практически не зависит от приложенного обратного напряжения.

При положительном внешнем напряжении, лишь незначительно превышающем высоту потенциального барьера в его отсутствие, через переход протекают большие токи. Поэтому переход считается открытым, величина его сопротивления rотк мала. Протекающий через p-n переход ток при отрицательном внешнем напряжении на несколько порядков меньше тока при положительном внешнем напряжении. Переход считается закрытым, его сопротивление весьма велико. Эти состояния p-n перехода отражены в схеме замещения на рис.1.1.б. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» соответствует открытому состоянию перехода. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование барьерной. Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется схемой рис.1.1.а.

При увеличении температуры концентрация неосновных носителей заряда в примесных полупроводниковых материалах увеличивается. В результате концентрация основных и неосновных носителей заряда выравнивается, что приводит сначала к снижению высоты потенциального барьера в p - n переходе, а затем к его устранению. Этим определяется наличие верхней температурной границы, выше которой полупроводниковые приборы теряют свои электрические свойства. С учетом недостаточной теплопроводности полупроводниковых материалов данное обстоятельство обусловливает весьма жесткие требования к условиям эксплуатации полупроводниковых приборов, особенно высокого уровня мощности. Значения максимальных температур примесных полупроводников на основе германия и кремния приведены в табл.1.1, из которой видно, почему в полупроводниковых приборах более широкое применение получил кремний, несмотря на более высокие значения высоты потенциального барьера.

1. Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод, характеризующийся свойством односторонней проводимости или вентильностью. Это свойство связано с использованием электрического перехода, в качестве которого наибольшее распространение получил p-n переход. Структурная схема диода с p-n переходом приведена на рис.1.3.а, а на рис.1.3.б – его схемное обозначение. Диод снабжен двумя электродами для соединения с внешней цепью, которые получили наименование анода и катода. В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с p-слоем, а катодный – с n-слоем перехода.

а б

Рисунок 1.3. Полупроводниковый диод: а - схема структуры,

б - схемное обозначение

Полная вольт-амперная характеристика диода, из которой видно его свойство вентильности, изображена на рис.1.4,а. Положительные значения напряжения соответствуют случаю, когда потенциал анода превышает потенциал катода (к аноду подведен плюс, а к катоду – минус). Ход вольт-амперной характеристики диода практические повторяет ход такой же характеристики p-n перехода.

Рисунок 1.4. Вольтамперная характеристика полупроводникового

диода: а - при различном масштабе токов и напряжений для

прямого и обратного направлений, б - при одинаковом масштабе

При положительном напряжении (участок 1 на рис. 1.4.а) диод открыт. В таком состоянии ток обусловлен переносом дырок, основных носителей заряда р-слоя. что обеспечивается технологией изготовления диодов, при которой концентрация основных носителей заряда в p-слое существенно больше, чем основных носителей заряда, т.е. электронов, в n-слое. В открытом состоянии падение напряжения мало и обычно не превышает 1 В. При отрицательном напряжении (участок П на рис. 1.4.б) диод закрыт: через него протекает пренебрежимо малый ток. Существенное различие между величинами токов и напряжений диода в открытом и закрытом состояниях на рис. 4.1.а отражено различием масштабов на осях координат. На рис. 1.4,б участки I и II вольтамперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого – бесконечна.

Участок II на вольтамперной характеристике диода рис.1.4,а при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p – n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Такое увеличение тока обусловлено тем, что кинетическая энергия неосновных носителей заряда под действием сильного электрического поля достигает такой величины, при которой столкновение с узлами кристаллической решетки полупроводникового материала сопровождается ионизацией атомов, приводящей к образованию новых носителей заряда. В результате в полупроводниковом материале происходит многократное умножение носителей заряда. Характерной чертой электрического пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольтамперной характеристики диода не изменяется, то есть прибор сохраняет свою работоспособность.

Участок электрического пробоя вольтамперной характеристики диода переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p – n перехода, при котором число образовавшихся носителей заряда становится настолько большим и температура кристалла настолько повышается, что в итоге переход разрушается, а сам диод выходит из строя.

Рисунок 1.5. Однополупериодный выпрямитель:

а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис. 1.4,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис. 1.5,а. На вход схемы подается переменное напряжение u1, которое представлено синусоидой на рис. 1.5,б временной диаграммы. В интервале фаз к диоду подводится положительное напряжение. Он находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис. 1.5,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз - 2 ) диод закрыт и ток в нагрузке не протекает. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение ud, временная зависимость которого представлена на рис. 1.5,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис. 1.5,а является однополупериодной.

Надежная работа выпрямительного диода возможна лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, не превышающих допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Основными параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, величина которого ограничивает допустимое обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, и исключает развитие в нем пробоя;
• максимальный ток, величина которого ограничивает ток, протекающий через открытый диод, и не допускает перегрева прибора.

По уровню мощности диоды подразделяются на маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах ток не превышает 0,3 А, в диодах средней мощности ток обычно находится в пределах 0,3 10 А, в диодах большой мощности ток достигает 1000 А и выше.

Рисунок 1.6. Стабилитрон: а – схемное обозначение,

б – вольт-амперная характеристика

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.4,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется. Схемное обозначение стабилитрона приведено на рис. 1.6.а, а на рис. 1.6.б – эго вольт-амперная характеристика, на которой отмечен диапазон токов, где изменение напряжения мало.

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ