Электрофизические свойства полупроводников

В полупроводниках удельное электрическое сопротивление принято измерять для 1см³материала.

Характерной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного электрического сопротивления от воздействия полей, изменения температуры, ионизированного излучения. Это связано с тем, что ширина запрещённой зоны от 0.5 до 3 эВ /зона проводимости и запрещённая зона перекрываются/.

Наиболее распространёнными материалами являются: германий, кремний, арсенид галлия /Ge, Si, GaAs/. У германия ширина запрещённой зоны – 0.72 эВ, у кремния – 1.12 эВ, а у арсенида галлия – 1.43 эВ. У германия максимальная рабочая температура 75°C, а у кремния 125°C.

В кристаллическом твёрдом теле существуют квазинепрерывные зоны разрешённых значений энергии электронов. Верхняя разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля / =0К/ целиком заполнена электронами, называется валентной. Расположенная над ней следующая разрешённая зона, которая при температуре абсолютного нуля пуста или частично заполнена электронами, называется зоной проводимости.

Чем меньше ширина запрещённой зоны, тем ниже рабочая температура. Кристаллическая решётка Si – тетраэдр.

При T=0K все электроны связаны и проводимость полупроводника равна 0. Незаполненная связь – это дырка.

Процесс возникновения пары носителей называется генерацией пары носителей.

Процесс исчезновения пары носителей называется рекомбинацией пары носителей.

В беспримесном полупроводнике /собственном/ концентрация электронов и дырок совпадает.

Энергия может высвобождаться в виде тепла, либо в виде электромагнитного излучения. Чем выше энергия, тем больше частота.

-ширина запрещённой зоны

Уровень Ферми – уровень, вероятность заполнения которого равна ½.

Различают электронную и дырочную составляющую тока и проводимости: n-типа и p-типа.

Удельная проводимость:

Подвижность - средняя скорость движения заряда в электрическом поле единичной напряжённости. Как правило, .

Примесные полупроводники – часть атомов основного материала замещена атомами другого материала.

Легирование – процесс введения примесей в полупроводник. Для легирования используется 3-х валентные бор, алюминий, индий, галлий и 5-и валентные сурьма, мышьяк, фосфор.

Рассмотрим кристаллическую решётку кремния, легированного фосфором.

=0.044эВ – энергия, чтобы ионизировать атом примеси /энергия активации/.

В таком полупроводнике концентрация электронов будет выше, чем концентрация дырок. Примесь, сообщающую полупроводнику электронный характер проводимости, называют донорной.

Носители заряда с большой концентрацией называют основными носителями заряда.

Чем выше степень легирования, тем выше будет располагаться уровень Ферми.

Полупроводники, у которых уровень Ферми располагается в зоне проводимости, называются вырожденными полупроводниками.

С ростом температуры уровень Ферми будет стремиться к середине запрещённой зоны.

Рассмотрим примесный полупроводник, в котором часть атомов основного материала /в данном случае кремния/ заменена атомами 3-х валентного индия.

Будет дырка.

Какова концентрация примесей, такова и концентрация дырок. Дырок будет больше на количество атомов, введённых в материал.

Такой полупроводник называют дырочным /или p-типа/.

Примесь, сообщающую полупроводнику дырочный характер проводимости называют акцепторной.

Для данного примера /Si, In/ =0.16эВ. Уровень Ферми располагается ниже середины запрещённой зоны.

Чем выше степень легирования, тем ниже уровень Ферми. Тогда в вырожденных полупроводниках p-типа W_F – в валентной зоне.

§1.2 электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

Электронно-дырочный /p-n/ переход – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную проводимость, а другая – дырочную.

Различают гомогенные и гетерогенные переходы:

1) Гомогенный – этот переход между полупроводниками с одинаковой шириной запрещённой зоны.

2) Гетерогенный – это переход между полупроводниками с разной шириной запрещённой зоны.

Электронно-дырочный переход называют симметричным, если концентрация основных носителей в обеих областях полупроводника одинакова, иначе называют несимметричным.

В несимметричных p-n переходах область полупроводника, имеющая большую концентрацию основных носителей, называется эмиттером, а с меньшей – базой.

Равновесие соответствует нулевому внешнему напряжению на переходе.

Поскольку концентрация электронов в n-области значительно больше, чем в p-области, часть электронов диффундирует из n-области в p-область. При этом в p-области окажутся избыточные электроны, большая часть из которых находится вблизи металлургической границы. Электроны будут рекомбинировать с дырками. Соответственно будет уменьшаться концентрация дырок и обнажатся нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторных ионов. С другой стороны, от металлургической границы /n-области/ из-за ухода электронов обнажатся нескомпенсированные положительные заряды донорных ионов.

Аналогичные рассуждения можно провести для дырок, которые диффундируют из p-области в n-область. Вблизи металлургической границы по обе стороны её образуется слой с пониженной концентрацией подвижных носителей – обеднённый слой. Существующие в нём объёмные заряды ионов примесей и связанное с ними электрическое поле препятствует диффузии носителей и обеспечивают состояние равновесия, при котором ток через переход равен 0, т.е. напряжённость внутреннего электрического поля нарастает до тех пор, пока вызванное им дрейфовое движение носителей не уравновесит встречное диффузионное движение, обусловленное градиентами концентрации электронов и дырок. Электрическое поле обусловливает внутреннюю /контактную/ разность потенциалов между n- и p-областями, т.е. потенциальный барьер.

§1.3 электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечёт ток. Т.к. сопротивление обеднённого слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, тот при малом токе внешнее напряжение практически полностью прикладывается к обеднённому слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера .

Приложим “+” к p-области и “-” к n-области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера уменьшится на величину приложенного напряжения, т.к. электрическое поле, создаваемое внешним источником направлено против внутреннего электрического поля, т.е. напряжённости полей будут вычитаться.

2) Толщина обеднённого слоя уменьшится /вследствие смещения основных носителей к обеднённому слою/. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера уменьшается, называется прямой полярностью.

3) Через p-n-переход будет протекать некоторый ток. Такой ток / / при прямой полярности называют прямым током. При такой полярности говорят, что переход смещён в прямом направлении.

	- среднее время жизни носителей заряда в полупроводнике /время между генерацией и рекомбинацией/
	- диффузионная длина носителей заряда - среднее расстояние, которое проходят заряды за время жизни

Рассмотрим распределение дырок в базе при таком напряжении:

Диффузионная длина носителей зарядов – расстояние, на котором избыточная концентрация носителей в полупроводнике уменьшается в раз.

Процесс введения носителей заряда в область полупроводника, где они не являются основными, называется инжекцией.

В несимметричных p-n-переходах преобладает инжекция из эмиттера в базу.

Отношение тока носителей инжектированных в базу к полному току через переход называется коэффициентом инжекции.

, где - ток дырок

Приложим “-” к p-области и “+” к n-области. Произойдёт следующее:

1) Высота потенциального барьера увеличится на величину приложенного напряжения.

2) Толщина обедённого слоя увеличится, вследствие оттягивания основных носителей тока от границ p-n-перехода. Такую полярность приложенного напряжения, при которой высота потенциального барьера увеличивается, называется обратной полярностью.

Обратный ток при такой полярности обусловлен неосновными носителями, для которых поле в переходе является ускоряющим. Обратный ток будет много меньше прямого тока / /. Обратный ток практически не зависит от приложенного напряжения, т.к. уже при небольших напряжениях все имеющиеся неосновные носители вовлекаются в образование тока и дальнейшее увеличение напряжения не приводит к росту тока. Под воздействием термогенерации внутри p-n-перехода образуются пара носителей, которые будут перемещаться в те области, где они будут основными, этот процесс называется экстракцией.

§1.4 ВАХ /вольт амперная характеристика/ p-n-перехода

Под ВАХ будем понимать зависимость тока через p-n-переход от приложенного к нему напряжения.

- уравнение Шокли, где - температурный потенциал

/Н.У./, где	-коэффициент Больцмана
-абсолютная температура = 300К
-заряд электрона

При изменении прямого напряжения на 60мВ ток меняется на порядок.

Тепловой ток – это ток, вызванный термогенерацией в областях полупроводника, прилегающих к границам p-n-перехода на две-три длины диффузии.

Выразим из уравнения Шокли: , т.е. можно оценить дифференциальное сопротивление p-n-перехода: . При прямом смещении . Если через p-n-переход протекает =1мА, то =26 Ом. При ,

Вентиль – это элемент, который пропускает ток в одном направлении.

Явление уменьшения сопротивления базы при увеличении уровня инжекции называется эффектом модуляции сопротивления базы.

В результате получаем уравнение Шокли: , где -коэффициент коррекции.

Для реальных p-n-переходов . Для нахождения необходимо измерить напряжение при двух разных значениях тока.

Рост тока с увеличением температуры объясняется тем, что уровень Ферми при увеличении температуры стремится к середине запрещённой зоны высота потенциального барьера уменьшается ток через p-n-переход увеличивается.

В реальных p-n-переходах обратный ток имеет 3 составляющих:

1) Тепловой ток

2) Ток термогенерации /ток носителей, возникающих в обеднённом слое полупроводника под воздействием температуры/

3) Ток утечки /ток в обход p-n-перехода, обусловлен наличием различных проводящих плёнок, шунтирующих p-n-переход/

В реальных p-n-переходах наблюдается явление пробоя, под которым понимают резкое увеличение обратного тока.

Различают три вида пробоя:

1) Тепловой

2) Лавинный

3) Туннельный

[1] Тепловой пробой обусловлен нагреванием p-n-перехода при протекании по нему обратного тока. Тепловой пробой необратим.

[2] Лавинный пробой возникает в p-n-переходах при невысокой степени легирования, когда на длине свободного пробега носители успевают приобрести энергию достаточную для ионизации нейтрального атома. Лавинный пробой обратим, если не перешёл в тепловой.

[3] Туннельный пробой наблюдается в p-n-переходах, образованных вырожденными полупроводниками /сильно легированный проводник/. С ростом температуры уменьшается напряжения пробоя.

§1.5 ёмкость p-n-перехода

Изменение напряжения на p-n-переходе приводит к перераспределению заряда на нём, а значит p-n-переход имеет ёмкость. Ёмкость p-n-перехода принято делить на две составляющие:

1) Барьерная ёмкость

2) Диффузионная ёмкость

[1] Барьерная ёмкость - ёмкость конденсатора, обкладками которого являются p и n области, а диэлектриком – обеднённый слой.

; ;

Барьерная ёмкость является преобладающей при обратных и небольших положительных напряжениях. Барьерная ёмкость имеет высокую добротность, поскольку дифференциальное сопротивление велико. На практике барьерная ёмкость бывает от долей пкФ до сотен пкФ.

Варикап – переменная ёмкость, на основе p-n-перехода.

Барьерная ёмкость не зависит от частоты, вплоть до 10¹² Гц. Барьерная ёмкость слабо увеличивается с ростом температуры из-за снижения высоты потенциального барьера.

[2] Диффузионная ёмкость обусловлена неравновесными /неосновными/ носителями в базе.

	- протекающий через p-n-переход ток
- время жизни неосновных носителей в базе
- температурный потенциал

Формула справедлива на низких частотах. На более высоких частотах диффузионная ёмкость стремится к 0. Ёмкость может достигать значений в несколько мкФ. Однако влияние диффузионной ёмкости на быстродействие p-n-перехода не увеличивается во столько же раз.

§1.6 контакты металла с полупроводником

Физические явления в контакте металла с полупроводником определяются соотношением работ выхода электрона из металла и проводника. Если металл привести в соприкосновение с полупроводником, то электрон будет переходить из материала с меньшей работой выхода к материалу с большей работой выхода, что приведёт к возникновению контактной разности потенциалов.

(2) и (3) подчиняются законам Ома /омические контакты – такие контакты находят применение в полупроводниках для подведения металлических выводов к области полупроводника/. ВАХ (1) и (4) нелинейна и описываются уравнением Шокли. Переход (1)-(4) – переход Шотки. (1), (4) ведут себя подобно p-n-переходу. В переходе Шотки отсутствует диффузионная ёмкость. Переход Шотки будет более быстродействующим по сравнению с p-n-переходом.

Отличие ВАХ Шотки от p-n:

1) Обратный ток перехода Шотки больше, чем у p-n-перехода

2) Прямое падение напряжения на переходе Шотки на 0,2-0,4 В меньше

3) ВАХ перехода Шотки подчиняется уравнению Шокли в очень широком диапазоне /с очень высокой точностью/ токов: 1мА – 10мА

Тема 2 – Полупроводниковые приборы

§2.1 полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов и 2 вывода для подключения к внешней цепи. В зависимости от функционального назначения различают:

1) Выпрямительные диоды

2) Лавинные диоды

3) Выпрямительные столбы

4) Выпрямительные блоки и сборки

5) Универсальные и импульсные диоды

6) Диоды с накоплением заряда

7) Диодные матрицы и сборки

8) Стабилитроны

9) Стабисторы

10) Ограничители напряжения

11) Генераторы шума

12) Варикапы

13) Варакторы

14) Туннельные диоды

15) Обращённые диоды

16) СВЧ-диоды

17) Светоизлучающие диоды

18) Излучающие диоды инфракрасного диапазона

19) Фотодиоды

20) И другие

[1] Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в однополярный.

Принцип работы выпрямительных диодов основан на использовании односторонней проводимости /вентильных свойств/ электрического перехода для преобразования переменного тока в однополярный пульсирующий.

Статические и динамические параметры, параметры электрического и эксплуатационного режимов.

К основным статическим параметрам относятся:

1) прямое падение напряжения при заданном прямом токе

2) постоянный обратный ток при заданном обратном напряжении

К основным динамическим параметрам относятся:

1) - среднее за период значение выпрямленного тока

2) - среднее значение прямого падения напряжения при заданном среднем значении прямого тока

3) - среднее значение обратного тока при заданном значении обратного напряжения

4) - среднее за период значение обратного напряжения

5) - граничная частота, на которой выпрямительный ток диода уменьшается до установленного уровня

К параметрам электрического режима относятся:

1) - дифференциальное сопротивление диода

2) - ёмкость диода, включающая ёмкости электрического перехода и корпуса, если последний существует

Под предельно допустимыми эксплуатационными режимами работы диодов подразумеваются такие режимы, которые обеспечивают с заданной надёжностью работу приборов в течение оговоренного техническими условиями срока службы.

К параметрам эксплуатационных режимов относятся:

1) - максимальное значение выпрямленного тока

2) - максимальное значение допустимого обратного напряжения

3) - максимальная допустимая мощность

4) - минимальная температура окружающей среды для работы диода

5) - максимальная температура окружающей среды для работы диода

Выпрямительные диоды делятся на:

1) Силовые /низкочастотные/ /для использования в выпрямителях =50кГц/

a. Диоды малой мощности : < 300мА

b. Диоды средней мощности: 300мА < < 10А

c. Диоды большой мощности: 10А <

2) Маломощные /высокочастотные/ /для применения в разного рода детекторах =10 100МГц/

Такой выпрямитель называется однополупериодным. Конденсатор может выполнять функцию сглаживания.

Выпрямитель, пропускающий 2 периода, называется двуполупериодным выпрямителем.

При одинаковой C пульсация будет меньше, чем в однополупериодном.

Выпрямительные диоды широко применяют в источниках питания, ограничителях выбросов напряжений. Наибольшее использование нашли кремниевые, германиевые диоды, диоды с барьером Шотки, а в аппаратуре специального назначения и измерительной аппаратуре, работающей в условиях высокой температуры окружающей среды,- селеновые и титановые выпрямители.

[2] Лавинные диоды – это разновидность выпрямительных диодов /нормируется напряжение лавинного пробоя/. Может использоваться в цепях защиты от перенапряжения.

[3] Выпрямительные столбы – это совокупность выпрямительных диодов, включённых последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами, используется в высоковольтных выпрямителях.

[4] Выпрямительные блоки и сборки – содержат несколько диодов, электрически независимых или соединённых в виде однофазного или трёхфазного моста. Позволяют упростить монтаж и уменьшить габариты аппаратуры.

[5] Универсальные и импульсные диоды отличаются от выпрямительных диодов более высоким быстродействием и большими значениями импульсных токов, имеют другую систему параметров.

[6] Диоды с накоплением заряда /ДНЗ/ – разновидность импульсных диодов, малое время обратного восстановления. Это достигается неравномерным легированием базы.

[7] Диодные матрицы и сборки – представляют собой интегрированные в одном корпусе или кристалле универсальные и импульсные диоды /диоды соединяются в виде микросхем/. Могут быть соединены между собой или изолированы.

[8] Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного /или туннельного/ пробоя от обратного тока через переход.

Параметры стабилитрона:

1) Напряжение стабилизации при заданном токе стабилизации

2) Дифференциальное сопротивление стабилитрона при заданном токе стабилизации

3) Температурный коэффициент напряжения стабилизации При напряжении 6,3В , при большом напряжении преобладает лавинный пробой / /, при меньших напряжениях – туннельный пробой / /.

Для уменьшения температурного коэффициента стабилизации разработаны прецизионные стабилитроны.

В них включены один или несколько прямосмещённых p-n-переходов. Количество диодов зависит от напряжения стабилизации / В/.

Импульсный стабилитрон от обычных стабилитронов отличается повышенным быстродействием и применяется для стабилизации амплитуды импульсов.

Двухсторонний стабилитрон – два импульсных стабилитрона, включённых встречно. Стабилитроны обычно одинаковы, что приводит к симметричной ВАХ. Используются в двухсторонних ограничителях импульсов.

[9] Стабистор – один или несколько последовательно включённых диодов, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ.

КС107, КС113, КС119, D220С – Стабисторы

D-220 – Импульсные диоды

[10] Ограничитель напряжения – полупроводниковый диод, работающий в режиме туннельного или лавинного пробоя, предназначен для защиты электрических цепей от перенапряжения. От обычных стабилитронов отличается высоким быстродействием и большими допускаемыми импульсными токами. Используется в промышленной электронике. В, быстродействие измеряется пикосекундами.

[11] Генератор шума – это стабилитрон, работающий на грани пробоя. Напряжение пробоя стабилитрона в этом режиме нестабильно кроме постоянного напряжения генерируется шумовое напряжение. Спектр шума равномерен до частоты 3,5 МГц.

[12] Варикап – нелинейный конденсатор на основе p-n-переходов, барьерная ёмкость которого перестраивается с изменением напряжения на нём.

Коэффициент перекрытия по ёмкости:

[13] Варактор – варикап, используемый в умножителях частоты /силовой варикап/. Используется в радиопередатчиках, там где стоит задача генерировать сигналы большой мощности.

[14] Туннельный диод – полупроводниковый прибор на основе p-n-перехода, образованного вырожденными полупроводниками. В этих диодах туннельный эффект проявляется уже при небольших положительных напряжениях на p-n-переходах.

Туннельный диод – СВЧ прибор, который работает в сантиметровом диапазоне волн / см/. Туннельные диоды относятся к негатронам /имеют участок с отрицательным сопротивлением/ n-типа.

[15] Обращённый диод отличается от туннельных диодов меньшей концентрацией примесей в p- и n-областях. Туннельный эффект проявляется только при обратном напряжении.

Отсутствует диффузионная ёмкость.

Работают до частоты 50ГГц.

Используется при построении смесителей.

[16] СВЧ-диоды предназначены для работы в сантиметровом и дециметровом диапазоне волн. В зависимости от выполняемой функции делятся на:

1) Смесительные

2) Детекторные

3) Параметрические

4) Ограничительные, переключателиные

5) Умножительные и настроечные

6) Генераторные:

a. Лавинно-пролётные диоды /ЛПД/

b. Диоды Ганна

Предназначены для встраивания в волноводы.

[17] Светоизлучающие диоды и Излучающие диоды инфракрасного диапазона предназначены для преобразования элементарной энергии в энергию некогерентного излучения в соответствующем диапазоне волн. Излучение возникает при рекомбинации неосновных носителей в базе прямосмещённого p-n-перехода с шириной запрещённой зоны > 1,8эВ.

[18] Фотодиод предназначен для преобразования энергии световой или инфракрасного излучения в электрическую энергию. Используется в различных датчиках и оптронах.

§2.2 биполярные транзисторы: устройство и принцип действия

Биполярный транзистор – система двух взаимодействующих p-n-переходов. В биполярном транзисторе физические процессы определяются носителями обоих знаков. В зависимости от чередования p- и n- областей различают npn /обратные/ и pnp /прямые/ транзисторы.

В реальных конструкциях одна из крайних областей имеет большую степень легирования и меньшую площадь, её называют эмиттером. Другую крайнюю область называют коллектором, а среднюю – базой. Переход, образованный эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а переход, образованный коллектором и базой – коллекторным переходом. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

e^- из Э₁ инжектируются в Б₁

,где

<1 - статический коэффициент передачи тока эмиттера

- обратный ток коллекторного перехода

Существует множество технологий производства транзисторов.

[1] Сплавной транзистор

S_k => больше носителей инжектируются в коллектор

[2] Эпитаксиально-планарный транзистор

Окислении /вскрытие окна меньшего размера/

Получили npn-транзистор

[3] Скрабирование – разрезание

Условно графически обозначается:

§2.3 Транзистор, как усилитель напряжения и мощности

; ;

Транзистор обладает способностью усиливать электрические сигналы.

§2.4 Эффект модуляции толщины базы

Явление изменения толщины базы при изменении напряжения на коллекторном переходе называется эффектом модуляции толщины базы или эффектом Эрли /Ирли/ /Early/.

Следствия эффекта модуляции толщины базы:

1) Статический коэффициент передачи тока эмиттера будет зависеть от напряжения на коллекторном переходе.

2) Ток коллектора будет увеличиваться с ростом напряжения на коллекторном переходе.

3) С ростом напряжения на коллекторном переходе будет увеличиваться быстродействие транзистора

4) Будет наблюдаться влияние напряжения на коллекторном переходе на входную цепь транзистора. Это явление называется внутренней отрицательной обратной связью по напряжению.