Электропроводность полупроводников. 1.Электропроводность полупроводников 5
Содержание
Введение ………………………………………………………………………………….……3
1.Электропроводность полупроводников……………………………………………............5
1.1.Электроны в твердом теле……………………………………………………………..5
1.2. Собственная проводимость…………………………………………………………..8
1.3. Дрейфовые токи………………………………………………………………………12
1.4. Примесная электропроводность……………………………………………………..14
1.5. Диффузионные токи в полупроводниках…………………………………………...19
2. Электронно-дырочные переходы………………………………………………………...22
2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения…………22
2.2.Электронно-дырочный переход при прямом напряжении…………………………24
2.3. Электронно-дырочный переход при обратном напряжении………………………26
2.4. Переход металл-полупроводник………………………………………………….….28
3. Полупроводниковые диоды……………………...………………………………………..30
3.1. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода…………………….30
3.2. Емкости полупроводникового диода………………………………………………..31
3.3. Модели диодов………………………………………………………………………..32
3.4. Температурные свойства полупроводниковых диодов…………………………….34
3.5. Рабочий режим диода…………………………………………………………...........35
3.6. Применение выпрямительных диодов………………………………………............36
3.7. Импульсный режим диодов………………………………………………………….41
3.8. Конструкции полупроводниковых диодов………………………………………….43
3.9. Стабилитроны………………………………………………………………………...44
3.10. Варикапы…………………………………………………………………………….48
3.11. Туннельные и обращённые диоды………………………………………………...49
3.12. Полупроводниковые диоды для СВЧ……………………………………………....51
3.13. Лавинно-пролетные диоды……………………………………………………….....53
3.14. Диод Ганна…………………………………………………………………………...54
4. Биполярные транзисторы………………………………………………………………….56
4.1. Общие сведения о транзисторах……………………………………………………..56
4.2. Физические процессы в транзисторе………………………………………………..57
4.3. Основные схемы включения транзисторов…………………………………............61
4.4. Характеристики транзисторов……………………………………………………….66
4.5. Модели транзисторов………………………………………………………………...67
4.6. Влияние температуры на работу транзисторов…………………………………….71
4.7. Схемы питания и стабилизации режима транзисторов……………………………73
4.8. Усиление с помощью транзистора………………………………………………….75
4.9. Частотные свойства транзисторов…………………………………………………..77
4.10. Импульсный режим транзисторов…………………………………………………79
4.11. Основные типы биполярных транзисторов………………………………………..82
5. Полевые транзисторы……………………………………………………………………..85
5.1. Полевые транзисторы с управляющим переходом…………………………………85
5.2. МОП-транзисторы со встроенным каналом………………………………………...92
5.3. МОП-транзисторы с индуцированным каналом…………………………………...94
5.4. Биполярный транзистор с изолированным затвором..…………………………….96
6. Тиристоры и однопереходный транзистор…………….………………………………..99
6.1. Диодный тиристор……………………………………………………………...........99
6.2. Триодные тиристоры………………………………………………………………..102
6.3. Однопереходный транзистор……………………………………………………….105
7. Оптоэлектронные приборы…………………………………………………...…………107
7.1. Фотодиоды………………………………………………………………..………….107
7.2. Фототранзисторы………………………………………………………..…………..108
7.3. Светодиоды………………………………………………………………...………..110
7.4. Оптроны…………………………………………………………………………..…111
8. Элементы интегральных микросхем……………………………………….….………113
8.1 Пленочные и гибридные ИС………………………………………………………..113
8.2. Полупроводниковые ИС……………………………………………………………114
8.3. Схемы с инжекционным питанием ………………………………………………..120
8.4. Схемы на приборах с зарядовой связью……………………………....…………..121
Заключение………….…………………….…………………………………………...........123
Введение
Электроника представляет собой бурно развивающуюся область науки и техники. Она изучает принципы устройства, работы и применения различных электронных приборов. К физической электронике относятся электронные и ионные процессы в полупроводниках, вакууме и газах, а также на поверхности раздела между твердыми или жидкими телами и вакуумом или газом. В технической электронике изучаются устройство электронных приборов и их применение в технике. Область, посвященную применению электронных приборов в промышленности, называют промышленной электроникой.
Успехи электроники в значительной степени объясняются развитием радиотехники. Обе области развивались в тесной взаимной связи. Их часто объединяют и называют радиоэлектроникой. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры.
С другой стороны, многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию существующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, радионавигации, радиотелеуправлении и других областях радиоэлектроники. Вместе с тем электроника проникла во все отрасли современной науки, техники, промышленности.
Электронные приборы используются в автоматике, телемеханике, проводной связи, звуковом кино, атомной и ракетной технике, астрономии, метеорологии, геофизике, медицине, биологии, физике, химии, металлургии, машиностроении, различных областях измерительной техники и т.д.
В 1887 г. немецкий физик Г. Р. Герц, известный своими опытами с электромагнитными волнами, открыл фотоэлектрический эффект. Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1883 г. Т. А. Эдисоном.
Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. английский ученый Д. А. Флеминг применил двухэлектродную лампу с накаленным катодом для выпрямления (детектирования) высокочастотных колебаний в радиоприемнике.
В полупроводниковых интегральных микросхемах (ИС) на пластинке кремния размером в несколько квадратных миллиметров размещаются тысячи и даже миллионы транзисторов. На основе подобных микросхем построены электронно-вычислительные машины, содержащие много миллионов элементов.
На транзисторах работают миниатюрные радиоприемники и передатчики. Для их питания достаточно даже одного элемента от карманного фонаря. Специально для аппаратуры с полупроводниковыми приборами сконструированы малогабаритные радиодетали, благодаря которым удалось создать аппаратуру весьма малых размеров. Например, имеются приемно-передающие радиостанции, смонтированные в микротелефонной трубке, причем для их питания используется звуковая энергия голоса человека, говорящего в микрофон. Сверхминиатюрный радиопередатчик с ИС, находящийся вместе со специальными приборами в капсуле, заглатываемой больным, передает сигналы о состоянии желудочно-кишечного тракта.
Электропроводность полупроводников
Электроны в твердом теле
Современной физикой доказано, что электроны в твердом теле не могут обладать произвольными энергиями. 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 между электроном и ядром. Для этого надо затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями, т. е. они 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. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т. е. определенными порциями.
Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически так, как на рис. 1.1. Горизонтальными линиями показаны уровни энергии Е электрона.
Рис.1.1. Схема уровней энергии электронов для металла (а) и диэлектрика (б)
В соответствии с так называемой зонной теорией 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, заполненных электронами, но эти зоны не играют роли в явлениях электропроводности (на рисунке не изображены).
В металлах и полупроводниках существует большое число электронов, находящихся на более 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. Состояние этой решетки соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости.
На рис. 1.1,аизображена схема уровней энергии, или зонная энергетическая диаграмма, для металла. Следует отметить, что в действительности схема эта сложнее, число уровней в ней очень велико и распределены они неравномерно.
Рис. 1.1,а показывает, 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. Таким образом, 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 (рис. 1.1,б). Ширина запрещенной зоны Eg, т. е. разность между значениями энергии верхнего уровня валентной зоны EV и нижнего уровня зоны проводимости ЕС составляет несколько электрон-вольт (3-10эВ). При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое число электронов, и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью.
У полупроводников зонная диаграмма подобна изображенной на рис. 1.1,б, но только ширина запрещенной зоны у них меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев бывает около 1эВ. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное число электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.
В настоящее время, для изготовления полупроводниковых приборов и ИС наиболее широко используются кремний (Si) и германий (Ge), имеющие валентность, равную 4. Внешние оболочки атомов кремния или германия имеют 4 валентных электрона. Пространственная кристаллическая решетка кремния или германия состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь, называемая ковалентной изображена на рис. 1.2. Как видно, вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам 2 валентных электрона, показанных на рисунке жирными точками. В двумерном изображении такой кристаллической решетки (рис. 1.3) ковалентные связи показаны в виде прямых линий, а электроны — по-прежнему в виде точек (иногда для упрощения электроны вообще не показывают).
Рис. 1.2. Ковалентная связь между атомами кремния
Рис. 1.3. Двумерная модель кристаллической решетки кремния
Собственная проводимость
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее положение между проводниками и диэлектриками.
При Т = 300 К у проводников удельная электрическая проводимость имеет значения 104—106 См/см (удельное сопротивление 10-4 – 10-6 Ом∙см), у диэлектриков она меньше 10-10 См/см (более 1010 Ом∙см), а у полупроводников ее значения находятся в пределах от 10-9 до 104 Ом/см (109 – 10-4 Ом∙см). Как видно, для полупроводников характерен очень широкий диапазон удельной проводимости. Большинство веществ относится именно к полупроводникам. В настоящее время для полупроводниковых приборов помимо кремния и германия применяются некоторые химические соединения, например арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP ,антимонид индия InSb и др.
Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.
Принцип работы полупроводниковых диодов и транзисторов связан с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости.
Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах.
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. Но надо иметь в виду, что при ионной электропроводности, например в электролитах, ток представляет собой движение ионов (само слово ион означает путешественник), а при дырочной электропроводности механизм перемещения электрических зарядов иной. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы не передвигаются, а остаются на своих местах.
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 показано на рис. 1.4 с помощью знакомой нам плоскостной модели полупроводника. Один из электронов, участвующих 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. Оно именно и является дыркой, изображенной на рисунке светлым кружком.
Рис. 1.4. Возникновение пары электрон – дырка
Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой (рис. 1.5). Как мы знаем, ширина запрещенной зоны у полупроводников сравнительно невелика (для германия 0,67эВ, а для кремния 1,11 эВ). При температуре абсолютного нуля полупроводник, не содержащий примесей, является диэлектриком, в нем нет электронов и дырок проводимости. Но при повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как 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 на рис. 1.5 сплошной стрелкой. Таким образом, 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.
Рис. 1.5. Энергетическая структура полупроводника
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. Сплошная стрелка на рис.1.5 показывает переход электрона из валентной зоны в зону проводимости, т.е. генерацию. Генерация пар носителей может происходить также под действием света, электрического поля, ионизирующего излучения и др.
Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит и 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 на рис. 1.5 переход электрона из зоны проводимости в валентную зону. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно. Рекомбинация 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. Это означает, что генерируются все новые и новые пары носителей, а ранее возникшие пары рекомбинируют.
Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником или полупроводником i-muna. Он обладает собственной электропроводностью, которая, как было показано, 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. Понять это нетрудно. Ведь дырочная электропроводность представляет собой перемещение электронов более ограниченное (менее свободное), нежели перемещение электронов проводимости.
Удельная электрическая проводимость полупроводников зависит от концентрации носителей заряда, т. е. от их числа в единице объема, например, в 1см3. Будем обозначать концентрации электронов и дырок проводимости соответственно буквами п и р от слов negative (отрицательный) и positive (положительный). Очевидно, что для собственного полупроводника всегда:
ni = pi ,
гдеиндекс i указывает, что эти концентрации относятся к собственному полупроводнику.
Число атомов N в 1 см3 металла или полупроводника имеет значение порядка 1022. При температуре, близкой к 20 °С, концентрация носителей заряда (приближенно) для чистого германия:
ni = pi = 1013 cм-3,
а для кремния:
ni = pi = 1010 cм-3.
Следовательно, 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 (п ≥ N). Поэтому электрическая проводимость полупроводников в миллионы и миллиарды раз меньше, чем у металлов. Например, при комнатной температуре удельное сопротивление меди равно1,7x10-6 Ом∙см (1 Ом∙см есть сопротивление 1 см3 вещества), германия — примерно 45, кремния — около 230000 Ом∙см и стекла – 1014 Ом∙см.
Дрейфовые токи
Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называют дрейфом носителей, а ток проводимости — дрейфовым током Iдр. Полный ток проводимости складывается из электронного In.дp и дырочного Iр,др тока проводимости:
Iдр = In,др + Ip,др . (1.1)
Несмотря на то что электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, эти токи складываются, так как движение дырок представляет собой перемещение электронов. Например, если в собственном полупроводнике электронная составляющая тока In,др = 6 мА, а дырочная составляющая вследствие меньшей подвижности дырок Ip,np = 3 мА, то полный ток проводимости Iдр = 6 + 3 = 9 мА.
Чтобы установить, от каких величин зависит ток дрейфа, удобнее рассматривать не сам ток, а его плотность. Очевидно, что плотность тока дрейфа Jдр складывается из плотностей электронного и дырочного токов:
Jдр = Jn,др + Jp,др . (1.2)
Так как плотность тока равна количеству электричества, проходящему через единицу площади поперечного сечения за 1 с, то можно написать для плотности электронного тока:
Jn,др = nievn , (1.3)
где ni — концентрация электронов, е — заряд электрона и vn — средняя дрейфовая скорость поступательного движения электронов под действием поля.
Нужно помнить, что средняя дрейфовая скорость учитывает беспорядочное тепловое движение с многочисленными столкновениями электронов и атомов кристаллической решетки. От одного столкновения до другого электроны ускоряются полем, и поэтому скорость vn пропорциональна напряженности поля Е:
vn = µnE , (1.4)
где µn есть коэффициент пропорциональности, называемый подвижностью электронов. Смысл этой величины легко раскрывается, если на основании формулы (1.4) написать:
µn = vn/E . (1.5)
Из этой формулы следует, что при Е = 1B/см получается µn = vn, т. е. подвижность электронов есть средняя скорость их поступательного движения под действием поля с напряженностью, равной единице. Если скорость выражать в сантиметрах в секунду, а напряженность поля — в вольтах на сантиметр, то единица подвижности будет: (см /с) /(В /см) = см2/ (В∙с).
Выразив в формуле (1.3) скорость через µnЕ, получим:
Jn,др = nieµnE . (1.6)
В этом выражении произведение nieµnE представляет собой удельную электронную проводимость σn. Это следует из того, что закон Ома для плотности тока пишется в виде:
Jn,др = σnE . (1.7)
Приведенные соотношения и рассуждения можно повторить и для дырок проводимости. Тогда для плотности дырочного тока получим формулу:
Jp,др = pieµpE , (1.8)
в которой произведение pieµpE является удельной дырочной проводимостью σр.
Плотность полного тока дрейфа в собственном полупроводнике:
Jдр = nieµnE + pieµpE = (σn + σp)E , (1.9)
а полная удельная проводимость:
σ = σn + σp = nie (µn + µp) . (1.10)
Таким образом, удельная проводимость зависит от концентрации носителей и от их подвижности. В полупроводниках при повышении температуры вследствие интенсивной генерации пар носителей увеличение концентрации подвижных носителей происходит значительно быстрее, нежели уменьшение их подвижности, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Для сравнения можно отметить, что в металлах концентрация электронов проводимости почти не зависит от температуры и при повышении температуры проводимость уменьшается вследствие уменьшения подвижности электронов.
Напомним также, что всегда µp < µn и, следовательно, σр < σn. Например, при комнатной температуре для кремния µn = 1300 и µp = 460 см2/(В∙с), а для германия µn = 3600 и µp = 1820 см2/(В∙с).