Примесная проводимость полупроводников

1.1.1 Зонная теория твердого тела.

Все окружающие нас вещества состоят из мельчайших частиц – атомов. Мельчайшая частица вещества, атом, состоит из более мелких частиц протонов, нейтронов и электронов. Протоны имеют положительный заряд, электроны – отрицательный, равный по величине заряду протона, нейтроны – электрически нейтральны. Протоны и нейтроны образуют ядро атома, вокруг которого по определенным, замкнутым траекториям (орбитам) движутся отрицательно заряженные электроны (рис. 1). В нормальном состоянии количество протонов в атоме равно количеству электронов и атом является электрически нейтральным. Электроны изолированного атома могут двигаться вокруг ядра только по строго определенным орбитам, в соответствии с их энергетическим уровнем. Энергетический уровень электрона характеризуется суммой его кинетической и потенциальной энергий. Сколько вокруг атома орбит, столько и энергетических уровней. Все электроны атома не могут находиться на одной орбите (одном энергетическом уровне). И не на всех энергетических уровнях могут находиться электроны. Энергетические уровни на которых могут находиться электроны – называются разрешенными, на которых не могут – запрещенными. Количество электронов на каждой орбите и количество орбит для каждого вещества строго определены. На первой орбите – не более 2-х электронов, на второй – не более 8, на третьей – не более 18. Согласно квантовой теории строения вещества, орбиты расположенные ближе к ядру имеют низший энергетический уровень, чем орбиты более удаленные от ядра. В нормальном состоянии электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, располагаясь ближе к ядру, а более высокие энергетические уровни (на более удаленных орбитах) остаются частично свободными. На внешних орбитах атома располагаются электроны, определяющие валентность вещества, поэтому внешние орбиты называют валентными. При переходах на орбиты, расположенные ближе к ядру, электрон отдает часть своей энергии в виде электромагнитного излучения в окружающую среду. При получении электроном дополнительной энергии от воздействия на вещество тепла, света и т.д., он переходит на новую более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называется возбужденным. Предельный случай возбуждения – ионизация, при которой электрон отрывается от ядра, покидая атом. В отличие от одиночного атома в твердом теле атомы расположены близко друг к другу. При этом на электроны влияет не только ядро собственного атома, но и ядра соседних атомов, вызывая изменения характера движения электрона. Орбита по которой движется электрон становится не круговая, и при движении по такой орбите энергия электрона будет изменяться. При объединении в твердом теле N одинаковых атомов каждый уровень энергии расщепляется на N близко расположенных друг к другу энергетических уровней, образующих энергетическую зону. На рис. 2 показаны графически энергетические зоны твердого тела. По вертикальной оси отложен уровень энергии, которой обладают электроны. Горизонтальная ось – безразмерная. Уровни энергии, занятые электронами при температуре абсолютного нуля образуют в твердом теле заполненную энергетическую зону. Совокупность энергетических уровней валентных электронов образует валентную зону. Разрешенные уровни энергии не занятые при температуре абсолютного нуля составляют свободную зону, нижнюю часть которой называют зоной проводимости, т.к. уровни энергии входящие в нее могут занять электроны получившие дополнительную энергию при нагреве или другим путем. Шириной запрещенной зоны определяется электропроводность материала. Такая энергетическая структура твердых тел позволяет объяснить их разделение на проводники, диэлектрики и полупроводники.

У проводников зона проводимости и зона валентных электронов перекрывают друг друга, запрещенная зона отсутствует и валентные электроны легко переходят в зону проводимости (рис. 3а).

У диэлектриков ширина запрещенной зоны велика и для перехода валентных электронов в зону проводимости им нужно сообщить значительную энергию (рис. 3б).

Для полупроводников запрещенная зона относительно невелика (рис. 3в) и под действием внешних факторов (тепло, свет, электрическое поле и т.п.) электроны за счет изменения запаса энергии могут перейти из валентной зоны в зону проводимости. Электропроводность полупроводников неустойчива и сильно зависит от внешних факторов.

1.1.2 Внутренняя структура полупроводников.

Полупроводники являются тем материалом, на свойствах которого разработаны элементы, широко применяемые в информационной технике: германий, кремний, арсенид галлия – в качестве основного материала; бор, фосфор, сурьма, индий и другие – в качестве примесей. Полупроводниковые материалы представляют собой кристаллы с атомами расположенными в определенном порядке и образующими кристаллическую решетку. Элементарные ячейки кристаллической решетки германия и кремния состоят из тетраэдров, в четырех вершинах и центре которых расположены атомы. Между атомами кристаллической решетки существуют связи. Они образуются валентными электронами взаимодействующими не только с ядром своего атома, но и с ядрами соседних атомов. В кристалле германия связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами по одному от каждого атома. Схематически это показано на рис. 4. Такая связь между атомами называется двухэлектронной или ковалентной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, участвующих в переносе заряда нет. Такую кристаллическую решетку имеют беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля, являясь при этом идеальными изоляторами.

1.1.3 Собственная проводимость полупроводников.

Под действием внешних факторов (например при нагреве) отдельные электроны приобретают энергию достаточную для освобождения от ковалентных связей. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место, обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары «свободный электрон – дырка» называется генерацией.(рис 5) В дырку может «перескочить» валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится (данный процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится образуя дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда. При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически и тока в полупроводнике нет. Если приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок становится упорядоченным и противоположным движению электронов, т.е. в кристалле образуется электрический ток. Дырки движутся по направлению силовых линий электрического поля, электроны – против. Соответственно различают два типа проводимости в полупроводнике – электронную ил и проводимость N-типа и дырочную или проводимость Р-типа. В этом случае общий ток І складывается из электронного І_Э и дырочного Iд токов, т.е. I = І_Э + I_Д (1).

Выражения для электронного и дырочного токов.

где: – заряд электрона или дырки; Е – напряженность электрического поля; – подвижность носителя тока, определяемая как отношение скорости перемещения электрона V_Э или дырки V_Д к напряженности электрического поля Е в полупроводнике; N_Э, N_Д – количество электронов и дырок в полупроводнике. Т.к. в случае собственной электропроводности полупроводника число электронов равно числу дырок, т.е. N_Э = N_Д = N, то выражение (1) можно переписать в виде:

.

1.1.4 Примесная проводимость полупроводников

Для создания полупроводниковых приборов применяют полупроводники, у которых часть атомов в узлах кристаллической решетки замещена атомами вещества с другой валентностью. Такие полупроводники получаются путем ведения в кристалл чистого полупроводника соответствующих примесей, и называются примесными. С четырехвалентными германием и кремнием используют пятивалентные (мышьяк, сурьма, фосфор) и трехвалентные (бор, алюминий, индий, галлий) примеси.

В случае пятивалентной примеси (рис. 6а) четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, пятый электрон оказывается «лишним». Такой «лишний» электрон значительно слабее связан со своим атомом и для отрыва его от атома примеси и превращения в свободный носитель заряда требуется меньшее количество энергии, чем для освобождения электрона из ковалентной связи. «Лишние» электроны примеси занимают энергетические уровни W_Д (рис. 6б) расположенные вблизи дна зоны проводимости, находясь на этих уровнях при очень низких температурах. При незначительном повышении температуры «лишние»

электроны получают достаточное количество энергии необходимое для перехода их в зону проводимости. Эту энергию называют энергией активизации примеси. Уход «лишнего» электрона от атома примеси, превращает этот атом в положительный ион. В данном случае положительный ион прочно связан с кристаллической решеткой и не перемещается по кристаллу подобно дырке собственной проводимости. Примеси, увеличивающие в полупроводнике число свободных электронов называют донорными, а полупроводники с электронной проводимостью – полупроводниками n-типа.

В основном материале полупроводника с донорной примесью, как и в чистых полупроводниках, постоянно образуются дырки и электроны собственной проводимости. Но их количество значительно меньше, чем электронов примеси, поэтому в полупроводниках n-типа электроны являются основными носителями тока, а дырки - неосновными. Следовательно в этих полупроводниках дырочный ток много меньше электронного.

При введении трехвалентной примеси (рис. 7а), в одной из ковалентных связей каждого примесного атома отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. При этом атом индия и смежный с ним атом кремния являются электрически нейтральными. При небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних ковалентных связей может перейти в незаполненную связь примеси. На внешней орбите атома индия появится «лишний» электрон и атом индия станет отрицательным ионом. В нарушенной связи, откуда электрон перешел в незаполненную связь индия, появится положительный заряд - дырка.

При соответствующей концентрации примесей дырок в кристалле станет много больше чем

электронов и полупроводник приобретет явно варыженную дырочную проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называют полупроводником р-типа. Примеси, создающие в полупроводнике дырочную проводимость называют акцепторными.

В полупроводниках с акцепторной примесью, дырки - основные носители заряда, электроны - неосновные. Для перехода электрона из ковалентной связи к атому индия, надо затратить значительно меньше энергии, чем для его перехода через запрещенную зону с энергией . Поэтому введение атома индия в решетку кремния приводит к появлению уровня акцептора (примеси) Wа вблизи от потолка валентной зоны (рис. 7б). Уровень акцептора Wа при очень низких температурах остается свободным. При небольшом повышении температуры один из валентных электронов покидает валентную зону занимая уровень примеси и оставляя после себя в валентной зоне свободный уровень - дырку. Энергия , которую необходимо сообщить валентному электрону для перевода его на примесный уровень, называется энергией активизации примеси. Электроны валентной зоны переходят на уровень примеси даже при низких температурах, образуя в валентной зоне большое количество дырок. При этом в зоне проводимости не будет заметного увеличения электронов, т. к. большинство их осядет в дырках примеси, а меньшинство составит ток неосновных носителей полупроводника р- типа.

Тема 1.2: Контактные явления в полупроводниках.

1.2.1 Общая характеристика р-n перехода.

1.2.2 Режимы обратного и прямого включения р-n перехода.

1.2.3 Вольт-амперная характеристика р-n перехода.

1.2.4 Температурные свойства р-n перехода.

1.2.5 Частотные свойства р-n перехода.

1.2.1 Общая характеристика р-n перехода.

Электронно-дырочным или р-n переходом называют тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник Р-типа, другая N-типа. Такие переходы получают вплавлением соответствующих примесей в пластинки вырезанные из монокристалла полупроводника. Если концентрации основных носителей в р и n областях будут равны, то p-n переход называют симметричным, если не равны, то переход называют несимметричным. На практике чаще используют несимметричные p-n переходы. На рис. 8а) представлен разряд р-n структуры и при этом предполагается, что концентрация акцепторной примеси в Р-области больше концентрации донорной примеси в N области, а следовательно и концентрация дырок в р области будет больше концентрации свободных электронов в N области (рис. 8в). В результате неравновесной концентрации в PN структуре возникает диффузия основных носителей через границу р-n перехода: дырки из р области стремятся в n область, а электроны из n области в р область. В результате через переход возникают дырочный (І_{р дф}) и электронный (І_{n дф}) диффузионные токи, составляющие полный ток диффузии в р-n переходе І_дф = І_{р дф} + І_{n дф}. Диффузия электронов и дырок через р-n переход сопровождается перераспределением зарядов: после ухода электронов из части N области примыкающей к границе раздела, в ней остаются положительные ионы донорной примеси. Аналогично – дырки диффундировавшие из р в n область, оставят в части р области примыкающей к границе раздела отрицательные ионы акцепторной примеси. Следовательно в результате диффузии основных носителей приконтактные области р-n перехода обедняются подвижными носителями, и в них возникает два слоя подвижных разноименных зарядов, образованных ионами акцепторов и доноров. Двойной заряженный слой с пониженной концентрацией основных носителей называется запирающим или обедненным слоем р-n перехода (на рис. 8б это слой толщиной L). Этот слой является основой р-n перехода. Нескомпенсированные заряды запирающего слоя создают внутреннее электрическое поле р-n перехода Е_вн, направленное от n к р области. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей тока из одного полупроводника в другой, т.е. образуется потенциальный барьер с разностью потенциалов (рис. 8г). Чем больше U_п.б. тем труднее преодолеть потенциальный барьер основным носителям тока. Для неосновных носителей тока (дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике р-типа) внутреннее электрическое поле является ускоряющим. Под действием Е_вн дырки из n-области дрейфуют в р-область, создавая дрейфовый ток I_р.др., а электроны дрейфуют из р области в n область, создавая ток I_n.др, направленный в ту же сторону, что и ток I_р.др. Полный ток дрейфа в р-n переходе I_др = I_р.др + I_n.др будет противоположен по направлению току диффузии I_дф основных носителей. В равновесном состоянии диффузионные и дрейфовые токи равны и результирующий ток через р-n переход отсутствует

I = I_дф - I_др = 0.

1.2.2 Режимы обратного и прямого включения р-n перехода

В режиме прямого включения, внешний источник напряжения U_пр соединяют положительным полюсом с выводом от р области, а отрицательным с выводом от n-области (рис 9).

Рис 9

При этом в полупроводнике создается электрическое поле напряженностью Е_пр, направленное навстречу полю Е_вн и уменьшающее напряженность последнего. Поэтому дырки и электроны основных носителей тока двигаясь навстречу друг другу будут уменьшать потенциальный барьер U_пб, толщину запирающего слоя (L₁<L) и понижать сопротивление запирающего слоя. Появится ток основных носителей, называемый прямым I_пр.

Рис. 10

Электрическое поле Е_обр, создаваемое внешним источником тока, будет совпадать по направлению с внутренним полем р-n перехода Е_вн и следовательно усиливать его. Под действием результирующего электрического поля основные носители тока удаляются от границы раздела полупроводников, что увеличивает потенциальный барьер U_пб, ширину запирающего слоя (L₂>L), и повышает сопротивление запирающего слоя. При этом уменьшается до нуля диффузионный ток основных носителей. Диффузионный ток неосновных носителей, называемый в данном случае обратным I_обр, почти не изменяет своей величины, т.к. концентрация неосновных носителей в полупроводниках незначительна.

1.2.3 Вольт-амперная характеристика р-n перехода.

ВАХ р-n перехода показывает зависимость тока, протекающего через р-n переход от величины и полярности приложенного напряжения и соответствует выражению

(1)

где I₀ – ток насыщения; e-2,718 основание натурального логарифма. Из выражения (1) видно, что при , т.е. ток через р-n переход с увеличением напряжения резко возрастает. При отрицательных напряжениях начиная с U = -0,05в, величина и ею можно пренебречь, тогда обратный ток равен току насыщения и в определенных границах обратного напряжения остается практически постоянным. Значение I₀ обычно составляет несколько микроампер. ВАХ реального р-n перехода (рис. 11) совпадает с кривой, соответствующей выражению (1) до значений обратного напряжения, близких к U_обр.max. Из ВАХ р-n перехода на рис. 11 видно, что р-n переход обладает свойством односторонней проводимости, т.е. ток проходит через р-n переход только под действием приложенного прямого напряжения, и практически не проходит под действием приложенного обратного напряжения.

При дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к р-n переходу свыше U_{обр max} наступает пробой р-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый). При электрическом пробое, под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами они ионизируют их и появляются новые электроны и дырки. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к резкому увеличению I_обр.

Если не ограничить обратный ток (например включив последовательно с рn переходом резистор) (рис.12), то электрический пробой перейдет в тепловой, в котором за счет тепловой энергии произойдет энергичная генерция пар «электрон-дырка», приводящая к резкому увеличению I_обр. Увеличение обратного тока приводит к дальнейшему увеличению температуры и еще большей генерации пар (электрон-дырка). Процесс нарастает лавинообразно и приводит к выходу рn -перехода со строя.

1.2.4 Температурные свойства р-n перехода.

Повышение температуры увеличивает собственную проводимость полупроводника и поэтому особенно сильно влияет на значение обратного тока р-n перехода, определяемого этим видом приводимости. Для германиевых и кремниевых р-n переходов обратный ток насыщения возрастает вдвое при повышении температуры на каждые 10⁰. Прямой ток р-n перехода меньше зависит от температуры. Он определяется в основном количеством носителей примесной проводимости, которая зависит от концентрации примесей и с изменением температуры практически не меняется. Влияние температуры на ВАХ р-n перехода показано на рис. 13.

Верхний предел рабочих температур для германиевых приборов 70-90⁰, а кремниевых 120-150⁰.

1.2.5 Частотные свойства р-n перехода

. Частотные свойства р-n перехода определяются электрической емкостью между областями полупроводника с различным типом проводимости. При обратном напряжении р-n структура подобна конденсатору с пластинами в виде р и n областей, разделенных диэлектриком (переходом почти свободным от носителей)(рис14).

Эту емкость называют барьерной и определяют по формуле:

; где S – площадь рn-перехода; – толщина рn-перехода; – диэлектрическая проницаемость рn-перехода.

При прямом напряжении емкость рn структуры определяется диффузионной емкостью. Она обусловлена инерцией подвижных носителей, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и не успевая рекомбинировать накапливаются: дырки в N области, а электроны в Р области (рис. 15).

Она определяется как: , где Q_диф – заряд, накопленный в рn структуре при приложенном напряжении U_пр. С_диф мало влияет на работу рn- перехода, т.к. зашунтировано относительно малым прямым сопротивлением рn- перехода.

На рис.16 изображена эквивалентная схема рn-перехода. r – сопротивление толщины полупроводников и выводов от них. r₁ – сопротивление запирающего слоя, зависящие от величины и полярности приложенного напряжения. емкость рn-перехода. При работе рn-перехода на больших частотах емкостное сопротивление уменьшается, шунтируя запирающий слой. Поэтому несмотря на большое значение r₁ через емкость С_вн проходит ток, как при U_{пр max} так и при U_обр, в результате чего рn-переход теряет свойство односторонней проводимости. Для устранения этого явления изготавливают рn-переход с малой площадью рn-перехода, обладающие малой емкостью.

Тема 1.3 Полупроводниковые резисторы.

1.3.1 Терморезисторы.

1.3.2 Фоторезисторы.

1. Варисторы.

1.3.1 Терморезисторы

Полупроводниковые резисторы – это обширный класс полупроводниковых приборов, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов.

Терморезисторы – полупроводниковые резисторы сопротивление которых сильно зависит от температуры. Они изготавливаются из смеси оксидов кобальта и марганца и выполняются в виде дисков, миниатюрных бусинок, плоских прямоугольников Терморезисторы делятся на два класса:

1) Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом (ТКС), сопротивление которых с ростом температуры уменьшается.

2) Терморезисторы с положительным ТКС, изготавливаемые на основе титана бария и называемые позисторами, сопротивление которых с ростом температуры увеличивается..

Условное графическое обозначение данных терморезисторов приведены соответственно на рис. 17.

В терморезисторах с отрицательным ТКС уменьшение сопротивления с ростом температуры обусловлено увеличением концентрации свободных носителей заряда или увеличением их подвижности. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры определяется уравнением (1) где А – коэффициент зависящий от удельного сопротивления полупроводника; В – коэффициент температурной чувствительности, определяемый свойствами полупроводника. Т – температура, К.

На рис. 18 изображена температурная характеристика терморезистора, соответствующая выражению (1).

ВАХ терморезистора представляет собой зависимость между напряжением на терморезисторе и проходящим через него током (рис. 19).

Она имеет три основных участка: ОА; АВ; ВС. На участке ОА характеристика линейна, т.к. при малых токах тепловая мощность, выделяющаяся в терморезисторе, мала и не влияет на его температуру. На участке АВ с ростом тока температура терморезистора повышается и его сопротивление падает. При дальнейшем увеличении тока на участке ВС уменьшение сопротивления столь значительно, что рост тока ведет к уменьшению напряжения на терморезисторе.

Основные параметры терморезистора:

R_{Т ном} – номинальное сопротивление терморезистора при t=20⁰.

Т – диапазон рабочих температур.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

Различают терморезисторы, реагирующие на внешний нагрев и нагрев током, проходящим через рабочее тело терморезистора. Первые используют в качестве датчиков температуры окружающей среды. Вторые применяют для регулирования процессов в электрических цепях.

На рис. 20 изображена схема для измерения температуры, в которой чувствительным элементом является терморезистор R_К.

Балансировка четырехплечего моста выполняется при определенной температуре окружающей среды. Когда терморезистор оказывается в среде с другой температурой его сопротивление изменяется, мост разбалансируется и в цепи измерительного прибора появляется электрический ток, пропорциональный температуре среды.

1.3.2 Фоторезисторы.

Явлением фотопроводимости называется увеличение электропроводности полупроводника под воздействием электромагнитного излучения. При освещении полупроводника в нем происходит генерация электронно-дырочных пар за счет переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости, вследствие чего проводимость полупроводника возрастает. Т.к. следствием поглощения энергии света в полупроводнике является перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости, то энергия кванта света фотона должна удовлетворять условию:

где h – постоянная Планка ( )

- ширина запрещенной зоны полупроводника.

- критическая частота э.м. излучения. Критической частоте соответствует граничная длина волны: где с – скорость света м/с. При длинах волн, больших граничной, фотопроводимость резко падает. Фотопроводимость полупроводников обнаруживается в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях электромагнитного спектра, в зависимости от ширины запрещенной зоны, которая в свою очередь зависит от типа полупроводника, температуры, концентрации примесей и напряженности электрического поля. Поскольку при освещении полупроводника светом меняется его внутреннее сопротивление, то данное явление получило название фоторезистивного эффекта.

Фоторезисторы – это полупроводниковые приборы, сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. На рис. 21 изображено условное графическое изображение фоторезистора на принципиальной схеме.

Рис 21

На рис. 22 изображена схема включения фоторезистора.

Рис22

При отсутствии освещения ( ) фоторезистор обладает большим темновым сопротивлением R_тем и темновой ток, проходящий в цепи фоторезистора, мал и определяется выражением .

При наличии светового потока ( ) сопротивление фоторезистора уменьшается до значения R_св и ток, протекающий по цепи, будет равен:

.

Разность токов I_св – І_тем определяет фототок

.

На рис. 23 показаны ВАХ фоторезистора, соответствующие затемнению (1) и осветлению (2).

Рис 23

Параметры фоторезистора:

І_тем – темновой ток; I_св – световой ток; І_ф – фототок.

- интегральная чувствительность.

U_р – допустимое рабочее напряжение, при котором светочувствительный слой еще не поврежден.

Р_max – допустимая мощность рассеивания.

- кратность изменения сопротивлений.

1.3.3 Варисторы.

Варистор – это нелинейный полупроводниковый резистор из карбида кремния, сопротивление которого с увеличением приложенного напряжения уменьшается.

На рис. 24 изображено УГО варистора на принципиальной электрической схеме, а на рис. 25 изображена ВАХ варистора.

		Рис 24

Рис 25

Основной особенностью варистора является нелинейность его ВАХ, объясняемая явлениями, происходящими на контактах и на поверхности кристаллов карбида кремния.

Основные параметры варисторов:

R_ст – статическое сопротивление, или сопротивление варистора при постоянных величинах тока и напряжения. .

R_дин – динамическое сопротивление или сопротивление варистора переменному ток. для данной точки определяется как тангенс угла наклона характеристики.

= коэффициент нелинейности.; – показатель нелинейности.

На рис. 26 изображено включение варистора в схему, предназначенную для стабилизации выходного напряжения.

Рис. 26

Входное напряжение U_вх распределяется между ограничивающим резистором R_огр и параллельно включенным варистором и сопротивлением нагрузки. Напряжение на резисторе R_н не может увеличиваться пропорционально увеличению входного напряжения U_вх, т.к. с ростом выходного напряжения U_Rн уменьшается сопротивление варистора RU, увеличивается входной ток I_вх и падение напряжения на резисторе R_огр.

Тема 1.4: Полупроводниковые диоды.

1.4.1 Общая характеристика и классификация полупроводниковых диодов.

1.4.2 Выпрямительные диоды.

1.4.3 Стабилитроны

1.4.4 Варикапы.

1.4.5 Фотодиоды.

1.4.6 Светодиоды.

1.4.7 Металлополупроводниковые диоды (диоды Шоттки).

1.4.8 .Туннельные диоды.

1.4.1 Общая характеристика и классификация полупроводниковых диодов.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним рn-переходом и двумя выводами. Разрез структуры полупроводникового диода показан на рисунке 27.

Рис. 27

Одна из полупроводниковых областей кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей называется эмиттером, а другая с меньшей концентрацией – базой. Обычно база имеет электропроводность n-типа и ее толщина значительно больше области эмиттера имеющей электропроводность р-типа. К р и n областям кристалла привариваются или припаиваются металлические выводы, называемые соответственно анодом и базой . На рис. 29 показано условное графическое изображение диода на принципиальных электрических схемах.

Рис. 29

ВАХ диода показана на рис. 30 и представляет собой не что иное как ВАХ рn перехода.

По признакам, положенным в основу классификации, диоды делят на следующие группы:

I По роду исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенид галлиевые и др.

II По конструктивно технологическим признакам:

1) Точечные – это диоды у которых рn переход образуется в месте контакта полупроводника с острием металлической проволоки-пружины. Для надежного контакта по проволоке пропускают импульс тока вплавляющий острие металла в полупроводник. В результате диффузии металла в полупроводник образуется полусферический рn переход (рис 31).

Рис.31

Благодаря малой площади рn перехода, диод обладает очень малой емкостью перехода и используется в электрических цепях с частотой тока до сотен МГц. Но малая площадь рn перехода определяет также и небольшой допустимый ток диода.

2) Плоскостные сплавные – это диоды у которых р-n переход выполняют методом сплавления полупроводниковой пластины с металлом. (рис. 32)

Рис 32

Металл, содержащий донорные или акцепторные примеси, накладывают на полупроводник и нагревают до температуры, когда часть полупроводника растворяется в полученном расплаве. При охлаждении происходит рекристаллизация полупроводника с примесью вплавленного металла и образуется р-n переход.

3) Диффузионные – это диоды у которых рn переход изготавливают посредством диффузии в полупроводник примеси, находящейся в газообразной, жидкой или твердой фазах. Если диффузия примеси проводится через отверстие в защитном слое на поверхности полупроводника, то получают планарный р-n переход.

Рис. 33

III По физическим свойствам и назначению: на выпрямительные и специальные.

А) Выпрямительные диоды в зависимости от частоты и формы переменного напряжения делятся на высокочастотные, низкочастотные и импульсные.

Б) Специальные – это типы диодов в которых используют различные свойства р-n переходов: явление пробоя, барьерную емкость, наличие участков с отрицательным сопротивлением и др.

IV По основным электрическим параметрам диоды различаются величинами допустимых токов, напряжений, мощностей.

Для защиты рn перехода от воздействия окружающей среды кристалл полупроводника с образованным в нем рn переходом помещают в герметичный корпус. Размеры кристалла, а также габариты и форма корпуса определяются максимальной рассеиваемой диодом мощностью, величиной его рабочего тока и некоторыми другими показателями. На рис. 34 изображена одна из конструкций маломощного полупроводникового диода.

		Рис. 34

Кристалл 1, содержащий р-n переход, припаивают к кристаллодержателю 2, который служит омическим контактом и теплоотводом. Этот контакт соединен с корпусом 3 и является внешним выводом. Второй вывод диода 4 отделен от корпуса изолятором 5.

1.4.2. Выпрямительные диоды.

Выпрямительными называют диоды предназначенные для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный производимого на основе свойства односторонней проводимости электронно-дырочных переходов. На рис. 35 показана простейшая схема диодного выпрямителя, а на рисунке 36 временные диаграммы поясняющие его работу.

При подаче на вход выпрямителя переменного напряжения, изменяющегося, например, по гармоническому закону (рис. 36а), ток через диод и сопротивление нагрузки R_Н протекает лишь в течение положительных полупериодов входного напряжения (рис. 36б). Следовательно напряжение на нагрузке, как и ток будет носить пульсирующий характер (рис. 36в). Качество выпрямленного напряжения можно улучшить, подключив параллельно нагрузке емкость С. В течение положительных полупериодов входного напряжения, когда диод проводит ток, емкость С заряжается. В отрицательные полупериоды входного напряжения, емкость С разряжается на нагрузку R_Н, чем обеспечивается сглаживание пульсации напряжения на выходе.

Параметры выпрямительных диодов:

1) I_{пр max} – максимально допустимый прямой ток

2) U_{пр. max} – прямое падение напряжения на диоде соответствующее току

3) U_проб. – максимально допустимое обратное напряжение на диоде

4) I_{обр ном} – номинальный обратный ток

5) I_{выпр. сред. max} – максимально допустимый средний выпрямленный ток, который может длительно проходить через диод не вызывая изменения его параметров

6) R_пр; R_обр – статические прямое и обратное сопротивления диода. Это сопротивление диода по постоянному току для заданных точек ВАХ.

; (рис. 38). У выпрямительных диодов R_пр составляет единицы-десятки Ом; R_обр – сотни кОм.

7) R_д.пр; R_д.обр – динамические (дифференциальные) сопротивления диода, характеризующие его свойства к небольшим изменениям (приращениям) тока и напряжения. ; (рис.37).

8) Р_max – максимально допустимая мощность, которую диод рассеивает в окружающее пространство в виде тепла.

1.4.3 Стабилитроны

Стабилитронами называют полупроводниковые диоды, используемые для стабилизации электрического напряжения. На обратной ветви ВАХ стабилитрона имеется четко выраженный участок электрического пробоя (рис. 39), на котором напряжение остается практически постоянным при изменении тока а широких пределах.

Это позволяет использовать стабилитрон для стабилизации напряжения. Участок пробоя на обратной ветви ВАХ является рабочим участком стабилитрона. На рис. 40 показано условное графическое изображение стабилитрона на принципиальных электрических схемах.

Параметры стабилитрона:

1. U_ст – напряжение стабилизации, практически совпадающее с напряжением пробоя.

2. I_{ст. min}, I_{ст max.} – предельные величины рабочих токов стабилитрона.

3. - дифференциальное сопротивление на участке стабилизации.

4. температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации.

На рис. 41 представлена принципиальная схема стабилизатора напряжения на стабилитроне.

Он содержит два элемента – стабилитрон, включаемый параллельно нагрузке R_н и балластное сопротивление R_б. При изменении входного напряжения на величину возникает приращение тока , которое практически полностью ответвляется в стабилитрон, т.к. его сопротивление в режиме пробоя существенно меньше R_н. Поскольку при изменении тока на рабочем участке стабилитрона напряжение на его зажимах меняется мало, то практически все приращение входного напряжения выделяется на балластном сопротивлении . При этом напряжение на нагрузке меняется незначительно.

При изменении сопротивления нагрузки, но неизменном U_вх, ток проходящий через сопротивление R_б остается постоянным, но меняется распределение токов между стабилитроном и сопротивлением нагрузки.

.

1.4.4 Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости барьерной емкости С_бар от значения приложенного обратного напряжения, что позволяет применять варикап в качестве элементаэлектрически управляемой емкостью. Условное графическое изображение варикапа на принципиальной электрической схеме показано на рисунке 42.

Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения приложенного обратного напряжения, называемая вольтфарадной характеристикой (рис. 43).

		Рис.43

Параметры варикапа:

1) С_ном – номинальная емкость при заданном внешнем напряжении U_ном.

2) С_max, C_min – максимальная и минимальная емкости в пределах заданного диапазона изменения обратного (управляющего) напряжения от U_min до U_max.

3) Температурный коэффициент емкости где - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры окружающей среды.

В основном варикапы используются в схемах для электронной настройки частоты колебательных контуров как показано на рис. 44.

1.4.5 Фотодиоды.

При освещении р-n перехода и примыкающих к нему участков полупроводников между ними возникает электродвижущая сила. Этот эффект называют фотогальваническим (или внутренним фотоэффектом).

На рис. 45 показан разрез структуры полупроводникового диода с падающим на область pn перехода потоком фотонов. Этот поток фотонов создает в прилегающих к границе раздела р и n областях некоторое количество подвижных носителей зарядов – электронов и дырок.

Рис. 45

Часть из них, диффундируя к переходу, достигает его границы. На границе перехода электронно-дырочные пары разделяются электрическим полем перехода. Не основные носители, для которых поле перехода будет ускоряющим, выбрасываются этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем перехода в своей области, создавая накопление не скомпенсированных зарядов и образуя на р-n переходе добавочную разность потенциалов, называемую фотоэлектродвижущей силой (фото Э.Д.С.). Фото Э.Д.С. зависит от интенсивности светового потока и обычно составляет десятые доли вольта. Если цепь рn структуры при этом замкнуть, то в ней под действием фото Э.Д.С. возникает электрический ток, сила которого зависит от величины светового потока и сопротивления нагрузки.

Фотодиод – это полупроводниковый прибор, работа которого основана на явлении внутреннего фотоэффекта, и предназначенный для преобразования световой энергии в электрическую. УГО фотодиода показано на рис. 46

		Рис. 46

Фотодиоды изготавливаются на основе германия, кремния, сернистого серебра, арсенида галлия. Конструктивно фотодиоды состоят из двух слоев полупроводника с электропроводностями разных типов, на границе между которыми создается р-n- переход. В конструкции фотодиодов предусмотрена возможность попадания светового потока в область р-n перехода.

Существует два режима работы фотодиода: фотогенераторный (без внешнего источника напряжения питания) и фотопреобразовательный (с внешним источником напряжения питания) .

В фотогенераторном режиме при разомкнутом ключе К и отсутствии освещения (Ф=0) диффузионная и дрейфовая составляющие токов р-n перехода уравновешиваются и ток через переход равен 0.

При освещении в области р-n перехода генерируются дополнительные пары носителей заряда. Поле объемного нескомпенсированного заряда разделяет эти пары: дырки дрейфуют в Р-область, электроны в N. Возникновение дополнительного числа неосновных носителей заряда приводит к возрастанию дрейфового тока через р-n переход на величину представляющую собой фототок I_Ф, т.е. I_ДР=I₀+I_Ф где I₀ – тепловой ток через р-n переход.

Т.к. в результате освещения в р области накапливаются избыточные носители с положительным зарядом, а в n области с отрицательным, то между электродами появится разность потенциалов, называемая фото э.д.с. и имеющая полярность указанную на рис. 45. (У кремниевых диодов 0,5-0,6 В; у германиевых 0,3-0,4 В).

1.4.6Светодиоды

Процесс преобразования в рn структуре энергии электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называется электролюминисценцией. При подаче прямого напряжения на рn переход, через него проходит ток и в прилежащих к переходу областях полупроводника происходит интенсивная рекомбинация носителей зарядов – электронов и дырок. Процесс рекомбинации состоит в переходе электронов из зоны проводимости в валентную зону и сопровождается выделением избыточной энергии. Часть этой энергии расходуется на нагревание кристалла, а остальная часть излучается в виде квантов света и фиксируется зрительно. Рекомбинационное излучение может возникать лишь в р-n структурах на основе полупроводников с большой шириной запрещенной зоны (карбид кремния, арсенид или фосфид галлия). Интенсивность такого светового излучения зависит от величины протекающего через р-n- переход тока, а само излучение лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра .(см. график на стр. 47).

Рис. 47

Светодиод – это полупроводниковый прибор, преобразующий энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией.

УГО светодиода показано на рис. 48.

	Рис. 48

В качестве исходного полупроводникового материала для изготовления светодиодов используют арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP), карбид кремния (SiС). Конструктивно светодиод содержит кристалл полупроводника с сформированным в нем p-n переходом, на который подается прямое напряжение. Кристалл полупроводника с соответствующими выводами помещают в специальный корпус, верхняя часть которого заканчивается стеклянной линзой, с помощью которой излучение приобретает заданную направленность (рис. 49).

Рис. 49

Параметры светодиода:

1) В (кд/м²) – яркость свечения при максимально допустимом прямом токе, I_{пр max}, мА.

2) Полная мощность излучения Р_полн, мВт.

3) Постоянное прямое напряжение U_пр при I_{пр max}.

4) Цвет свечения, или спектральная мощность излучения.

1.4.7 Диоды Шоттки

Работа - которую для отрыва от поверхности тела затрачивают электроны против электрических сил возвращающих их обратно называется работой выхода электрона.

На рис.50 изображена NM структура (металл-полупроводник N-типа).

В такой структуре подбирают металл с работой выхода электронов больше, чем у полупроводника и следовательно преобладающим будет перемещение электронов из полупроводника в металл. В результате металл зарядится отрицательно, а оставшиеся в полупроводнике ионы донорной примеси создадут в его приграничном слое положительный потенциал (рис.19). Такое распределение зарядов создаст контактную разность потенциалов U_К, препятствующую дальнейшему перемещению электронов, подобно тому, как это имеет место в PN структуре. Аналогично PN переходу MN переход обедняется носителями и его электрическое сопротивление повышается. Под действием приложенного к такому переходу обратного напряжения, совпадающего с U_K, ширина обедненной области увеличится. При противоположной (прямой) полярности внешнего напряжения обедненная область сужается. Следовательно MN переход уподобляется РN переходу и их ВАХ оказываются аналогичными.

Такой MN переход называют выпрямляющим или переходом Шоттки.

Особенности перехода Шоттки :

1. Значительно меньшее прямое падение напряжения по сравнению с РN переходом, поскольку одно из веществ MN перехода металл и его электрическое сопротивление значительно меньше, чем у полупроводника (рис. 51).

2. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда из металла в полупроводник (в данном случае дырок), а следовательно и отсутствие диффузионной емкости, связанной с накоплением неосновных носителей в полупроводнике.

Металлополупроводниковые диоды – это диоды основанные на переходе Шоттки и называемые диодами Шоттки. Условное графическое изображение диода Шоттки на принципиальной электрической схеме показано на рисунке 52.

Выпрямляющий переход таких диодов представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения. Диоды Шоттки обладают емкостью не превышающей 0,01 пф, что обеспечивает время их переключения (доли наносекунды) и предельную частоту работы (десятки гигагерц). Они способны пропускать токи в десятки ампер при обратных напряжениях до 500 V. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3 В вместо 0,7 В у диодов PN-типа) они обеспечивают более высокий КПД.

1.4.8 Туннельные диоды

Туннельным называется полупроводниковый диод, работа которого основана на использовании туннельного механизма переноса заряда через р-n переход (туннельный эффект). Условное графическое обозначение туннельного диода на принципиагьных электрических схемах показано на рисунке 53.

Для получения туннельного эффекта используются полупроводники с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³, против обычной 10¹⁵). Полупроводники с такой концентрацией примесей называют вырожденными, т.к. по своим свойствам они очень близки к свойствам металлов. Свойства туннельного диода определяются формой его ВАХ изображенной на рисунке 54.

Участок АВ которой является участком с отрицательным сопротивлением, т.к. на нем при положительном изменении напряжения имеет место отрицательное изменение тока , и тогда (рис. 22). Отрицательное сопротивление служит удобным математическим символом, а не реальной физической величиной, и означает что на некотором участке ВАХ прибора, увеличение напряжения уменьшает ток и наоборот.

Параметры туннельного диода:

- Ток впадины I_В – прямой ток в точке минимума ВАХ.

- Напряжение пика U_П – прямое напряжение соответствующее I_П.

- Пиковый ток I_П – прямой ток в точке максимума ВАХ.

- Напряжение впадины U_В – прямое напряжение соответствующее I_В.

- Напряжение раствора U_РР – прямое напряжение на второй восходящей ветви при токе, равном пиковому (рис. 54).

Тема 1.5 Биполярные транзисторы.

1.5.1 Назначение и устройство биполярного транзистора.

1.5.2 Принцип действия биполярного транзистора.

1.5.3 Режимы работы биполярного транзистора.

1.5.4 Схемы включения биполярных транзисторов.

1.5.5 Статические характеристики транзисторов.

1.5.6 Динамические характеристики транзисторов.

1.5.7 Усилительные свойства транзистора.

1.5.8 Система h-параметров транзистора.

1.5.9 Частотные и температурные свойства транзистора.

1.5.1 Назначение и устройство биполярного транзистора

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с тремя выводами, пригодный для усиления мощности. Биполярный транзистор содержит в себе два электронно-дырочных перехода, образованных между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от характера электропроводности внешних слоев различают транзисторы р-n-p и n-p-n типа. Разрез структуры и условное графическое обозначение биполярного транзистора p-n-p типа показано на рисунках 55а и 55б.

Рис. 55

Разрез структуры и условное графическое обозначение биполярного транзистора n-p-n типа показано на рисунках 56а и 56б.