Сегодня: 21 | 09 | 2020

Лекция по теме полупроводники

Лекция по теме полупроводники

Лекция Электрофизические свойства полупроводников

1. Физические свойства полупроводников. Зависимость проводимости полупроводников от температуры и других факторов.

2. Собственная проводимость полупроводников. Примесная проводимость полупроводников.

3. Электронно-дырочный переход. Свойства p-n перехода при отсутствии и наличии внешнего напряжения.

4. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

С/р. 5. Эквивалентная схема p-n перехода. Температурные и частотные свойства p-n перехода. Виды и способы создания p-n перехода.

Норма времени – 2 часа, самостоятельное изучение – 2 часа.

1. Физические свойства полупроводников. Зависимость проводимости полупроводников от температуры и других факторов.

Атом любого вещества состоит из положительно заряженного атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов — носителей отрицательного заряда. Основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительно заряженные ядра различных элементов отличаются друг от друга как массой, так и величиной своего заряда, электроны же их имеют одинаковый заряд и массу. Общий отрицательный заряд электронов в атоме равен положительному заряду ядра, поэтому число электронов в атоме того или иного элемента различно и соответствует порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева.

Орбиты вращающихся электронов находятся на разных расстояниях от ядра, причем на каждой орбите находится вполне определенное число электронов. На самой первой, наиболее близкой к ядру орбите может находиться не более двух электронов, на второй — 8, на третьей — 18, на четвертой — 32. Орбиты различно расположены в пространстве и образуют вокруг ядра электронные слои. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т. е. находятся на одинаковом Энергетическом уровне. Электроны, вращающиеся на последней, внешней орбите, называются Валентными электронами. Валентные электроны наиболее слабо связаны с ядром, взаимодействие их обеспечивает соединение атомов в молекулы или в кристаллическую решетку.

В твердых телах тепловое движение молекул и атомов проявляется в виде колебаний вокруг некоторых средних положений. При этом наблюдаются многочисленные столкновения частиц между собой. В момент сильного удара из атома может быть выбит один или несколько электронов. Атом становится ионом, а освободившийся электрон начинает свободно блуждать по всему объему твердого тела. Он может примкнуть либо к положительному иону, либо даже к нейтральному атому, образуя при этом отрицательно заряженный ион.

Электрон, входящий в состав атома, обладает строго определенной энергией. Все электроны каждого конкретного атома распределены по строго определенным энергетическим уровням. При соответствующих условиях электрон можно перевести с одного энергетического уровня на другой, при этом будет либо выделяться, либо затрачиваться энергия. Так как электроны в атоме, как уже сказано, занимают лишь вполне определенные энергетические уровни и не могут находиться в промежуточных состояниях, то потеря энергии электроном или ее приобретение происходит не постепенно, а скачками. При переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий Излучается один квант света. И наоборот, переход электронов с более низких на более высокие уровни Сопровождается поглощен нем световых квантов.

Границы между проводниками, полупроводниками и изоляторами условны. Проводники обладают высокой электропроводностью. В наружной электронной оболочке атома металла имеется хотя бы один электрон, который, будучи слабо связанным с ядром, покидает пределы атома и свободно блуждает по всей массе металла. Появление Свободных электронов в металле не связано с какими-либо внешними воздействиями на него. В металле происходит непрерывный процесс воссоединения электронов с ионами, вследствие чего образуются нейтральные атомы и новые свободные электроны. Число свободных электронов в единице объема проводника вполне определенно и равно произведению числа атомов в единице объема на валентность металла. Концентрация свободных электронов в единице объема не зависит ни от температуры, ни от влажности и давления окружающей среды.

Таким образом, любой проводник состоит из ионов, каждый из которых расположен в узлах кристаллической решетки и совершает некоторые колебания вокруг положения равновесия, и из равномерно распределенных свободных электронов — Электронов проводимости. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то электроны проводимости приобретают дополнительную скорость, направленную против действия этого поля; движению электронов будут препятствовать только колеблющиеся ионы. В металле появится ток. С повышением температуры увеличивается амплитуда тепловых колебаний ионов, а значит возрастет их сопротивление движущимся электронам и ток уменьшится. С понижением температуры, наоборот, тепловые колебания ионов ослабевают, сопротивление движению электронов падает и ток возрастает. Этим и объясняется Явление сверхпроводимости проводников при понижении температуры (удельное сопротивление уменьшается, стремясь к нулю).

Атом полупроводника тоже состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов, но все они очень прочно связаны с ядром. Поэтому при достаточно низких температурах в полупроводнике вообще отсутствуют свободные электроны, а следовательно, и электропроводность. Однако если учесть тепловое движение атомов и молекул, то в момент их столкновения з полупроводнике и даже в изоляторе могут появиться свободные электроны. Этим объясняется частичная электропроводность полупроводников и изоляторов. С повышением
температуры в них возрастает концентрация электронов проводимости и поэтому сопротивление уменьшается. Для увеличения, электропроводности полупроводника следует сообщить электронам энергию, необходимую для отрыва их от атома или молекул.

Помимо теплового движения в результате нагрева источником этой энергии могут быть электромагнитные волны, летящие элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны и др.), электрическое поле и свет.

При образовании кристалла из большого количества связанных атомов энергетические уровни отдельных атомов сдвигаются. Поэтому в кристалле энергетический уровень каждого электрона не совпадает с тем уровнем энергии, который аналогичный электрон занимает в свободном атоме. Так как количество уровней энергии в кристалле велико, а различие между ними мало, то эти уровни образуют так называемые Разрешенные зоны, А между ними располагаются Запрещенные зоны, На которых атомы данного элемента находиться не могут. Энергетические уровни валентных электронов образуют Валентную зону. Следующей, более высокой зоной в энергетическом отношении является свободная зона или Зона проводимости. На рис. 68 представлены три возможных случая расположения энергетических зон валентных электронов. В проводнике (рис. 1, А) Зона проводимости примыкает непосредственно к валентной зоне. Если к проводнику приложить внешнее электрическое поле, то под его влиянием электроны начнут двигаться направленно, меняя при

Рис. 1. Энергетические зоны валентных электронов:
А — в металле; Б — в полупроводнике; В — в изоляторе.

/—зона проводимости,; 2—запрещенная зона; 3—-валентная зона.

Этом свою энергию и переходя на более высокие уровни. В полупроводнике (рис. 1, Б) Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона. Для появления электропроводности необходимо, чтобы некоторое число электронов перешло из валентной зоны в зону проводимости, для чего электронам валентной зоны надо сообщить энергию Е От десятых долей до полутора электронвольт (один электронвольт, Эв, Соответствует энергии, необходимой для преодоления одним электроном разности потенциалов в один вольт). В диэлектриках (рис. 1,В) Величина АЕ Достигает нескольких электронвольт.

2. Собственная проводимость полупроводников. Примесная проводимость полупроводников.

В современной электронике практическое применение Их имеют следующие полупроводники: германий, кремний, селен, окись меди и др. Вокруг ядра атома германия, содержащего 32 протона, на четырех оболочках находятся 32 электрона; расположенные на наружной оболочке 4 валентных электрона и определяют электропроводность германия. Схематически кристаллическая решетка

Рис.2 Кристаллическая решетка
чистого германия.

Чистого германия представлена на рис. 2. Объединение атомов германия в кристаллическую решетку осуществляется при помощи ковалентных, или атомных, связей.

Вследствие теплового возбуждения происходит ионизация отдельных атомов кристаллической решетки, т. е. некоторые из валентных электронов становятся свободными, обусловливая Электронную проводимость Германия. В результате столкновений с ионами и атомами часть свободных электронов теряет энергию. Они возвращаются в валентную зону и занимают свое место в парноэлектронных связях. Одновременно с этим появляются новые свободные электроны. Наконец, устанавливается динамичекое равновесие между освобождающимися электронами и возвращающимися в валентную зону.

В полупроводнике наряду с электронов имеет место так называемая Дырочная проводимость. После отрыва электрона от атома остается свободное место, которое называют Дыркой. Валентный электрон соседнего нейтрального атома может перейти на притягивающий его атом с дыркой и заполнить освободившуюся связь. При этом дырка как бы «переходит» к соседнему атому. Если к полупроводнику не приложено внешнее электрическое поле, то дырки, так же как и свободные электроны зоны проводимости, перемещаются беспорядочно. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то движение дырок становится направленным. Это направленное движение
дырок от одного атома к другому соответствует движению положительных зарядов через полупроводник, а следовательно, и протеканию через полупроводник тока в направлении движения дырок. Проводимость полупроводника, вызванная движением дырок, называется дырочной или проводимостью типа Р (от латинского слова positive — положительный), в отличие от проводимости типа П (от латинского слова negative — отрицательный), обусловленной движением электронов.

Токи, вызванные электронной и дырочной проводимостями, совпадают по направлению и поэтому (1)

Где IП — электронный ток; — дырочный ток.

Проводимость, возникающая в полупроводнике вследствие нарушения валентных связей, называется Собственной проводимостью.

Таким образом, проводимость полупроводника определяется как движением электронов в зоне проводимости, так и движением электронов в валентной зоне, однако принято считать, что в валентной зоне перемещаются не электроны, а дырки.

Влияние Примесей На Проводимость полупроводника

Чистые полупроводники редко применяются в полупроводниковой технике. Обычно используются примесные полупроводники. Введение в полупроводник атомов соответствующей примеси способствует образованию дополнительных носителей тока, что приводит К Повышению электропроводности иногда в десятки миллионов раз. В чистом полупроводнике «поставщиком» электронов в зону проводимости может быть валентная зона. Введение примесей в полупроводник должно способствовать переходу электронов в зону проводимости. Существуют два вида примесей.

В примесях первого вида энергетические уровни электронов примеси располагаются в запрещенной зоне полупроводника вблизи зоны проводимости. Поэтому атомы примеси, являясь поставщиками электронов в зону проводимости, легко отдают в нее электроны, поскольку электронам при этом следует сообщить меньшую энергию

Рис. 3. Виды примесей в полупровод-
нике: А -— расположение донорных
уровней; Б — расположение акцептор-
ных уровней.

Е1, А не Е, как в полупроводнике без примеси (рис. 3, А). Примесные уровни при температуре выше абсолютного нуля отдают свои электроны в зону проводимости тем интенсивнее, чем выше температура полупроводника. Примесные уровни такого вида называются Донорными уровнями, А сами примеси — Донорами (donаге — дарить, лат.).

Примесные уровни второго вида называются Акцепторными, А сами примеси — Акцепторами. Акцепторные уровни располагаются около валентной зоны. При абсолютном нуле температуры акцепторные уровни свободны, т. е. не заполнены. Поэтому при температуре, отличной от абсолютного нуля, на такие уровни могут перейти электроны из валентной зоны, и так как 2 < Е, То число этих электронов будет больше, чем количество электронов, переходящих в зону проводимости (рис. 3, б). Уход электронов из валентной зоны дает возможность оставшимся здесь электронам, при наличии постороннего электрического поля, принять участие в проводимости в пределах этой зоны. При этом, как указывалось выше, дырки будут двигаться в направлении действия электрического поля.

Таким образом, электропроводность полупроводника можно увеличить путем введения донорной примеси (за счет возрастания электронов в зоне проводимости) либо путем введения акцепторной примеси (за счет возрастания числа дырок в валентной зоне).

Свойства Германия С Примесями

В настоящее время из полупроводниковых элементов наибольшее применение нашли германий и кремний. Германий является очень редким элементом: содержание его в земной коре составляет менее . Исходным продуктом для получения чистого германия является двуокись германия (Ое02), восстанавливаемая в водороде.

Кремний, наоборот, — один из самых распространенных элементов в природе и запасы его неисчерпаемы. Однако получение чистого кремния затруднено из-за высокой температуры плавления (более 1400° С) и большой химической активности в жидком состоянии.

Если в четырехвалентный германий добавить пятивалентный мышьяк или фосфор (донорную примесь), то примесный атомы займут в кристаллической решетке места отдельных атомов германия. При этом около каждого атома примеси останется один валентный электрон, не связанный с окружающими атомами германия (рис. 4).

При температуре, отличающейся от абсолютного нуля, этот электрон может покинуть атом примеси и стать свободным, причем возникновение свободных электронов не

Рис. 4. Кристаллическая решет - Рис. 5. Кристаллическая решет-

Ка германия с примесью фос - ка четырехвалентного германия

Фора. с примесью трехвалентного индия.

Связано с появлением дырки. Для ионизации атома чистого германия необходима энергия 0,72 Эв, Тогда как для ионизации примесного атома требуется энергия 0,015 зв. Поэтому уже при комнатной температуре все свободные электроны донорной примеси находятся в зоне проводимости. Германий с донорной примесью называется германием n-типа. Если к нему приложить электрическое поле, то в полупроводнике появится ток.

При добавлении в четырехвалентный германий трехвалентного индия или галлия атом примеси, заняв место атома германия в кристаллической решетке, не будет иметь достаточного числа электронов для образования ковалентной связи (рис. 5). При температуре выше абсолютного нуля один из валентных электронов соседних атомов, получив достаточную энергию, заполнит недостающую связь. Примесный атом становится отрицательным ионом, а в том месте, откуда ушел электрон, образуется дырка. При этом свободный электрон не появляется, количество свободных электронов в зоне проводимости остается прежним. Для того чтобы электрон от атома германия перешел к атому примеси, ему надо сообщить энергию порядка 0,1 Эв, В то время как для того, чтобы электрону от примесного атома перейти в зону проводимости, надо затратить энергию в 0,72 Эв. При обычной комнатной температуре большинство электронов германия переходит к примесным атомам. Германий с акцепторной примесью называется германием р-типа.

В германии n-типа много свободных электронов, они рекомбинируют с дырками и уменьшают их количество; аналогично в германии р-типа много дырок, они рекомбинируют с электронами и уменьшают их количество.

При значительной концентрации примеси проводимость полупроводника определяется основными примесными носителями. Так, в германии n-типа основными носителями являются электроны, неосновными — дырки, а в германии р-типа основными носителями являются дырки, а неосновными — электроны.

Примесные полупроводники электрически нейтральны и обладают проводимостью, определяемой видом примеси.

3. Электронно-дырочный переход. Свойства p-n перехода при отсутствии и наличии внешнего напряжения.

Односторонняя Проводимость электронно-Дырочного Перехода

Каждый, отдельно взятый полупроводник П - Или р-типа обладает двусторонней проводимостью: если изменить направление электрического поля, приложенного к полупроводнику, то в нем изменится лишь направление а не величина тока. .

Рассмотрим контакт двух полупроводников — одного с электронной и второго с дырочной проводимостью. При этом следует помнить, что в каждом полупроводнике имеются основные и неосновные носители тока. Распределение их в электронно-дырочном переходе показано на рис. 73. По оси ординат, в некотором масштабе, отложена концентрация N Электронов и дырок на единицу объема в полупроводниках типа П И р; Х — расстояние от границы перехода (рис. 6, А).

Пока электроны и дырки находились в соответствующих областях полупроводников, эти области были электрически нейтральны. При наличии контакта между полупроводниками с разными типами проводимости происходит диффузионное перемещение электронов из полупроводника типа П В полупроводник типа Р И дырок из полупроводника типа Р В полупроводник типа я. В приконтактном слое полупроводника типа П Образуется избыточный положительный заряд, а в приконтактном слое полупроводника типа Р — избыточный отрицательный заряд.

На рис. 6, Б Представлено изменение плотности зарядов Qt появившихся вследствие диффузии основных носителей, с расстоянием от границы перехода Х. Положительный заряд в приконтактном слое /i-области возникает за счет избытка здесь положительных зарядов, которые являются неподвижными ионами — акцепторами. Он не уравновешивает зарядов подвижных электронов, так как часть электронов перешла в р-область, а часть рекомбинировала с дырками, поступившими из этой области.

Аналогичные явления происходят и в приконтактном слое р-области, но с зарядами противоположных знаков. В пограничной зоне образуется электрическое поле контактной разности потенциалов Eк, препятствующее дальнейшей диффузии, т. е. перемещению основных носителей (рис. 6, В). Между полупроводниками появляется контактная разность потенциалов (потенциальный барьер), и диффузия прекращается.

Потенциальный барьер р-n Переходов образованных в германии принимает значение от 0.3 В до 0.4 В, В кремнииОт 0.7 В до 0.8 В.

Если к П—Р-переходу приложить внешнее электрическое поле E, направление которого совпадает с направлением электрического поля контакта Ек, То суммарное электрическое поле Ez будет равно
EZ = E+ Ек.

При этом положительный полюс внешней батареи должен быть присоединен к n-области, а отрицательный — к р-области (рис. 7, А). Переключатель П должен находится в положении 1. Внешнее электрическое поле вызовет перемещение дырок к отрицательному полюсу батареи, а электронов — к положительному, т. е. движение дырок и электронов будет происходить от границы П—Р-перехода. По цепи пройдет кратковременный ток. Контактная разность потенциалов ф станет выше (рис. 7, Б). Следует иметь в виду, что в цепи будет иметь место и некоторый ток, определяемый также неосновными носителями.

Если переключатель П Поставить в положение 2 (рис. 7, а), то основные носители под действием внешнего поля переместятся к границе перехода и соответственно EZ = E - Ек

Рис. 6. Электронно-дырочный переход: А — концентрация электронов и дырок; Б —- плотность зарядов у границы перехода; В — контактная разность потенциалов.

Рис. 7. Проводимость электронно-дырочного перехода:
А — подключение П—p-перехода к источнику питания;
б—Согласное действие Е И Ек; в—встречное действие Ей Ек.

Потенциальный барьер при этом станет меньше, и в цепи установится ток. Если величина внешнего электрического поля Е Окажется больше электрического поля в пограничной зоне ЕК,То потенциального барьера не станет. Через полупроводник пойдет ток, величина которого будет определяться величиной приложенного напряжения (рис. 7, В).

Если напряжение от внешнего источника приложить в направлении проводимости электронно-дырочного перехода, то в цепи устанавливается ток, более чем в десятки и сотни тысяч раз превышающий обратный ток. Обратный ток не зависит от приложенного напряжения, а определяется только концентрацией неосновных носителей. Он имеет постоянный для данного полупроводника предел, и поэтому называется током насыщения.

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней (униполярной) проводимостью.

4. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Также см. c.291-293 Гаврилюк

Зависимость тока через р-n-переход от приложенного к нему напряжения I=f(U) называют вольт-амперной характеристикой р-n-перехода. Она описывается уравнением:

I= I0(e±qU /(kT ) −1) (2.11)

Если р-n-переход включен в прямом направлении, напряжение U берут со знаком плюс, а если в обратном – со знаком минус. При комнатной температуре тепловой потенциал равен 0,025 ЭВ (ϕт= K⋅Т/q). Cогласно уравнению (2.11), при прямом напряжении прямой ток растет с повышением напряжения экспоненциально. При обратном напряжении обратный ток равен тепловому току, который от напряжения не зависит, поэтому рост тока при значительном повышении напряжения (до определенного предела) почти прекращается, наступает как бы его насыщение. Отсюда тепловой ток I0 называют также током насыщения.

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показана на рисунке 2.4. Обратный ток, обычно, на несколько порядков меньше прямого. Поэтому р-n-переход обладает вентильным свойством, т. е. односторонней проводимостью. При повышении температуры прямой ток через р-n-переход увеличивается.

Рисунок 2.4

Дадим определение некоторым понятиям, используемым при описании полупроводниковых приборов. При прямом смещении потенциальный барьер понижается и через него перемещаются основные носители заряда в смежную область, где они являются неосновными. Это явление называется инжекцией (впрыскивание). Область, из которой инжектируются носители заряда, называется эмиттером, а область, в которую они инжектируются и где они являются неосновными – базой.

Под действием поля р-n-перехода неосновные для данной области носители заряда перемещаются через р-n-переход в соседнюю область. Процесс выведения не основных носителей заряда через переход под воздействием поля этого перехода при подключении р-n-перехода к источнику внешнего напряжения называется экстракцией (извлечением).

Резкое возрастание обратного тока, наступающее при незначительном увеличении обратного напряжение сверх определенного значения, называют Пробоем перехода. Природа пробоя может быть различной: он может быть электрическим (участок АВ на рисунке 2.4), при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым (участок ВС на рисунке 2.4), при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника. Тепловой пробой р-n-перехода —пробой р-n-перехода, сопровождаемый разрушением кристаллической структуры полупроводника, возникает, когда мощность, выделяемая в р-n-переходе при протекании через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять р-n­переход. Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе (более 105 В/см). Наблюдаются два типа электрического пробоя. В полупроводниках с узким р-n­переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии («туннелировать» через р-n-переход). Туннельный пробои наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким р-n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n-перехода носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда «электрон – дырка» тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в р-n­переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять р-n-переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой р-n-перехода.

2.4 Емкости р-n-перехода

По обе стороны от границы р-n-перехода находятся ионизированные атомы донорной и акцепторной примесей, образующие отрицательные и положительные пространственные заряды. При изменении напряжения, приложенного к переходу, изменяется его ширина, а следовательно, и пространственный заряд. Поэтому плоскостной р-n-переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по значению, но противоположными по знаку зарядами(Qp =−Qn ), т. е. р-n-переход обладает емкостью. Емкость, обусловленная перераспределением зарядов в переходе, называется барьерной. Заряд Q зависит от напряжения, но не пропорционален ему, и емкость определяется как отношение приращения пространственных зарядов в р-n-переходе к вызвавшему это приращение изменению напряжения:

Сб =dQ / dU. (2.12)

Заряд (положительный или отрицательный) можно найти из выражения:

Q =qNSl, (2.13)

Где N – концентрация донорной или акцепторной примеси;

S – площадь р-n-перехода;

L – ширина p-n-перехода, причем для несимметричного р-n-перехода при его прямом и обратном включении:

L = 2εε0(∆ϕk −U )/(qN) =l0 (∆ϕk −U )/ ∆ϕk. (2.14)

Гдеε — относительная диэлектрическая проницаемость среды; ε0 –электрическая постоянная; N =Nd, если Nd >> Na и N = Na, если Na >> Nd ; U-напряжение, приложенное к переходу (при прямом включении U> 0, при обратном –U<0);

∆ϕ-ширина p-n-перехода в равновесном состоянии.

Подставив в модель (2.13) соотношение (2.14) и продифференцировав полученное выражение по напряжению, получим:

Cб = εε0S ∆ϕK. (2.15)

L ∆ϕk +U

Первый сомножитель в модели (2.15) определяет емкость обычного плоского конденсатора, второй – характеризует зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения.

При подключении к р-n-переходу прямого напряжения из каждой области полупроводника в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда (вследствие диффузии при понизившемся потенциальном барьере). В тонких слоях около границы р-n-перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Для нейтрализации этого избыточного заряда из прилегающих слоев отсасываются основные носители, число которых пополняется за счет источника. Таким образом, в каждой области у границы р-n-перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды QДИФ. При изменении напряжения изменяется число инжектированных носителей, а следовательно, и заряд. Изменение заряда на границе перехода подобно изменению зарядов на обкладках конденсатора при изменении приложенного к нему напряжения. Емкость, связанную с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной и определяют как отношение приращения инжектированного заряда в базе к вызвавшему его приращению напряжения:

C ДИФ =dQИНЖ / dU. (2.16)

Диффузионная емкость увеличивается с увеличением прямого тока. Кроме того, она тем больше, чем больше время жизни неосновных инжектированных носителей заряда, так как при этом меньше рекомбинация и больше носителей накапливается у границы р-n-перехода.

При подключении к р-n-переходу обратного напряжения перераспределение зарядов вследствие экстракции незначительно, поэтому диффузионная емкость мала. При прямом напряжении диффузионная емкость значительно больше барьерной, а при обратном напряжении наоборот. Поэтому при прямом напряжении учитывают C ДИФ, а при обратном −Cб.

Принцип действия и устройство полупроводниковых диодов

Полупроводниковый диод представляет собой прибор с одним электронно-дырочным переходом. Различают два типа полупроводниковых диодов: точечные и плоскостные.

В точечных диодах электронно-дырочный переход создается в месте контакта пластинки германия или кремния с заостренной металлической проволочкой (рис. 8, А). Для этой цели германиевый кристалл с электронной проводимостью, размером примерно 1,5x1,5х 0,5 Мм, Припаивают к одной из ножек прибора. Наружную поверхность кристалла тщательно полируют и формуют. Процесс формовки заключается в пропускании через такой собранный точечный диод сравнительно мощных, но коротких импульсов тока. При этом происходит сплавление кончика бериллиевой или вольфрамовой пружинки с полупроводником, меняется тип проводимости в слое полупроводника, прилегающем к пружине, и создается механическая прочность контакта.

В плоскостных диодах (рис. 8, Б) Электронно-дырочный переход образуется в месте контакта

Рис. 8. Конструкции диодов: А — точечных; Б — плоскостных.
1 — вольфрамовая пружинка; 2 — германиевый кристалл; 3 — первый элек-
трод (кристаллодержатель); 4 — второй электрод; 5 — керамическая втулка.

Пластинки германия (обычно с примесью сурьмы) с П-Проводимостью и вплавленного в него кусочка индия. Атомы индия при температуре около 500°С, диффундируя в n-германий, создают в прилегающей небольшой области акцепторную примесь с р-проводимостью.

К кристаллу германия, в котором создан Р—n-переход, припаивают токопроводящие провода. Всю конструкцию помещают в стеклянный или металлический корпус В плоскостном кремниевом диоде Р—n-переход получается вплавлением алюминия в n-кремний.

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода представлена на рис. 9. C увеличением напряжения в направлении проводимости диода (так называемое Прямое напряжение) Прямой ток через прибор резко увеличивается. При противоположной полярности приложенного напряжения (так называемое Обратное напряжение) Возникает ток насыщения /0 — обратный ток через П—р-переход, практически не зависящий от величины обратного напряжения.

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода аналитически выражается следующей формулой:

Где I —ток, протекающий через диод;
Q —заряд электрона;
К—постоянная Больцмана;
I0—ток насыщения (обратный ток);
Т
— абсолютная температура.
При комнатной температуре примерно равно 40 1/в, и формула (88) примет вид

1обр, мка

Рис. 76. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.

Из формулы следует, что при положительном (прямом) напряжении, приложенном к П—р-переходу, начиная с напряжения порядка 0,04—0,05 в, экспоненциальный член Е40U много больше единицы, и ток через П — р-переход с увеличением напряжения резко возрастет.

Наоборот, при отрицательных (обратных) напряжениях, экспоненциальный член будет много меньше единицы, им можно пренебречь и считать, что ток, проходящий через полупроводниковый диод, т. е. обратный ток, равен току, проходящему через П — р-переход при отсутствии внешнего напряжения.

Если обратное напряжение превысит допустимое максимальное напряжение Uобр-макс то наступит перегрев и разрушение диода. Чем больше протяженность отрицательной ветви вольт-амперной характеристики, тем большей способностью выдерживать без пробоя обратное напряжение, обладает диод.

Пробой наступает вследствие того, что под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей, увеличивают свою энергию и, двигаясь с повышенными скоростями внутри полупроводника, ионизируют его нейтральные атомы. Появляются новые свободные электроны и дырки, что приводит к лавинообразному увеличению обратного тока, а следовательно, и к перегреву П Р-перехода.

Сопротивление П Р-перехода переменному току в данной точке вольт-амперной характеристики определяется ее наклоном и может быть определено дифференцированием выражения (88):

(90)

Откуда

При комнатной температуре можно считать, что

Где I и I0 — в миллиамперах, R — сопротивление полупроводникового диода—в омах.

Формула (90) и характеристика сопротивления R, Представленная пунктиром на рис. 76, показывают, что с увеличением тока сопротивление перехода падает и составляет величину порядка единиц или даже десятых долей ома. При обратном напряжении, когда II0, сопротивление П — р-перехода имеет величину порядка десятков и сотен тысяч ом.

Анализ вольт-амперной характеристики полупроводникового диода показывает, что он является нелинейным элементом, его сопротивление меняется в зависимости от величины и знака приложенного напряжения. Эти свойства полупроводникового диода позволяют его использовать для выпрямления переменного тока, преобразования частоты, ограничения амплитуд и т. д.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых точечных диодов пользуются следующими параметрами:

1. Прямой ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено постоянное прямое напряжение в один вольт.

2. Обратный ток — ток, протекающий через диод, когда к нему приложено наибольшее постоянное
допустимое обратное напряжение.

3. Обратное пробивное напряжение — напряжение, при котором диод выходит из строя.

4. Допустимая амплитуда обратного напряжения — наибольшая амплитуда обратного напряжения, которая может быть приложена к прибору в обратном направлении в течение продолжительного
времени, не вызывая пробоя.

5. Среднее значение выпрямленного тока — постоянная составляющая выпрямленного тока диода, которая может протекать через диод долгое время, не вызывая его перегрева.

Для оценки электрических свойств полупроводниковых плоскостных диодов пользуются следующими параметрами:

1. Подводимое переменное напряжение — максимальное действующее значение пере менного синусоидального напряжения в вольтах, которое можно подавать на вход диода в течение продолжительного времени без пробоя.

2. Прямое падение напряжения — среднее значение напряжения на диоде при максимально допустимом выпрямленном токе. Оно характеризует внутреннее сопротивление прибора при прохождении через него прямого тока и обычно составляет величину порядка десятых долей вольта.

3. Выпрямленный ток — постоянная составляющая тока диода, которая при длительном протекании через диод не вызывает его перегрева, измеряется в миллиамперах или в амперах.

4. Обратный ток — среднее значение обратного тока диода, когда к нему приложено допустимое обратное переменное напряжение. Он характеризует внутреннее сопротивление диода в обратном направлении.

Основные особенности вольт-амперной характеристики полупроводникового диода по сравнению с соответствующей характеристикой вакуумного диода заключается в следующем:

1. При изменении знака приложенного напряжения в полупроводниковом диоде меняется направление тока, протекающего через прибор, а в вакуумном диоде оно остается неизменным.

2. При отсутствии внешнего приложенного напряжения в полупроводниковом диоде отсутствует ток, а через вакуумный диод протекает небольшой начальный ток.

3. При отрицательных (обратных) напряжениях через полупроводниковый диод протекает обратный ток порядка единиц и десятков микроампер, а в вакуумном диоде ток практически отсутствует.

В отличие от точечных полупроводниковых диодов, у которых большинство параметров измеряется на постоянном токе, все параметры плоскостных полупроводниковых диодов измеряют обычно на переменном токе с частотой 50 Гц.

§ 37. ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ

Работа полупроводникового диода зависит от условий окружающей среды. Так, электропроводность полупроводников получается достаточно высокой при температурах 50—60° С, так как с повышением температуры увеличиваются тепловые колебания, электронов основного полу-
проводника и примеси. Часть электронов приобретает
энергию, достаточную для преодоления связей с ядрами
атомов. Атомы примеси отдают все свои носители зарядов
быстрее и при меньшей температуре, чем атомы основного
полупроводника. Поэтому при высоких температурах
увеличение тока через П — р-переход определяется глав-
ным образом ростом электропроводимости основного полупроводника, а не примеси.

На рис. 76 штрих-пунктиром показана вольт-амперная
характеристика диода при более высокой температуре
окружающей среды. Из графика видно, что по мере повышения температуры увеличивается как прямой ток диода,
так и обратный, а напряжение [/обр. макс снижается. Это
объясняется тем, что собственная электропроводность полупроводника определяется равным количеством электронов и дырок, движущихся в противоположных направлениях. Различие концентраций носителей зарядов в материалах р - и я-типа уменьшается, исчезает и контактная
разность потенциалов. Поэтому полупроводниковый диод
с повышением* температуры ухудшает свои выпрямляющие (вентильные) свойства.

Германиевые полупроводниковые диоды работают при
температурах до +70-^+80° G, кремниевые диоды могут
ра[ботать при более высоких температурах, доходящих
до +140- + 150° G.

Существенным недостатком полупроводникового диода
является зависимость его работы от частоты приложенного напряжения.

Ранее было установлено, что электрическое поле контакта Ек Смещает электроны и дырки в соответствующих
направлениях, образуя своеобразный «барьер», ограничивающий перемещение зарядов. Область перехода оказывается обедненной подвижными носителями зарядов.
Она как бы играет роль диэлектрика некоторого конденсатора, обкладками которого служат слои Р И П. Емкость
Т1 этого «конденсатора» зависит

0-\ \--------f--------, от величины приложенного

Обратного напряжения. СувеI Г2 Личением последнего свободные электроны и дырки расходятся на большие расстоя Ccoff

Рис. 77. Эквивалентная схема НИЯ ДР У Г ОТ друга, толщина
П—Р-перехода. «диэлектрика» конденсатора

Становится больше, площадь
же остается прежней. Поэтому барьерная емкость Сб
Падает. G увеличением прямого напряжения заряды смещаются друг к другу и Сб возрастает.

Диффузия через Р — ^-переход происходит сравнительно медленно, так как положительные заряды, пришедшие в я-область, притягивают к себе электроны,
а электроны, пришедшие в /^-область, притягивают к себе
дырки. В объеме полупроводника появляется значительное количество связанных зарядов. Такое накопление
зарядов эквивалентно некоторой диффузионной,
так называемой динамической емкости. Поскольку увеличение прямого напряжения приводит к большему перемещению носителей через переход, то динамическая емкость возрастает. При увеличении обратного
напряжения динамическая емкость уменьшается, так как
количество связанных зарядов становится меньше.

Эквивалентная схема П — Р-перехода представлена на
рис. 77, где Гг — собственное сопротивление полупроводника; Г2 — сопротивление перехода, зависящее от величины и полярности приложенного напряжения; Ссоб =
= Сб + Сд — собственная емкость П — р-перехода.

Барьерная и динамическая емкости зависят от величины и знака переменного напряжения, приложенного
к полупроводниковому диоду. Во время отрицательного

Полупериода переменного напряжения барьерная емкость значительно больше диффузионной, а во время положительного полупериода приложенного напряжения, на-
оборот, диффузионная емкость много больше барьерной.
Поэтому в первом приближении собственную емкость СС05
при любом знаке приложенного напряжения можно
считать примерно постоянной.

G увеличением частоты напряжения, приложенного
к полупроводниковому диоду, сопротивление собственной емкости Хс л = —т,— падает, обратный ток воз"соб СоСсоб

Растает (г2 При этом может быть очень большим) и диод
теряет свойство односторонней проводимости. Поэтому
на частотах свыше 50 Кгц Применяют главным образом
точечные полупроводниковые диоды, так как у них собственная емкость значительно меньше, чем у плоскостных
диодов. Собственная емкость плоскостных полупроводниковых диодов составляет несколько десятков пикофарад.
Точечные германиевые диоды имеют собственную емкость
порядка 1,5—2 Пфу А междуэлектродная емкость кремниевых точечных диодов составляет десятые доли пикофарады.
Последнее обстоятельство позволяет использовать кремниевые диоды на более высоких частотах (до 500—600 Мгц),
Чем германиевые.

Хорошая герметизация П — р-перехода, как правило,
обеспечиваемая в полупроводниковых диодах, позволяет
использовать их в условиях повышенной влажности.

Монтаж полупроводниковых диодов следует вести при
помощи легкоплавкого припоя. В противном случае,
вследствие перегрева, диод выйдет из строя. Пайку надо
производить быстро, по возможности на большом расстоянии от корпуса прибора, а в качестве пинцета лучше использовать плоскогубцы с медными губками.

§ 38. ТИПЫ И МАРКИРОВКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ДИОДОВ

Полупроводниковые диоды, выпускаемые отечественной
промышленностью, по их назначению можно разделить
на следующие основные группы: силовые, опорные, фотодиоды, импульсные, высокочастотные, параметрические.

Силовыми диодами называют плоскостные
диоды, применяемые в различных выпрямительйых устрой6 Ю. Е. Верезкин ^1

Ствах, предназначенных для преобразования переменного
напряжения в постоянное. Силовые диоды работают в ограниченном частотном диапазоне, так как их собственная
емкость Ссоб велика (порядка нескольких десятков пикофарад). Обычно эти диоды используются на частоте 50 Гц,
И лишь в специальных выпрямительных установках они
работают на частоте 400 Гц. Силовые диоды применяются
также в инверторных устройствах, работа которых основана на преобразовании энергии источника постоянного
тока низкого напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого повышается с помощью трансформатора.
В этом случае'частота преобразования составляет обычно
несколько килогерц. Таким образом, рабочая частота
силовых диодов малой и средней мощности не превышает
10—20 Кгц. Силовые диоды большой мощности работают
только на частоте 50 Гц.

Наиболее перспективным материалом для изготовления
силовых диодов является кремний, так как он позволяет
получить более высоковольтные диоды, чем германий.
В плоскостных силовых диодах малой мощности (например,
типа Д-7) тепло рассеивается непосредственно через кор-
пус. В диодах средней мощности применяются специальные теплоотводящие устройства — радиаторы. Диоды
большой мощности при работе выделяют столько тепла,
что приходится применять воздушное или даже водяное
принудительное охлаждение.

Силовые диоды характеризуются следующими параметрами: обратным током при некоторой величине обратного напряжения, падением напряжения на диоде при
определенном прямом токе, диапазоном частот, в котором
возможна работа диода без снижения выпрямленного тока,
емкостью диода при данной величине напряжения £/обр
и рабочим диапазоном температур.

Опорные диоды (стабилитроны) служат для
стабилизации выпрямленного напряжения при изменении
тока нагрузки. Нормальным режимом работы для опорных диодов является работа при обратном напряжении.
В качестве опорных диодов используются кремниевые
диоды, в которых электрический пробой при Uo6P, Макс не
переходит сразу в тепловой: ширина запретной зоны
у кремния больше, чем у германия, и поэтому некоторое
повышение температуры не приводит к массовому переходу электронов в зону проводимости.

 

Вольт-амперная характеристика опорного диода представлена на рис. 78.

Задавшись током /, протекающим через стабилитрон,
можно по вольт-амперной характеристике определить
напряжение стабилизации. Так как вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей почти
параллельно оси токов, то при изменении тока через
прибор напряжение на диоде остается практически неизменным.

Основными параметрами
опорных диодов являются: напряжение стабилизации £/ст,
статическое сопротивление

^стат = ~г~> динамическое сопротивление /?д, температурный
коэффициент стабилизации напряжения ТКН. Последний параметр является очень важным
для характеристики стабилитронов, так как с изменением температуры меняется Uo6P. Макс, а следовательно, меняется и величина напряжения стабилизации.
Температурный коэффициент стабилизации напряжения Представляет собой отношение относительного изменения напряжения к изменению температуры окружающей
среды. Величина ТКН выражается в процентах на ГС
й определяется выражением

Рис. 78. Вольт-амперная ха-
рактеристика опорного диода.

. макс

ТКИ = - АТ

 

 

Обычно значение ТКН не превышает 0,1—0,2% на 1°С.
Динамическое сопротивление /?д = —ту - характеризует
наклон рабочего участка вольт-амперной характеристики
стабилитрона и определяет степень стабилизации напряжения. В идеальном случае /?д = 0. При этом изменение тока
не сопровождается изменениями напряжения на стабилитроне.

Фотодиоды служат для преобразования световой
энергии в электрическую. Было установлено, что сопротивление запирающего слоя уменьшается при воздействии

 

 

На него света. Это свойство запирающего слоя и положено
в основу изготовления из германия и кремния фотодиодов.
Фотодиод представляет собой полупроводник С р — п-
Переходом. Напряжение источника питания приклады-
вается к прибору в обратном направлении (рис. 79).
При отсутствии освещения через фотодиод проходит обратный ток (темновой ток). При освещении фотодиода
увеличивается число неосновных носителей (электронов
J 2 1 и дырок), что приводит к увеличению

Тока в цепи, а следовательно, и к росту
напряжения на сопротивлений нагрузки RH.

Фотодиоды находят широкое применение в измерительной и вычислительной технике, в различных автоматических устройствах. Германиевые фотодиоды обозначаются буквами ФД,
а кремниевые — буквами ФДК.

Основными параметрами фотодиодов
являются: рабочее напряжение, темноI Е И вой ток, чувствительность, измеряемая

Lz|L±_l в миллиамперах на люмен, и диапазон

' 1 допустимых изменений температур.

Рис. 79. Схема Срок службы фотодиодов при нормаль-
включения фото - ных условиях эксплуатации более

Диода. 500 часов.

 

Туннельные диоды обладают свойствами, позволяющими использовать их для усиления, генерирования и
преобразования электромагнитных колебаний до нескольких сот тысяч мегагерц. Усилители, выполненные на туннельных диодах, отличаются очень высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шумов и могут работать
при температурах, достигающих нескольких сот градусов
Цельсия.

В туннельных диодах используют полупроводниковые
материалы (арсенид галлия, германий) с высоким содержанием примесей, вследствие чего концентрация электронов и дырок оказывается равной 1018—1019 Нем3 (в обычНых полупроводниковых диодах концентрация примесных
атомов не превышает 10й—1015 Нем3). При такой концентрации примесей свойства полупроводника приближаются
к свойствам металла.

Так как равновесная разность потенциалов и ширина
при контактного обедненного слоя на границе двух полупроводников с разными проводимостями пропорциональны
концентрации электронов и дырок, то в туннельных диодах ширина обедненного слоя оказывается очень малой
(порядка 10~5 Мм); Напряженность же электрического поля
на переходе возрастает до
5-104-^6-104 В/мм. При
этом электроны могут свободно переходить из валентной зоны в зону проводимости, не затрачивая
на это энергию; им не приходится преодолевать потенциальный барьер: они
проходят сквозь него, как
через «туннель», почти

LM0LKC

Lmuh

Мгновенно,

За

Рис. 80. Вольт-амперная характе-
ристика туннельного диода.

Для сравнения пунктиром

10~13 сек.

На рис. 80 показана
вольт-амперная характе-
ристика туннельного диода.

Показана вольт-амперная характеристика обычного полупроводникового диода. Как видно, ток туннельного диода
уже при небольших значениях напряжений в прямом и
обратном направлениях резко возрастает.

Туннельный ток в прямом направлении достигает
максимального значения /макс при напряжении Ul9 равном примерно 0,06—0,1 в, после чего ток резко убывает
и при напряжении (/2, равном 0,2—0,3 в, достигает значения/мин - Уменьшение тока объясняется уменьшением
числа электронов, способные совершать туннельный переход.

Дальнейшее увеличение тока туннельного диода при
возрастании напряжения (так же как и у обычного полупроводникового диода) связано с тепловым движением
носителей зарядов через потенциальный барьер. При
напряжении U3 ток туннельного диода опять достигает
значения /макс.

 

Параметрами туннельных диодов, кроме указанных
напряжений и токов, являются: максимальный перепад
напряжений А(/ в режиме переключения А(/ = U3Ux;
Отношение пикового тока к току минимума (к току седла),
называемое коэффициентом отношения токов Н =

= макс и отрицательное сопротивление. На участке

'мин

Вольт-амперной характеристики в интервале напряжений
от Иг До 02 С ростом напряжения ток падает: на этом
участке туннельный диод обладает некоторым отрицательным сопротивлением /?д. В паспорте туннельного
диода, как правило, указывают минимальное значение
отрицательного сопротивления:

К -,------,—•

'макс 'мин

Маркировку полупроводниковых диодов, производство
которых освоено после 1965 г., определяют четыре элемента. Первым элементом обозначения является буква,
которая указывает материал используемого полупроводника: F — германий; К — кремний; А — арсенид галлия.
Если первым элементом обозначения является цифра
(1 вместо Г, 2 вместо К и 3 вместо А), то это указывает, что
приборы могут работать при повышенных температурах
(например, приборы с кремниевым основанием, обозна-
ченные цифрой 2, могут работать при температуре до 120°С).

Вторым элементом маркировки является буква, определяющая назначение прибора: А — сверхвысокочастот-
ные диоды; Д — выпрямительные универсальные, импульсные диоды; В — выпрямительные столбы (последователь-
ное соединение ряда диодов); G — стабилитроны; П —
туннельные диоды; Ф — фотодиоды и т. д.

Третий элемент маркировки (число) характеризует
электрические свойства прибора. Выпрямительные низкочастотные диоды обозначаются цифрами от 101 до 399,
универсальные — от 401 до 499, импульсные — от 501
до 599, усилительные туннельные диоды —от 101 до 199,
генераторные туннельные диоды — от 20Ь до 299, переключающие туннельные диоды — от 301 до 399, стабилитроны— от 101 до 999.

Четвертый элемент маркировки (буква) определяет
разновидность типа прибора из данной группы приборов.
Например, 1Д505Б — германиевый импульсный диод, раз новидность типа Б, или ЗИ302Б — арсенид-галлиевый
туннельный диод, разновидность типа Б.

Полупроводниковые диоды, разработка которых была
закончена до 1965 г., обозначаются тремя элементами:
первым элементом является буква Д; вторым элементом —
число, указывающее диапазоны частот и исходный материал, из которого изготовлен диод; третий элемент определяет разновидность прибора.

§ 39. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ (ТРАНЗИСТОРЫ)

Принцип действия и устройство транзисторов

Полупроводниковые триоды, или
транзисторы, широко применяются в современной
электронной аппаратуре для усиления и генерирования
электрических колебаний благодаря ряду достоинств по
сравнению с электронными лампами. Транзисторы по
своим размерам и весу в десятки раз меньше и легче элек-
тронных ламп; они обладают большой механической прочностью, долговечностью. Самым большим преимуществом
транзистора является его высокая экономичность. В отличие от электронной лампы, у транзисторов отсутствуют
цепи накала. 'Питающие напряжения, необходимые для
их нормальной работы, в десятки раз меньше, чем у электронных ламп.

Вместе с тем, транзисторы, выпускаемые промышленностью, пока еще страдают многими недостатками, к которым относятся главным образом разброс параметров,
зависимость их от температуры, ограниченный рабочий
диапазон частот, сравнительно высокий уровень шумов.
В целях ликвидации указанных недостатков ведутся
соответствующие научно-исследовательские работы, но
пока по этим причинам в ряде случаев не удается заменить
электронную лампу транзистором.

Промышленность в основном выпускает плоскостные
полупроводниковые триоды. По сравнению с точечными
транзисторами" они имеют более стабильные параметры,
что способствует более устойчивой работе транзистора

В схеме.

Полупроводниковый триод представляет собой систему, состоящую из двух близко расположенных П — р-
переходов. Основным элементом транзистора, его Базой