лекция. Лекции Полупроводниковые приборы
 Скачать 1.16 Mb.
|
 Промышленная электроника, лекции1. Полупроводниковые приборы Полупроводниковые приборы- электронные приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств полупроводников. К полупроводникам принято относить вещества, удельное электрическое сопротивление которых занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками при комнатной температуре лежит в пределах ρ≈^-4÷10^10 Ом·см. вещества, удельное сопротивление которых меньше указанного предела, относят к проводникам. Вещества, удельное сопротивление которых больше указанного предела, относят к диэлектрикам. В основе электрических явлений в полупроводниковых приборах лежат процессы движения свободных носителей электрических зарядов. Т.е. частиц, не связанных с отдельными атомами и способных свободно перемещаться в кристаллической структуре. В полупроводниках свободные носители зарядов могут образовываться в результате разрыва ковалентных связей и отделения от атомов полупроводника валентных электронов либо в результате ионизации атомов примесей. Процессы образования свободных частиц называются генерацией, а процессы возвращения свободных частиц в связанное состояние- рекомбинацией. Процесс образования свободных носителей зарядов требует затраты некоторой энергии, необходимой для «освобождения» частиц из связанного состояния. Эта энергия может быть сообщена кристаллу в различной форме: в виде тепла (тепловая генерация), кинетической энергии движущегося тела (ударная генерация), энергии электрического поля (полевая генерация), энергии фотонов при облучении светом. Рекомбинация частиц сопровождается выделением энергии, которая может быть излучена в виде фотонов (излучательная рекомбинация) или же воспринята кристаллической решеткой в виде фононов (безызлучательная рекомбинация). В большинстве полупроводниковых приборов используется явление примесной проводимости. В качестве основного кристаллического вещества используют кремний или германий. Атомы кремния и германия 4-х валентны. В узлах кристаллической решетки германия расположено 4 атома. Валентные электроны атомов находятся в ковалентныхсвязях с валентными электронами соседних атомов. Благодаря ковалентным связям, атомы удерживаются в узлах кристаллической решетки. Если в кристаллическую решетку внести примесь пятивалентного вещества (сурьма, мышьяк, фосфор) то атомы примеси займут соответствующие места в узлах кристаллической решетки. 4 валентных электрона каждого атома примеси войдут в ковалентные связи с соседними атомами германия, а пятые останутся незанятыми, и будут очень слабо связаны с атомами. Именно эти электроны и будут участвовать в проводимости, которая называется электронной. Атомы примеси, дающие избыточные электроны кристаллу основного вещества, называются донорами. Если ввести в кристалл германия или кремния в качестве примеси трехвалентное вещество, например, бор, алюминий, галлий или индий, то одна из ковалентных связей в каждом атоме примеси окажется незанятой, и на нее может перейти валентный электрон с соседнего атома основного вещества. В следствие этого, в атоме основного вещества образуется недостаток электронов, (дырка). Под действием электрического поля дырки будут перемещаться в направлении электрических силовых линий и создадут дырочную проводимость. Атомы трехвалентной примеси называют акцепторами, т.к. они присоединяют к себе валентные электроны основного вещества, образуя отрицательные ионы.  2. Полупроводниковые диоды Электронно-дырочный переход [2] Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая- дырочную проводимость. Существуют различные технологии изготовления электронно-дырочного перехода: диффузия, эпитаксия, сплавление. Так же ЭДП различаются по конструкции: симметричные и несимметричные, резкие и плавные, плоскостные и точечные, однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом- нет. Устройство электронно-дырочного перехода показано на рисунке 2.1 Одна часть этого перехода имеет электронную проводимость, другая дырочную. Электроны N-области стремятся проникнуть в P-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из P-области перемещаются в N-область. В результате возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя через границу раздела, создают электрическое поле  , которое препятствует дальнейшему прохождению диффузионного тока. Электрическое поле для основных носителей электрических зарядов является тормозящим, а для неосновных - ускоряющим.Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N и Pобластей, обычно не превышающей 1В. Контактная разность потенциалов, в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях  .Где  и  - концентрация электронов и дырок в n и p областях,  - концентрация носителей зарядов в нелегированном проводнике.Контактная разность потенциалов для германия составляет 0,6…0,7 В, для кремния 0,9…1,2 В. Высоту потенциального барьера можно менять приложением внешнего напряжения. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. И наоборот, если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое противоположно внутреннему, то высота потенциального барьера уменьшается. ВАХ. Прямой, обратный токи. [2] Обратный ток в p-n-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они являются основными. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного количества основных носителей не изменит равновесного состояния полупроводника. Т.о. обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т.е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения. При прямом смещении p-n-перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер (инжекция носителей). Т.е при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной- инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера экспоненциально  , где U- напряжение на p-n-переходе   Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в обратном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n-перехода будет равен разности диффузионного тока и тока проводимости.  .этому уравнению соответствует ВАХ на рис. 2.1. Из выражения 2.3 можно определить дифференциальное сопротивление p-n-перехода:  . |