Лекц. Электроника. Лекция 1 Электрофизические свойства полупроводников
 Скачать 1.42 Mb.
|
Лекция №1Электрофизические свойства полупроводников. Основными процессами в полупроводниковых приборах являются получение свободных носителей зарядов, управление их концентрацией, скоростью и направлением движения с помощью электрических и магнитных полей. Что представляет собой полупроводник? Как возникают свободные носители зарядов? Какие факторы влияют на проводимость полупроводников? Внутренняя структура полупроводника. Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по электропроводности. Удельное электрическое сопротивление проводников лежит в пределах 10-8 – 10-5 Ом.м, полупроводников –10-5…107 Ом.м, диэлектриков -107-1016 Ом.м. Для полупроводников характерна сильная зависимость проводимости от температуры, электрического поля, освещенности, сжатия и т.д. В электронике наиболее широкое применение нашли германий, кремний, арсенид галлия, сульфид камия. В кристаллах германия связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами, которые образуют ковалентную связь. В результате внешняя орбита для каждого атома имеет как бы по восемь электронов и становится полностью заполненной. Полученная кристаллическая решетка является идеальной и полупроводники при Т-2730 являются идеальными изоляторами. Error: Reference source not found Рис. 1 Собственная проводимость полупроводников. Гипотеза Планка. Энергия электрона в атоме может принимать определенные дискретные значения. Принцип запрета Паули. Каждой орбите соответствует строго определенный уровень энергии, или разрешенный энергетический уровень. Таким образом в твердом теле имеются: валентная зона- образованная совокупностью энергетических уровней валентных электронов; Зона проводимости- разрешенные уровни энергии, которые могут занимать электроны, получившие дополнительную энергию. Эти энергетические зоны разделены промежутком, который не содержит энергетических уровеней. Такой промежуток принято называть запрещенной зоной (2). Шириной запрещенной зоны определяется электропроводимостью материала. Error: Reference source not found Рис. 2 –Энергетическая диаграмма материалов 1- валентная зона 2- запрещенная зона 3- зона проводимости У проводника зона валентных электронов перекрывает зону проводимости. У диэлектриков запрещенная зона велика, и следовательно для перехода валентных электронов в зону проводимости нужно сообщить энергию не менее 3 эВ. Для полупроводников запрещенная зона составляет 0,5…3 эВ. Таким образом под действием внешних факторов вален. Электроны атомов кристаллической решетки разрывают ковалентные связи и переходят в зону проводимости. При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место, обладающее положительным зарядом равным заряду эл-на. Это место назвали дыркой, а процесс образования пары электрон-дверка получил название генерации зарядов. Процесс заполнения дверки получил название рекомбинации. 1 . Error: Reference source not found 2. Error: Reference source not found При отсутствии внешнего поля электроны и дырки перемещаются в кристалле хаотически. Если же на кристалл действует электрическое поле, движение электрических зарядов становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. В зависимости от носителей зарядов различаются два типа проводимостей: электронную, или проводимость типа n, и дырочную, или проводимость типа p. В химически чистом кристалле число дырок равно числу свободных электронов и электрический ток в нем образует переносы как отрицательных так и положительных зарядов. Число свободных электронов в беспримененом германии равно см-3. Такая электронно-дырочная проводимость называется собственной проводимостью полупроводника. где - плотность тока А/см2 ; - плотность электронной составляющей тока; - плотность дырочной составляющей тока. Примесная проводимость проводника. В зависимости от примесей, вносимых в кристалл полупроводника, можно получить преобладание избыточных электронов или дырок. Проводимость, вызванная внесением примесей, называется примесной. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение дырок – акцепторными. Различное действие примесей объясняется следующим образом. Пусть вводится мышьяк (пятивалентный) (рис.3). Error: Reference source not found Рис. 3 В этом случае атомы мышьяка своими четырьмя из 5 валентными электронами вступают в связь с атомами германия. Пятый электрон становится свободным. Полупроводник с примесями, увеличивающих число свободных электронов называется полупроводник типа n. Рис. 4 Введение в четырехвалентный полупроводник 3х валент ного элемента, например идия или алюминия, приводит к избытку дырок над свободными электронами (рис. 4). Полупроводник, электропроводимость которого обусловлена движением дверок называется полупроводником типа p. На энергетических диаграммах процесс образования избыточных элект ронов или дырок показан на рис. 5,6. Error: Reference source not found Рис. 5 рис.6 Формирование электронно-дырочного перехода. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводимость n-типа, а другая p-типа, называют электронно-дырочным, или p-n переходом. Error: Reference source not found рис. 7 Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, а концентрация в p-области выше, чем в n-области, на границе этих областей существует градиент концентрации носителей вызывающий диффузионный ток из n в p и из p в n Плотность диффузионного тока элементов и дырок определяется следующими выражениями: , где и - коэффициенты диффузии. Для германия , . Error: Reference source not found рис. 8 Кроме основного тока существует ток и неосновных носителей 3,4. Вследствие существенного различия в концентрациях основных и неосновных носителей, ток обусловленный основными носителями заряда , будет преобладать над током неосновных носителей. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то их концентрация выровнялась бы по всему объему кристалла. На самом же деле на границе раздела образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Область пространственных зарядов представляет собой p-n переход. Его ширина не превышает десятых долей микрометра. Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле направленное от положительно заряженных ионов к отрицательно заряженным. Error: Reference source not found Рис. 7 Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Переход потенциала в переходе равен контактной разности потенциалов этот перепад обачно называют потенциальным бартером, так как он препятствует перемещению основних носителей заряда. Следует отметить, что при комнатной температуре в изолированном полупроводнике плотность тока равна нулю, т.е. Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения. При нарушении электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать ток. Характер токопрохождения и величина тока оказываются разными в зависимости от полярности и приложенного напряжения. Рассмотрим 1ый случай, когда поле создаваемое напряжением, направлено навстречу собственному полю p-n перехода. Такие включения называют прямыми. Error: Reference source not found Рис. 8 Под действием внешнего поля электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. При таком движении в объединенном слое n-p увеличивается концентрация носителей заряда, что приводит к уменьшению потенциального барьера и сопротивлению переходного слоя . Таким образом в цепи установится ток. Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника для которого они являются неосновными. Этот процесс называется инжекцией. Суммарный ток во всех точках полупроводника остается неизменным. Error: Reference source not found Рис. 9 Изменив полярность источника питания, мы тем самым увеличим потенциальный барьер за счет оттягивания основных носителей в глубь полупроводника. Для неосновных носителей потенциальный барьер в переходе отсутствует и они будут втягиваться полем в область p-n перехода. Это явление называется экстракцией. При обратном включении преобладающую родь играет дрейфовый ток, получивший название обратного тока. Вольтамперная характеристика p-n перехода. Вольтамперная характеристика показывает зависимость тока от проложенного напряжения. , где - обратный ток насыщения p-n перехода, - напряжение, - постоянная Больцмана Т0- температура. При увеличении обратного напряжения происходит пробой p-n перехода. Различаются два вида прибоя электрический (обратимый) и тепловой (необратимый). Error: Reference source not found Рис. 10 Электрический прибой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой). Тепловой прибой связан с вырыванием электронов из ковалентных связей за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. Тепловая генерация приводит к увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к дальнейшему повышению температуры полупроводника. При чрезмерном нагреве перехода происходит изменение структуры кристалла и выхода его из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющая на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения. Анализ вольтамперной характеристики позволяет рассматривать переход как нелинейный элемент. Сущность электростатической эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освобождаться из ковалентных связей и преодолеть не потенциальный барьер. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизирую их. В результате чего появляются новые свободные электроны и дверки. Лекция № 2 Полупроводниковые диоды. Полупроводниковыми диодами называются приборы с одним электронно—дырочным переходом и двумя выводами. Они применяются для выпрямления переменного тока, детектирования переменных колебаний, стабилизации постоянного напряжения и т.д. По назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны туннельные, варикапы и др. В справочниках обозначение диодов состоит из 6 элементов: Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный материал: г или 1-германий; к или 2 – кремний; А или 3-соединения галия. Второй элемент (буква) указывает тип полупроводникового прибора; Д- выпрямительные диоды; Ц- выпрямительные столбы; А- сверхвысокочастотные диоды; С- стабилитроны; И- тунельные диоды; В- варикапы; Л- излучающие диоды; Г-генераторы шума; Б- диоды Ганна; К- стабилизаторы тока. Третий элемент – число, определяющее назначение и качественные свойства диода. У стабилитронов 3 элемент определяет индекс мощности. Четвертый и пятый элемент- обозначают порядковый номер разработки. У стабилитронов пятый и четвертый элементы обозначают напряжение стабилизации. Шестой элемент (буквенный) определяет разновидность прибора техническим признакам. Примеры маркировки: ГД412А – диод германиевый; Д- выпрямительный; 4-универсальный (с рабочей частотой не более 1000 мГц); Номер разработкт 12, группа А. АИЗ01А – диод тунельный; 3-переключательный для широкого применения; номер разработки 01, группа А. АЛ302А – светодиод; 3-для широкого применения с яркостью не более 500 кд/м2 ; номер разработки 0,2, гр. А. КС168А- кремниевый стабилитрон; 1-мощностью 0,3 Вт; 68-напряжение стабилизации 6,8В; гр. разработки А. Выпрямительные диоды условное обозначение Error: Reference source not found Рис 1 Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный (пульсирующий). В качестве материала используют кремний, германий. Для улучшения отвода тепла в диодах средней и большой мощности к их корпусу приваривают винт. Основной характеристикой диода является вольт-амперная характеристика (ВАХ). Error: Reference source not found Рис. 2 Основными параметрами являются: постоянное прямое напряжение ; макс. доп. обр. напр. ; пост. обр. ток ; средн. выпрям. ток ; макс. доп. мощность рассеиваемая диодом. По максимально допустимому выпрямленному значению среднего тока диоды делятся на маломощные , ср. мощности , мощные . Варикапы. Условное обозначение варикапа. Варикапами называют полупроводниковые диоды, действие которых основано на использовании зависимости емкости перехода от обратного напряжения. Варикапы используются в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. В варикапах изменение обратного напряжения, приложенного к p-n переходу, приводит к изменению барьерной емкости между областями p-n . Величина барьерной емкости диода Сб может быть определена из формулы ; -площадь p-n перехода, - ширина перехода, - диэлектрическая проницаемость. Характеристика варикапа имеет вид: Error: Reference source not found Рис.3 Основными параметрами варикапа являются: - номинальная емкость ; коэффициент перекрытия емкости максимальное обратное напряжение . Полупроводниковые стабилитроны Error: Reference source not found Стабилитроном называется диод, напряжение на котором сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него в заданном диапазоне тока. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока. ВАХ показана на рисунке. Error: Reference source not found Рис. 4 Рабочим участком стабилитрона является участок электрического обратимого пробоя. При изменении тока, протекающего через стабилитрон, напряжение на нем мало отличается от значения . Принцип работы стабилитрона заключается в том, что при изменении изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно к нему нагрузке практически не меняется. Error: Reference source not found Рис. 5 У современных стабилитронов напряжение стабилизации лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабилизации от 1 мА до 2А. Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации примерно равно 0,5 …200 Ом. Фотодиоды. Условное обозначение Error: Reference source not found Фотодиоды представляют собой фотогальванический приемник излучения без внутреннего усиления, фоточувствительный элемент которого содержит структуру полупроводникового диода. Фотодиод выполнен так, что его p-n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через который поступает свет, и защищен от воздействия света с других сторон. Схема включения фотодиода показана на рисунке. Error: Reference source not found Рис. 6 Напряжение источника питания приложено к диоду в обратном направлении. Когда фотодиод не освещен, в цепи протекает обратный ток небольшой величины (10-20 кА) для германиевых и 1-2 кА для кремниевых. При освещении фотодиода появляется дополнительное число электронов и дырок, вследствии чего увеличивается переход неосновных носителей заряда через переход. Это приводит к увеличению тока в цепи. Следует отметить, что фотодиод можно включать и без внешнего источника напряжения. Режим работы с внешним источником называется фотодиодным, а без внешнего -вентильным. В вентильном режиме под действием светового потока возникает э.д.с., поэтому он не нуждается в постороннем источнике напряжения. Вольтамперная характеристика определяет зависимость тока фотодиода от напряжения на нем при постоянном световом потоке (рис. 7). При через диод протекает темновой ток. Характерной особенностью рабочей области характеристик является полная независимость тока фотодиода от приложенного напряжения. Error: Reference source not found Рис. 7 Световая характеристика фотодиода в широком диапазоне изменений светового потока оказывается линейной ( рис. 8). Error: Reference source not found Рис.8 Спектральная характеристика показывает зависимость спектральной чувствительности от длины падающего на фотодиод света (рис.9). Error: Reference source not found Рис. 9 Параметры фотодиодов: Интегральная чувствительность . Рабочее напряжение - постоянное напряжение, при котором обеспечиваются номинальные параметры фотодиода. Темновой ток . Фотодиоды широко применяются в фотометрии, фотоколометрии, для контроля источников света, прозрачности среды, регистрации и счета ядерных частиц, автоматического регулирования и контроля температуры, в ЭВМ устройствах ввода и вывода. Светодиоды. Error: Reference source not found Светодиодом называют полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения. При подаче на переход p-n прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция дырок в область n , а электронов в область p. При встрече электрона и дырки их заряды компенсируются и данные носители исчезают. У многих полупроводников при рекомбинации происходит выделение тепла, которое отдается кристаллической решетке. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga), мышьяка ( As) рекомбинация является излучательной в виде квантов света-фотонов. В зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводника и особенностей рекомбинации носителей заряда излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Наибольшее распространение получили диоды, излучающие желтый, красный и зеленый свет. Параметрами светодиодов являются: Яркость свечения диодов В(кд/м2) при max прямом токе; Постоянное прямое напряжение при max допустимом токе; Полная мощность излучения , мВт. Максимально допустимое обратное напряжение . Тунельные диоды. Error: Reference source not found Тунельные диоды отличаются малым удельным сопротивлением p и n областей (содержание примесей до 1021/см3). В качестве материала используются германий, арсенид и антимонид галлия. В тунельных диодах используются тунельный механизм переноса носителей заряда через р-n переход и в характеристике диода имеется область с отрицательным сопротивлением. Основные параметры: - пиковый ток; - ток впадины; - напряжение пика; - напряжение впадины; - емкость диода. По назначению делятся на генераторные, переключающие, усилительные. |