Микроэлектроники
 Скачать 1.83 Mb.
|
|
Министерство образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра электропривода и автоматизации промышленных установок 621.314(07) Г МВ. Гельман ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА Часть 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ЭЛЕМЕНТЫ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ Учебное пособие Челябинск Издательство ЮУрГУ 2000 УДК 621.314 (075.8) + 621.382.1(075.8) + 621.382.8(075.8) ГельманМ.В. Преобразовательная техника. Часть 1. Полупроводниковые приборы и элементы микроэлектроники Учебное пособие. – Челябинск Изд. ЮУрГУ, 2000. – 106 с. Учебное пособие предназначено для студентов специальности 1804 – Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов. Оно соответствует содержанию лекций, читаемых студентам по одноименному курсу. Впервой части приведены сведения, необходимые для дальнейшего изучения полупроводниковых преобразователей. Основное внимание уделено силовым полупроводниковым приборам. Учебное пособие может быть полезно студентам других электротехнических специальностей энергетического факультета при изучении курса Промышленная электроника. Ил. 84, табл. 7, список лит. – 5 назв. Одобрено учебно-методической комиссией энергетического факультета. Рецензенты Кодкин В.Л., Сидоренко Б.Ю. 3 ПРЕДИСЛОВИЕ Курс Преобразовательная техника предусмотрен учебным планом специальности 1804 – Электропривод и автоматика технологических процессов и комплексов. Однако, изучение этого курса невозможно без знания полупроводниковых приборов, особенно, силовых полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники. Поэтому, первая часть учебного пособия по курсу Преобразовательная техника посвящена этим смежным вопросам. Изучение курса Преобразовательная техника базируется на знании основ физики и теоретической электротехники. Учебное пособие соответствует программе и курсу лекций, читаемых студентам специальности 1804. Первая часть пособия может быть также использована студентами специальностей 1801, 1811, 1001, 1002, 1004, 2104 при изучении курсов Преобразовательная техника, Промышленная электроника и других с близким содержанием. Наибольшее внимание в данном учебном пособии уделено силовым полупроводниковым приборам, которые в последующих курсах не изучаются, а только применяются. При изучении курса студенты должны привыкнуть к своеобразному языку электроники – языку схем, временных диаграмм и характеристик. Освоение этого языка существенно снижает необходимость текстовых пояснений. Имеющиеся в распоряжении студентов учебники в значительной степени устарели, поэтому больше внимания уделено новым типам приборов и сокращено изложение материала хорошо изложенного в учебниках. В конце параграфов приводятся контрольные вопросы, на которые рекомендуется ответить, чтобы обратить внимание на главное и ликвидировать пробелы в изучаемом материале. Основные вопросы отмечены курсивом. В подготовке учебного пособия принимали участие студенты Н. Ку- тищева, Л. Чернышева, С. Журавлев, А. Голоденко. Автор выражает им благодарность. 4 ВВЕДЕНИЕ Преобразовательная техника изучает вопросы преобразования электрической энергии. Преобразование электрической энергии - это изменение ее параметров (напряжения, числа фаз, частоты, включая нулевую, то есть постоянный тока также улучшение качества энергии, изменение формы напряжения и т.д. Преобразование электрической энергии может осуществляться, как электромеханическими (динамическими, например, электромашинными преобразователями, таки электронными (статическими) преобразователями. Среди электронных преобразователей к началу XXI века господствующее положение заняли полупроводниковые преобразователи. Полупроводниковая преобразовательная техника является одним из разделов промышленной электроники. Промышленная электроника изучает приборы и устройства, применяемые в промышленности. На рис. В приведена классификация электронных приборов и устройств. Промышленная электроника делится на два раздела информационную электронику и энергетическую электронику (преобразовательную технику. Информационная электроника занимается преобразованием информации. Это слаботочная ветвь электроники. Без знания ее невозможно управление устройствами преобразовательной техники. Энергетическая электроника, силовая электроника - все это синонимы термина преобразовательная техника, но, пожалуй, более точно отражающие ее смысл. Например, по-английски соответствующий термин, по-немецки – “Leistung Elektronik”, что точно переводится, как мощная электроника. Энергетическая электроника – это сильноточная ветвь промышленной электроники. Энергетическая электроника начала свою историю вначале ХХ века после создания электронного диода, а затем ртутного вентиля, но подлинное ее развитие и широкое внедрение связано с появлением полупроводниковых приборов. Наибольшее применение в преобразовательной технике имеют силовые полупроводниковые приборы диоды, транзисторы и тиристоры 5 см. рис. В. 1). Преобразователи электрической энергии (см. рис. В. 1) явля- 6 Рис. В. Классификация полупроводниковых приборов и устройств 6 ются основным предметом изучения энергетической электроники. Однако, без других видов полупроводниковых приборов и устройств невозможно создание преобразователей электрической энергии. Особое значение в современной электронике приобрели интегральные микросхемы. Они по виду похожи на полупроводниковые приборы, а по существу являются устройствами, те. они находятся на границе между приборами и устройствами (см. рис. В. 1). С помощью устройств преобразовательной техники 30...50% вырабатываемой электроэнергии преобразовывается в другие виды. Поэтому особенно велика роль устройств преобразовательной техники в деле энергосбережения. Преобразовательная техника является основой современного электропривода и находит в нем все более широкое применение. Полупроводниковые преобразователи энергии применяются на транспорте, в электротехнологических установках, на электростанциях. Устройства преобразовательной техники являются основой бытовой электроники. Современные источники питания телевизоров, радиоприемников, компьютеров неосуществимы без применения устройств преобразовательной техники. Широкое применение устройств преобразовательной техники обусловлено преимуществами полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники – малыми габаритами, быстродействием, чувствительностью, надежностью, экономичностью и широкими возможностями преобразования информации. Поэтому изучение преобразовательной техники невозможно без знания полупроводниковых приборов и элементов микроэлектроники. К концу изучения курса все клеточки приведенной классификации должны наполниться конкретным содержанием. Однако, нужно не только знать, но и уметь применять знание на практике. Инженеры, работающие в области электропривода, не должны уметь создавать полупроводниковые приборы. Но им приходится заниматься применением, наладкой, разработкой и эксплуатацией устройств преобразовательной техники. Только при грамотном решении этих задач может быть обеспечена надежная, экономичная эксплуатация электроприводов и других потребителей электроэнергии. 7 Глава 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ Физические основы полупроводниковых приборов Проводники, диэлектрики и полупроводники Все вещества делятся по их проводимости на проводники, диэлектрики и полупроводники. Для пояснения принципа действия полупроводниковых приборов необходимо рассмотреть различие этих веществ сточки зрения квантовой физики. На рис. 1.1 приведены диаграммы энергетических зон этих веществ. Показаны только валентная зона (ВЗ) и зона проводимости (ЗП) (зона возбужденных состояний. В валентной зоне находятся энергетические уровни валентных электронов, те. электронов находящихся на внешних орбитах в невозбужденном атоме и определяющих валентность вещества. В зону возбужденных состояний электроны переходят при сообщении им дополнительной энергии. а) б) в) Рис. 1.1. Энергетические зоны в проводнике (а, диэлектрике (б) и полупроводнике (в. Обозначения ЗП – зона проводимости ВЗ – валентная зона ЗЗ запрещенная зона На риса видно, что в проводнике валентная зона и зона проводимости перекрываются, и для перехода из валентной зоны в зону проводимости не требуется сообщать электрону дополнительную энергию. Поэтому в проводнике имеется много свободных электронов. На рис. 1.1, б, в видно, что в диэлектрике и полупроводнике существует запрещенная зона (ЗЗ), в которой нет энергетических уровней. Для перехода электрона в зону проводимости нужно приложить энергию. Если требуемая энергия для перехода электрона меньше 1,5...2 эВ, то такое вещество называется полупроводником, если больше – диэлектриком. Таким образом, разница между диэлектриками и полупроводниками чисто количественная, а некачественная. Если сообщить дополнительную энергию электрону, находящемуся в валентной зоне, то он переходит в зону проводимости. При этом в зоне проводимости появляется свободный электрона в валентной зоне вакантное место – дырка. Дырка ведет себя как положительный единичный заряд. Если пара электрон – дырка образуется при нагревании, то такой процесс называется термогенерацией. В полупроводнике существует два вида проводимости электронная, обусловленная движением свободных электронов (как в проводнике) и дырочная, обусловленная движением дырок. Для изготовления полупроводниковых приборов исходным материалом служит чистый полупроводник. Он имеет кристаллическое строение. При этом в узлах кристаллической решетки находятся атомы, а решетка должна иметь такое строение, чтобы вокруг каждого атома вращалось 8 валентных электронов. На риса показана схема кристаллической решетки четырехвалентного вещества – кремния. а) б) в) Рис. 1.2. Схема кристаллической решетки в собственном полупроводнике (а образование электронов и положительных ионов в полупроводнике типа п (б дырок и отрицательных ионов в полупроводнике типа р (в) Вокруг каждого атома, кроме своих четырехвалентных электронов, вращается четыре электрона соседей. Эта кристаллическая решетка алмазного типа, характеризующаяся очень низкой проводимостью, которая может вызываться термогенерацией пар электрон – дырка. 9 Чистый полупроводник, в котором проводимость вызвана только термогенерацией пар электрон – дырка, называется собственным полупроводником. В нем количество свободных электронов равно количеству дырок. На зонной диаграмме риса показано, как при термо- генерации появляется свободный электрон в зоне проводимости ива- кантное место – дырка в валентной зоне. При введении примеси можно в миллионы раз увеличить либо число свободных электронов, либо дырок, те. придать полупроводнику преимущественно электронную или дырочную проводимость. При этом в той же степени меняется величина его проводимости. Полупроводник, в который была введена примесь, называется примесным. Полупроводник, которому придана преимущественно электронная проводимость, называется электронным или типа «n» (от слова негативный, отрицательный. Полупроводник, которому придана преимущественно дырочная проводимость, называется дырочным или типа «p» (от слова позитивный, положительный. а) б) в) Рис. 1.3. Термогенерация пар электрон – дырка в собственном полупроводнике (а появление электронной проводимости в полупроводнике типа п (б появление дырочной проводимости в полупроводнике тира р (в) На рис. 1.2, б показано, как при введении пятивалентной (донорной) примеси (P) появляется свободный электрон и положительный ион (неподвижный, зажатый в кристаллической решетке. На рис. 1.2, в показано, как при введении трехвалентной (акцепторной) примеси (B) появляются дырка и отрицательный ион. На рис. 1.3, б, в это же иллюстрируется на зонной диаграмме, где видно, что с появлением свободного электрона или дырки не появляется носитель противоположного знака. Носители зарядов, определяющие тип проводимости полупроводника, называются основными носители противоположного знака называются неосновными. Возможность изменения вида проводимости и широчайшего изменения ее величины явились предпосылкой расцвета полупроводниковой техники. 1.1.2. P-n переход Если в кристалл полупроводника с одной стороны ввести примесь, превращающую его в полупроводник типа «n», ас другой, – в полупроводник типа «p», тов кристалле появляется p-n переход. Таким образом переход это граница двух слоев полупроводника с разным типом проводимости. Обычно p-n переходы бывают несимметричные, те. концентрация примесей в слоях отличается на несколько порядков. В основе всех замечательных свойств полупроводниковых приборов лежат процессы на p-n переходе. Для пояснения процессов представим, что p-n переход создается путем соединения двух кристаллов с разным типом проводимости. Присоединении свободные электроны и дырки диффундируют в соседние слои. На p-n переходе они встречаются и рекомбинируют. Ионы примесей, зажатые в кристаллической решетке, лишаются зарядов, компенсирующих их поле. На переходе появляется нескомпенсированный объем- Рис. 1.4. Процессы на р-п переходе а) при отсутствии смещения б) при прямом смещении в) при обратном смещении. Обозначения – электроны + дырки в кружочках ионы 11 ный заряд ионов, создающих потенциальный барьер (риса. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии. На p-n переходе устанавливается динамическое равновесие, наиболее быстрые электроны и дырки диффундируют в соседние слои, а навстречу им под действием электрического поля дрейфуют носители зарядов противоположного знака. На риса условно показано, что концентрация примесей в слое p меньше, чем в слое n. Приложение внешнего напряжения к p-n переходу называется смещением p-n перехода. Если внешнее напряжение создает поле встречное полю потенциального барьера, то смещение называется прямым если полярность внешнего напряжения противоположна, то смещение называется обратным (см. рис. 1.4, б, в. При прямом смещении основные носители преодолевают потенциальный барьер и переходят в соседний слой. Переход основных носителей заряда в соседний слой, где они становятся неосновными, называется инжекцией. При прямом смещении через p-n переход протекает прямой ток. Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой элек- тронно-дырочного перехода. На рис. 1.5 в первом квадранте показана вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода при прямом смещении. На участке ОА преодолевается потенциальный барьер и ток мал, на участке АВ ток резко увеличивается из-за перехода в соседний слой большого количества носителей заряда и резкого уменьшения его сопротивления. При обратном смещении через p-n переход протекает обратный ток. На рис. 1.5 в третьем квадранте показана вольтамперная характеристика перехода при обратном смещении. Обратный ток обусловлен только неосновными носителями, поэтому он мал и уже при небольшом напряжении быстро достигает значения насыщения (участок ОС) и далее остается постоянным (участок С. При достижении высокого напряжения в точке D ток резко возрастает, происходит лавинный пробой . Лавинный пробой возни- Рис. 1.5. Вольтамперные характеристики перехода 12 кает, когда на длине свободного пробега электрон приобретает энергию достаточную для ионизации атомов (участок DF). Лавинный пробой обратим, те. после снятия обратного смещения p-n переход не разрушается. В точке F выделяется большая мощность и может произойти тепловой пробой (участок FE). Он необратим и приводит к разрушению p-n перехода. При повышении температуры различные участки ВАХ изменяются по- разному (см. рис. 1.5). При прямом смещении с ростом температуры число основных носителей, определяющих прямой ток, изменяется незначительно, так как оно определяется числом атомов примеси и мало увеличивается за счет тер- могенерации пар электрон – дырка Поэтому падение напряжения на прямо смещенном переходе при повышении температуры уменьшается незначительно. Особенно сильно меняется обратный ток, так как он создается неосновными носителями зарядов, количество которых определяется термо- генерацией. Он удваивается приросте температуры на 7...10 С. С ростом температуры уменьшается длина свободного пробега электронов и, чтобы электроны на меньшей длине приобрели энергию достаточную для ионизации, необходимо приложить большее напряжение. Поэтому при увеличении температуры напряжение лавинного пробоя растет. Рассмотрим переходные процессы, происходящие при прямом и обратном смещении p-n перехода. При приложении прямого смещения происходит процесс накопления заряда. На риса видно, что вначале прохождения прямого тока падение напряжения на p-n переходе велико, а затем оно уменьшается. Время установления прямого сопротивления – это время спада напряжения от максимального значения до заданной величины (например, до установившегося значения. При приложении обратного смещения происходит процесс рассасывания заряда. На рис. 1.6, б видно, что при приложении обратного напряжения к проводящему p-n переходу вначале протекает большой обратный ток, который по мере рассасывания накопленных ранее зарядов, уменьшается. Время установления обратного сопротивления время восстановления вентильной прочности) – это время от начала нарастания обратного тока до спада его до заданной величины (например, до пятикратного установившегося значения. P-n переход обладает емкостью. На рис, в видно, что между двумя слоями, содержащими свободные носители зарядов, находится слой, в котором нет свободных носителей зарядов. Таким образом, p-n переход представляет собой конденсатор, в котором толщина непроводяще- го слоя, а следовательно, и его емкость, зависят от величины приложенного напряжения и его знака. При увеличении отрицательного смещения емкость p-n перехода уменьшается. Контрольные вопросы В чем отличие проводников, полупроводников и диэлектриков В чем отличие собственного и примесного полупроводника В чем состоит преимущество примесных полупроводников по сравнению с проводниками (металлами и их сплавами, обеспечившее развитие полупроводниковой техники Назовите виды носителей зарядов. Что такое p-n переход Какие бывают p-n переходы Что такое смещение p-n перехода Объясните вид каждого участка ВАХ p-n перехода. Что такое лавинный пробой Поясните, как влияет повышение температуры на каждый участок ВАХ p-n перехода. 11. Поясните переходные процессы при смещении p-n перехода. а) б) Рис. Переходные процессы при прямом (аи обратном (б) смещении p-n перехода Полупроводниковые диоды Классификация диодов Диод двухэлектродный, неуправляемый полупроводниковый элек- тропреобразовательный прибор, содержащий p-n переход, обладающий односторонней проводимостью тока и имеющий два вывода. По материалу, из которого изготовлен p-n переход, диоды делятся на кремниевые, германиевые, арсенидгалиевые и другие. По назначению и области применения диоды делятся на выпрямительные, высокочастотные, стабилитроны, стабисторы, варикапы, фотодиоды, светодиоды и другие. Выпрямительные диоды служат для выпрямления переменного тока. Высокочастотные диоды применяют для выпрямления тока высокой частоты. Стабилитроны и |