|
|
Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
Квантовая
Эл. лампы
Эл. лучевые приборы Фотоэлектрические приборы Рентген Газоразрядные приборы
Дискр. п/пр приборы Микроэлектроника
Оптоэл-ка
Пьезоэл-ка
Биоэл-ка
Акустоэл-ка.
Магнито- электроника
Интегр.м/с М П Ц МикроЭВМ ЭВМ Лазеры Мазеры Оптическая связь Радиоастрономия Голография
1874 г. – К.Ф. Браун, немецкий физик, открыл одностороннюю проводимость контакта разных материалов.
1895 г. – В.К. Рентген, немецкий физик, открыл рентгеновское излучение.
1895 г. – АС. Попов, российский физики электротехник, впервые осуществил радиосвязь.
1897 – Дж. Томсон, английский физик, открыл электрон.
1895 – 1909 – ХА. Лоренц, нидерландский физик, создал основы электронной теории.
1904 г англичанин Д. Флеминг создал диод.
1904 г. – А.Г. Столетов, российский физик, создали исследовал фотоэлемент.
1907 г. – Л. де Форест, американский инженер, создал триод, предложил в диод ввести управляющий электрод.
1910 – 1914 гг. – В.И Коваленков, И.Д. Папалекси и др. создают диоды и триоды в России. Процесс развития электроники можно изобразить в виде условной кривой, растущей экспоненциально.
1945 г. – опубликован фундаментальный принцип построения компьютера Джона фон Неймана – американского математика и физика г. – У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин, – американские физики, создали транзистор, что послужило началом развития полупроводниковой твердотельной электроники.
1955 г. – Н.Г. Басов, АН. Прохоров создали молекулярный генератор, что явилось началом развития квантовой электроники.
1952 г. – высказана идея создания интегральной схемы (англичанин Даммер).
1959 г. – Д. Килби и Р. Нойс создали первые интегральные схемы
(ИС).
1968 г. – фирма Burroughs выпустила первый компьютер на ИС.
1971 г. – создан первый микропроцессор.
1973 г. – фирма «Intel» выпустила ми битный микропроцессор
Intel-8008.
1981 г. – создан первый персональный компьютер (ПК). Сточки зрения применения электронных приборов и устройств в настоящее время наибольшее развитие и распространение получила техническая электроника (аналоговая и цифровая. Области применения электронных систем, приборов и устройств в промышленности,
медицине, строительстве, сельском хозяйстве, связи, телевидении и т.п. постоянно расширяются. Краткий (условный) обзор видов электроники, в некоторой степени характеризующий области применения технической электроники, показан ниже. В данном учебнике основное внимание уделено информационной электронике, т. кона составляет основу электронно- вычислительной и информационно-измерительной техники и устройств автоматики. На базе информационной электроники разрабатываются и изготавливаются электронные устройства получения, обработки, передачи, хранения и использования информации, устройства управления различными объектами и технологическими процессами. 8. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ 8.1. Электропроводность полупроводников Полупроводниками называют материалы, удельное сопротивление которых при комнатной температуре (25–27 С) находится в пределах от 10
-5
до 10 10
Ом см и занимающими промежуточное положение между металлами и диэлектриками [17] (металлы ток пропускают, диэлектрики – нет. Сейчас известно огромное количество полупроводников оно больше и металлов и диэлектриков. Наиболее известны из полупроводников (п/пр.) Si, Ge, Se, GaS – арсенид галлия. Существенным свойством полупроводника является возможность в широких пределах изменять свою проводимость под действием температуры, облучения и введения примесей. Удовлетворительное объяснение этому явлению дает теория электропроводности, согласно которой атом вещества состоит из ядра, окруженного облаком электронов. Электроны находятся в движении на некотором расстоянии от ядра в пределах слоев (оболочек, определяемых их энергией. Каждому из этих слоев можно поставить в соответствие определенный энергетический уровень электрона, причем чем дальше электрон находится от ядра, тем выше его энергетический уровень. Совокупность уровней образует энергетический спектр. Если электрон переходит с одного энергетического уровня на другой, то происходит либо выделение, либо поглощение энергии, причем это делается порциями – квантами. В структуре атомов можно выделить оболочки, которые полностью заняты электронами (это внутренние оболочки) и незаполненные оболочки (внешние. Электроны внешних оболочек слабее связаны с ядром и легче вступают во взаимодействие с другими атомами. Электроны внешних оболочек называют валентными.
Рис. 8.1. Плоская модель кристаллической решетки е Для полупроводниковых материалов характерно кристаллическое строение, при котором между атомами возникают так называемые ковалентные связи за счет присвоения соседних валентных электронов. Это наглядно можно показать на плоской модели кристаллической решетки, например для х валентного Ge (рис. 8.1). Атомы связаны между собой, те. их электроны находятся на взаимозависимых энергетических (расщепленных) уровнях, при этом на каждом уровне (для Ge) находится не более двух электронов. Совокупность энергетических уровней, на которых могут находиться электроны, называют разрешенными зонами. Между ними будут в этом случае располагаться запрещенные зоны, те. энергетические уровни, на которых электроны находиться не могут. В соответствии с зонной теорией по отношению к энергетическим состояниям (уровням) электронов различают валентную зону, запрещенную зону, зону проводимости. В такой интерпретации можно более определенно разделить все вещества натри большие группы металлы, полупроводники, диэлектрики (рис. 8.2). Рис. 8.2. Зонные диаграммы веществ Зона проводимости – это совокупность расщепленных энергетических уровней, на которые может переходить электрон в процессе взаимодействия атомов или воздействия на атом, например, при нагреве, облучении и т.п. У полупроводников при некотором значении температуры часть электронов приобретает энергию тепла и оказывается в зоне проводимости. Эти электроны делают полупроводник электропроводным. Если электрон покидает валентную зону, то образуется свободный энергетический уровень, как бы вакантное место (состояние, которое назвали дыркой. Валентные электроны соседних атомов могут переходить на эти свободные уровни, при этом создают дырки в других атомах. Такое перемещение электронов рассматривается как движение положительных зарядов – дырок. Соответственно электропроводность, обусловленная движением электронов называется электронной, а движением дырок – дырочной. У абсолютно чистого и однородного вещества свободные электроны и дырки образуются попарно. Процесс образования положительных и отрицательных зарядов в теле полупроводника можно изобразить следующим образом. Например, фотон выбивает электрон сего энергетического уровня, электрон становится свободным, а атом приобретает положительный заряд (становится положительно заряженным ионом. Процесс образования пары электрон – дырка называют генерацией зарядов, обратный процесс – рекомбинацией. Движение зарядов, обусловленное тепловой энергией, называют диффузией. Средний промежуток времени между генерацией и рекомбинацией характеризует так называемое время жизни носителей заряда, а расстояние, которое успевает преодолеть заряд за это время, называется диффузионной длиной. Эти характеристики используются для сравнения различных полупроводниковых (ПП) веществ между собой. Собственная электропроводность полупроводников Приложим к образцу ПП вещества электроды источника постоянного тока, те. создадим в нём электрическое поле с напряженностью Е. В этом случае по законам электродинамики электроны и дырки должны перемещаться. Возникнут два встречно направленных потока движения носителей зарядов, вцепи потечет ток, носящий название ток дрейфа (дрейфовый ток (рис. 8.3). Рис. 8.3. Иллюстрация возникновения тока в полупроводнике Плотности токов определяются следующим образом
E
p
q
j
;
E
n
q
j
p
p
p
n
n
n
, (8.1) где j
n
, j
p
– плотности токов, созданных cоответственно электронами и дырками
q
n,
,
q
p
– заряды электрона и дырки Кл 10 6
1
;
n , p – удельная концентрация зарядов (те. количество зарядов в единице объема вещества
μ
n,
,
μ
p
– подвижность зарядов, те. средняя скорость зарядов под действием электрического поля с напряжённостью поля Е = 1 В/см. Результирующая плотность тока дрейф . (8.2) Удельная электропроводность полупроводника дрейф. (8.3)
Выражение (8.3) показывает, что удельная собственная электропроводность полупроводника зависит от концентрации зарядов и их подвижности. Примесная электропроводность полупроводника Известно, что электропроводность полупроводника зависит от наличия примесей, которые могут быть двух видов акцепторные и донорные. В структуре вещества примесные атомы замещают основные атомы кристаллической решетки, образуя ковалентные связи. Однако, если валентности основного материала и примесного разные, то могут быть два случая Первый случай – валентность примеси меньше, чему основного материала, например Ge–4х-валентный, а In–3х-валентный риса. В этом случае, чтобы образовать кристаллическую решетку, In отбирает один электрону атома Ge, связывая его в ковалентные связи. Образуется свободная дырка – положительно заряженный атом Ge. Такой вид примеси называется акцепторным. В этом случае п/пр приобретает дырочную электропроводность и его называют полупроводник р-типа. а) б) Рис. 8.4. Иллюстрация образования зарядов Второй случай возникает, если валентность примеси больше, чем валентность основного материала (рис. 8.4, б. В этом случае оказывается свободным электрон, материал приобретает электронную электропроводность и его называют полупроводник типа, а примесь донорного типа. Считается, что при образовании примесей изменяются энергетические уровни электронов, что можно отразить на зонных диаграммах, соблюдая некоторые условности. Если обозначить нижнюю границу зоны проводимости
C
E
,
V
E
– верхнюю границу валентной зоны, то
E
E
E
V
C
– ширина запрещенной зоны, а Ее – середина запрещенной зоны. Зонные диаграммы для рассмотренных двух случаев будут иметь вид, представленный на рис. 8.5. Рис. 8.5. Зонные диаграммы ПП для разных видов примесей Часто в теории полупроводников (ПП) взаимодействие и свойства зарядов характеризуются не самой энергией Е, а потенциалом, определяемым, как отношение энергии к величине заряда электрона В расчетах используется так называемый температурный потенциал Т, (8.4) где К – постоянная Больцмана,
1 23 10 38 КДж
Т – абсолютная температура, во К. Доказано [17], что
const
e
N
N
p
n
const
T
T
K
E
y
c
, (8.5) где Е – ширина запрещенной зоны. То есть произведение концентраций носителей зарядов есть величина постоянная при заданной температуре. Здесь
c
N
и
y
N
– эффективные плотности состояний соответственно в зоне проводимости и валентной зоне, определяемые массами зарядов и температурой. Обычно при анализе свойств полупроводников используют потенциал Ферми, определяющий энергетические уровни электронов и дырок по отношению к ширине запрещенной зоны и зависящий от концентрации примесей.
i
d
T
E
Fn
n
N
ln
(8.6)
i
a
T
E
Fp
p
N
ln
, где
d
N
,
a
N
– соответственно концентрации донорной и акцепторной примесей n
i
, p
i
– концентрации собственных носителей зарядов
1 2
q
E
E
v
c
E
– так называемый электростатический потенциал потенциал середины запрещенной зоны.
8.2. Электрические переходы Электрический переход – это граничный слой между двумя областями материалов, физические характеристики которых различаются. Переходы могут быть электронно-дырочные (р – переходы Электронно-электронные (n + - переходы дырочно-дырочные р - р-переходы). Знак ( + ) показывает, что одна область перехода имеет повышенную концентрацию соответствующих носителей. Широко используются гетеропереходы, в которых полупроводниковые материалы (heteros – другой) имеют различную ширину запрещенной зоны, а также (p – i, n – i, p – i – n) - переходы, в которых водной области проводимость собственная, в другой – примесная. Переходы металл-полупроводник. Свойства этих переходов играют важную роль в электронных приборах, так как электрические выводы от полупроводниковой части микросхем выполняют металлическими проводниками, которые должны допускать хотя бы кратковременное воздействие на них высоких температур припайке. Электрические переходы образуются не механическим соединением, а по специальным технологиям. Рассмотрим упрощенную картину процессов на границе металл-полупроводник р-типа. Обозначения, принятые на приведенном рис. 8.6, имеют следующий смысл м , р – потенциалы Ферми для металла и полупроводника Е – потенциал середины запрещенной зоны С ,φ V – соответственно потенциалы нижней границы зоны проводимости и потенциал верхней границы валентной зоны полупроводника (рис. 8.6). Рис. 8.6. Иллюстрация образования перехода металл – полупроводник Образование перехода металл – полупроводник обусловлено следующим м > р, поэтому электроны проникают в приграничную область полупроводника р-типа, там рекомбинируют с дырками, образуя слой отрицательно заряженных ионов и оставляя в граничном слое металла положительные ионы. В результате у границы образуется свое внутреннее электрическое поле, вытягивающее электроны из металла и не препятствующее переходу электронов из полупроводника в металл. Процесс будет идти до тех пор, пока не уравняются потенциалы Фермии не установится динамическое равновесие. При этом результирующий ток равен нулю, так как образовавшееся электрическое поле препятствует прохождению основных носителей зарядов, а потоки встречного движения зарядов будут одинаковы. У границ контакта образуются объемные заряды, появляется контактная разность потенциалов. В полупроводнике концентрация дырок в приграничном слое уменьшится ( n∙ р = Const, см. (8.5)), поэтому этот слой будет иметь повышенное удельное сопротивление. Приложим к такому переходу внешнее электрическое поле «+» источника ЭДС Е подключим к полупроводнику, а «-» к металлу. В этом случае внешнее электрическое поле будет направлено встречно внутреннему полю Е
внутр
, созданному зарядами в области перехода металл – полупроводник (рис. 8.7). Сопротивление приконтактного слоя уменьшится, и через переход потечёт ток. Если сменить полярность внешнего источника, то внешнее электрическое поле еще более увеличит сопротивление приконтактного слоя. При этом оба поляне препятствуют прохождению через барьер неосновных носителей заряда, однако их концентрация очень мала и ток ничтожно мал. Таким образом, переход между металлом и полупроводником неодинаково пропускает ток при разной полярности приложенного напряжения.
Рис. 8.7. Переход М – ПП с внешним электрическим полем Такой переход назван барьером Шоттки. Его главное свойство в том, что он обладает вентильным свойством (односторонней проводимостью, те. пропускает ток только водном направлении. Аналогичное явление наблюдается, если рассмотреть контакт металла с полупроводником типа, у которого уровень Ферми выше, чему металла. Для практики особо важен случай, когда уровень Ферми металла меньше уровня Ферми ПП р-типа, либо выше уровня Ферми ПП типа. В этом случае граничный слой будет обогащаться основными носителями зарядов и удельное сопротивление граничного слоя понижается. Это явление используется для обеспечения малого переходного сопротивления (омического контакта) вместе присоединения металлических выводов к кристаллу полупроводника.
Р-n-переход – это переход между двумя областями полупроводника, имеющими различный тип проводимости. Если концентрации зарядов одинаковы (
n
p
n
p
), то переход называется симметричным. Обычно
p
n
p
n
или
n
p
n
p
враз такие переходы несимметричны. Рассмотрим явления в р – переходе, напримеp, если
n
p
n
p рис. 8.8).
Рис. 8.8. Р – переход без внешнего электрического поля Так как концентрация дырок р-области больше, то дырки диффундируют из р-области в n- область, рекомбинируют с электронами этой области и создают в приграничной области повышенную концентрацию ионов донорной примеси (положительных зарядов. Электроны из области перемещаются в р-область, где их концентрация мала ( npnn ) и рекомбинируют с дырками, создавая повышенную концентрацию отрицательных ионов акцепторной примеси в приграничной р-области . Перемещение происходит до выравнивания потенциалов (уровней) Ферми приграничных областей. Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) называется областью р – перехода. В этой области концентрации основных носителей зарядов понижены, следовательно удельное сопротивление р – перехода выше, чем вдали от перехода. За пределами р – перехода заряды взаимно компенсируют друг друга, т. e. полупроводник в целом остается нейтральным. Поле, созданное объемными зарядами, уменьшает поток дырок из области р в область n и поток электронов из области n в область р, однако не препятствует потоку электронов из р-области в область и потоку дырок из области n в область рте. полене препятствует прохождению неосновных носителей через переход. Эти носители имеют тепловое происхождение. Суммарная плотность тока равна нулю, т. к. потоки неосновных носителей уравновешивают друг друга. Таким образом, в зоне р – перехода образуется разность потенциалов, которую называют потенциальным барьером либо контактной разностью потенциалов – Uk С некоторыми упрощениями [17] можно считать, что значение зависит от концентрации зарядов 2 idaknNNlnU , (8.7) где aN и dN– соответственно концентрации акцепторной и донорной примесей in– собственная концентрация электронов. Принято считать, что для германия (е) В 0 , для кремния (Si) В 0 |
|
|
Скачать 7.28 Mb.