Технологии полупроводников. часть 1

p-n переход

p-n переход создают в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. При этом область, в которую вводились донорные примеси становится n-областью с электронной проводимостью, область в которую ввели акцепторные примеси — p-областью с преимущественной дырочной проводимостью.

Так как в n- области концентрация электронов больше (в сравнении с концентрацией дырок), а в p- области наоборот, то электроны диффундируют из n- области, в p- область, а дырки в обратном направлении. В результате в n- области возникает положительный заряд, а в p- области отрицательный Появляющаяся таким образом, разность потенциалов и электрическое поле пытаются замедлить диффузию положительных и отрицательных зарядов. При некотором напряжении возникает равновесие. Так как заряд электрона меньше нуля, то рост потенциала ведет к уменьшению потенциальной энергии электронов и росту потенциальной энергии дырок. Как следствие роста потенциала n- области потенциальная энергия электронов в этой области уменьшается, а в p- области увеличивается. С потенциальной энергией дырок дело обстоит наоборот. Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок.

Итак, возникает потенциальный барьер, который противостоит потоку диффузии электронов и дырок со стороны перехода с их большей концентрацией, то есть напору электронов со стороны n- области и напору дырок из p- области. Этот потенциальный барьер растет до величины, при которой появляющееся на переходе электрическое поле порождает такие токи из носителей заряда, которые полностью компенсируют диффузионные потоки. Так достигается стационарное состояние.

Электроны и дырки в зоне проводимости полупроводников имеют конечное время жизни. Дырки, которые попали из p- области в n- область диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируются с электронами. Так же ведут себя электроны, которые попали из n- области в p- область. Следовательно, концентрация избыточных дырок в n- области и концентрация электронов в p- области уменьшается (по экспоненте) при удалении от границы перехода.

Обычно энергия Ферми p и n- областей полупроводников отличается примерно на 1эВ. Значит, разность потенциалов, которая появляется на переходе и выравнивает энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет величину порядка 1В.

Применение p-n перехода

Вот так и работает простой диод, который состоит из p-n перехода. По-простому, p-n переход – это и есть классический диод. И он может работать как при прямом включении, так и при обратном. А вообще, вся современная цифровая техника состоит из p-n переходов.

Транзисторы, тиристоры, микросхемы, логические элементы, процессоры и многое другое основано именно на этом.

Контролируемый лавинообразный пробой

А что будет, если превысить напряжение потенциального барьера? Например, оно равно 7 В. А на схеме источник 5 В. Если подключим источник на 8 В, то наступит лавинообразный ток.

Неосновные носители зарядов будут забирать с собой основные. От части этот процесс контролируем, если не превышать напряжение источника выше, чем может выдержать p-n переход.

Электрический пробой

Если еще больше повысим напряжение, то будет электрический пробой. Эти явления широко используются на практике, например, в качестве стабилизаторов.

И электрический пробой контролируется. Стабилитроны (так называются диоды, которые работают в таком режиме) делаются специально с широкими p-n переходами, которые долго работают под постоянными нагрузками.

Тепловой пробой

Но если радиодеталь изначально не рассчитана электрический пробой, то она быстро нагреется и произойдет тепловой пробой. Дырки и электроны получат тепловую энергию, из-за которой барьер полностью разрушится. Переход нагревается и трескается под действием температуры. Это необратимый процесс.

И во время пайки тоже может случиться тепловой пробой. Достаточно немного перегреть деталь и p-n переход будет разрушен.

Соответственно, если пустить по диоду ток, который превышает его пропускную способность, то тоже случится тепловой пробой. Тоже самое касается и рассеиваемой мощности.

Виды полупроводников

По характеру проводимости

Собственная проводимость

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».

Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

σ=1ρ=q(Nnμn+Npμp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=q(N_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}+N_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}})}

где ρ{\displaystyle \rho } — удельное сопротивление, μn{\displaystyle \mu _{\rm {n}}} — подвижность электронов, μp{\displaystyle \mu _{\rm {p}}} — подвижность дырок, Nn,p{\displaystyle N_{n,p}} — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602⋅10−19 Кл).

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:

σ=1ρ=qN(μn+μp){\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\rho }}=qN(\mu _{\rm {n}}+\mu _{\rm {p}})}

Примесная проводимость

Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.

По виду проводимости

Электронные полупроводники (n-типа)

Полупроводник n-типа

Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Проводимость N-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNnμn{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {n}}\mu _{\rm {n}}}

Дырочные полупроводники (р-типа)

Полупроводник p-типа

Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Проводимость p-полупроводников приблизительно равна:

σ≈qNpμp{\displaystyle \sigma \approx qN_{\rm {p}}\mu _{\rm {p}}}

Устройство транзистора.

Дадим схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графическое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрелка указывает направление от слоя pк слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обозначение представлено на рис. 1.86, б.

Обозначения электродов сток и исток достаточно условны. Если взять любой полевой транзистор, не подсоединенный к какой-либо цепи, то совсем нет разницы какой вывод корпуса сток, а какой исток. Имя электрода определяется его расположения в схеме.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

Напряжение на затворе U_зи = 0. Подсоединим источник питания плюсом к стоку, минус к истоку. Затвор также подключим на общий. Начнем плавно увеличивать напряжение на стоке U_си. Пока оно мало, ширина канала наибольшая. В таком виде полевой транзистор выглядит как обычный проводник. Чем выше уровень напряжения U_си, тем выше ток через канал между стоком и истоком I_си. Это состояние иногда именуют омической областью.

С увеличением U_си, в областях N-типа плавно снижается количество электронов – образуется обедненный слой. Он растет несимметрично, сильнее со стороны стока, т.к туда подсоединен источник питания. В результате канал становится уже и при последующем повышении напряжения U_си, ток I_си будет увеличиваться на очень малые значения. Это состояние получило название режим насыщения.

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами.

У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов:

— с управляющим p-n-переходом;— со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала с электропроводностью p- либо n-типа, к торцам которой подсоединены электроды — сток и исток. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого выведен электрод — затвор.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, Усилитель ные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал, управляемый электричёским полем. Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности.

Таким образом, в пластинке полупроводника, не охваченной запирающим слоем, образуется токопроводящий канал, сечение которого зависит от толщины ОПЗ. Если включить источник питания Е2, как, показано на [рис. 6.1, то через пластинку полупроводника, между выпрямляющими контактами потечет ток. Область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда, называют проводящим каналом.

Электрод полевого транзистора, через который в проводящий канал втекают носители заряда, называют истоком, а электрод, через который они вытекают из канала, — стоком.

Электрод полевого транзистора, на который подается электрический сигнал» используемый для управления величиной тока, протекающего через канал, называют затвором.

Поскольку р-n — переход включен в обратном направлении, входное сопротивление прибора очень велико.

Когда стоит использовать полевые МОП-транзисторы?

Биполярные и униполярные транзисторы — очень важные элементы, но возникает вопрос: когда их использовать? Оба типа имеют свои преимущества и недостатки, поэтому в некоторых проектах, один имеет преимущество перед другим. Использование биполярных транзисторов, безусловно, заслуживает внимания, когда схема питается от низкого напряжения (например, 1,5 В или 3,3 В), поскольку для ее работы достаточно напряжения 0,7 В. Униполярный транзистор может быть еще не полностью открыт в этих условиях.

МОП-транзисторы рекомендуются для управления нагрузками, потребляющими токи в диапазоне ампер, поскольку управляющий элемент (например, Arduino) не должен подавать на них питание — этого достаточно, чтобы установить достаточно высокий потенциал. Чтобы полностью открыть транзистор, приложите напряжение, в несколько раз превышающее пороговое напряжение между затвором и истоком (это напряжение включения).

МОП-транзисторы практически не потребляют ток от цепи, которая контролирует их работу!

Использование униполярных транзисторов рекомендуется там, где важно потребление тока. В некоторых проектах, особенно в схемах с питанием от небольших батарей, даже несколько микроампер, потребляемых базой биполярного транзистора, могут значительно сократить время работы устройства

Между эмиттером и коллектором полностью включенного (насыщенного) биполярного транзистора создается постоянное напряжение — обычно 0,2 В, но это значение может быть выше для мощных транзисторов. У униполярных транзисторов есть только сопротивление открытого канала, поэтому падение напряжения на них зависит от протекающего тока.

Напоследок еще одно практическое замечание. Если нам нужно контролировать, например, 10 так называемых сверхярких светодиодов, каждый через отдельный транзистор, то следует использовать 10 биполярных транзисторов вместе с 10 резисторами, по одному на каждую базу. Между тем, использование полевых МОП-транзисторов устранит необходимость в дополнительных резисторах, что сэкономит место на плате.

P-N-переход

Рассмотрим процессы происходящий при прохождении тока через электронно-дырочный переход. Левый слой, обозначенный буквой n, имеет электронную проводимость. Ток в нём связан с перемещением свободных электронов, которые условно обозначены кружками со знаком «минус». Правый слой, обозначенный буквой p, обладает дырочной проводимостью. Ток в этом слое связан с перемещением дырок, которые на рисунке обозначены кружками с «плюсом».

Движение электронов и дырок в режиме прямой проводимости

Движение электронов и дырок в режиме обратной проводимости.

При соприкосновении полупроводников с различными типами проводимости электроны вследствие диффузии начнут переходить в p-область, а дырки — в n-область, в результате чего пограничный слой n-области заряжается положительно, а пограничный слой p-области — отрицательно. Между областями возникает электрическое поле, которое является как бы барьеров для основных носителей тока, благодаря чему в p-n переходе образуется область с пониженной концентрацией зарядов. Электрическое поле в p-n переходе называют потенциальным барьером, а p-n переход — запирающим слоем. Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению поля p-n перехода («+» на p-области, «-» на n-области), то потенциальный барьер уменьшается, возрастает концентрация зарядов в p-n переходе, ширина и, следовательно, сопротивление перехода уменьшается. При изменении полярности источника внешнее электрическое поле совпадает с направлением поля p-n перехода, ширина и сопротивление перехода возрастает. Следовательно, p-n переход обладает вентильными свойствами.

Нарисуйте и объясните вах (вольт-амперная характеристика) лампового диода. Что такое ток насыщения и как он зависит от температуры? Закон Богулавского-Ленгмюра.

показаны вольт-амперные характеристики диода при разных температурах катода. Когда потенциал анода равен нулю, сила тока мала, она определяется лишь самыми быстрыми термоэлектронами, способными достигнуть анода. При увеличения положительного потенциала анода сила тока возрастает и затем достигает насыщения, т.е. почти перестает зависеть от анодного напряжения.

При увеличении температуры катода увеличивается и значение тока, при котором достигается насыщение. Одновременно увеличивается и то анодное напряжение, при котором устанавливается ток насыщения.

Диод относится к нелинейным элементам, т.е. он не подчиняется закону Ома. Говорят, что диод – это элемент с односторонней проводимостью. Большая часть ВАХ диода описывается законом Богуславского – Ленгмюра или законом «3/2»

зависимость тока анода от напряжения между его катодом и анодом — в режиме пространственного заряда. В этом режиме, являющимся основным для приёмно-усилительных радиоламп, тормозящее действие пространственного заряда ограничивает ток катода до величины, существенно меньшей, чем предельно возможный ток эмиссии катода. В наиболее общей форме закон утверждает, что ток вакуумного диода Ia пропорционален напряжению Ua, возведённому в степень 3/2:

где g — постоянная (первеанс) данного диода, зависящая только от конфигурации и размеров его электродов