3 страница. В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.

В светодиодах используется излучательная рекомбинация, при которой рекомбинация каждой p-n пары порождает квант световой энергии.

 

Рис. 21

 

Интенсивная рекомбинация и свечение возможны только при протекании в светодиоде прямого тока от внешнего источника.

Из (2) следует, что длина волны и цвет возникающего света определяются выражением:

 

λ = hc/Wз, (31)

 

где h – постоянная Планка, c – скорость света, Wз – ширина запрещённой зоны полупроводника. Согласно (31), цвет свечения определяется шириной запрещённой зоны полупроводника.

Кремний светится в инфракрасном, невидимом глазу диапазоне. Кремниевые светодиоды широко применяются, когда их работа не должна видимым светом мешать человеку, например, в пультах управления. Светодиоды на основе фосфида галлия дают красное свечение, на основе карбида кремния – жёлтое и т.д. Решена проблема получения любого цвета свечения. В частности, три различных светодиода – красный, зелёный и синий решают эту проблему в пикселах светодиодных экранов.

Быстро развивается теория и практика гетеропереходов – p-n переходов с полупроводниками различного типа в p- и n-областях. Им свойственно особенно высокое разнообразие возможных электрических и светотехнических характеристик.

В значительной степени решена проблема высокого к.п.д. светодиодов, который достигает нескольких десятков процентов. Поэтому, а также благодаря исключительно высокой надёжности, светодиоды интенсивно вытесняют лампы накаливания и газонаполненные приборы в осветительных и сигнальных приборах.

В фотодиодах внешний свет проникает в p-n переход и, если выполняется соотношение (31), вызывает в нём генерацию электронно-дырочных пар. Поскольку в переходе имеется собственное электрическое поле, ускоряющее для неосновных носителей, последние разводятся полем в противоположные стороны и, тем самым, увеличивают дрейфовую составляющую тока. Равновесие диффузионного и дрейфового токов нарушается и в режиме с замкнутой внешней цепью в ней появляется фототок. В режиме с разомкнутой внешней цепью на освещённом p-n переходе появляется фото-э.д.с., также возникающая в результате нарушения равновесного состояния. В обоих случаях фотодиод можно использовать для регистрации падающего на него света. В частности, кремниевый фотодиод помещают на управляемых внешним пультом электронных устройствах. Если в пульте применён кремниевый светодиод, энергия квантов его света, согласно (2) и (31), достаточна для генерации электронно-дырочных пар.

Поскольку в освещаемом p-n переходе происходит преобразование световой энергии в электрическую, такие контакты используются в солнечных батареях. При идеально прозрачной атмосфере и в космосе мощность светового потока от Солнца на Земле достигает 1,4 кВт/м2.

 

6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.

МДП-ТРАНЗИСТОР

 

6.1. Основные свойства МДП-структуры

 

МДП-структура содержит металлический слой, слой диэлектрика и слой полупроводника, рис. 22. Если используется самый распространённый

 

 

Рис. 22

 

полупроводник – кремний, то диэлектрик, как правило, двуокись кремния SiO2. Такой диэлектрик на поверхности кремния легко создаётся путём его окисления. Диэлектрический слой всегда очень тонкий, что обеспечивает проникание электрического поля в полупроводник при подаче на структуру внешнего напряжения Uвн. Полупроводник может быть как n, так и p типа.

Пусть на МДП-структуру с полупроводником p-типа подано Uвн с полярностью: минус к металлу, плюс к полупроводнику, рис. 22б. Отрицательное поле металлического слоя будет проникать в приповерхностный слой полупроводника и втягивать сюда дырки. Концентрация дырок в этом слое p+ будет повышенной (режим обогащения).

При подаче Uвн плюсом к металлу, рис. 22в, концентрация дырок в приповерхностном слое p- будет пониженной из-за вытеснения отсюда дырок положительным полем металлического слоя (режим обеднения). В то же время концентрация свободных электронов в приповерхностном слое будет расти из-за уменьшения вероятности их рекомбинации с дырками (см. (13)).

В результате уменьшения концентрации дырок и роста концентрации свободных электронов, при некотором пороговом напряжении U0 их концентрации сравняются и будут равны собственной концентрации ni, рис. 22г.

С дальнейшим ростом напряжения концентрация свободных электронов в приповерхностном слое превысит концентрацию дырок и здесь появится n-слой (режим инверсии).

Изменение состояния полупроводника под действием электрического поля называется полевым эффектом. Транзисторы, использующие полевой эффект, называются полевыми транзисторами.

 

6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом

 

В МДП-транзисторах используются свойства МДП-структуры, т.е. все их разновидности относятся к классу полевых транзисторов. В современной электронике в основном используются именно такие транзисторы.

Устройство МДП-транзистора с индуцированным каналом поясняет рис. 23,а. Здесь МДП-структура дополнена двумя «островками» n+-типа,

 

Рис. 23

 

являющимися внутренней частью контактов, между которыми может возникать канал n-типа (рис.23,б). Внутренние контакты с помощью обычных, омических контактов с металлом выведены на поверхность, что позволяет соединять их с внешними цепями. Благодаря высокой степени легирования, контакты обладают ничтожным сопротивлением. Их единственная функция – обеспечить электрическое соединение.

На рис. 23,б изображён МДП-транзистор с необходимыми для работы подключениями. Здесь используется основная схема включения – с общим, или заземлённым истоком. Это название отражает очевидное: в такой схеме исток заземлён и является общим узлом для источников Uзи и Uси.

При подаче на затвор положительного напряжения Uзи, превышающего пороговое напряжение U0, обеспечивается режим инверсии МДП-структуры. В подзатворной области появляется слой полупроводника n-типа – канал. Канал электрически соединяет исток и сток. Поэтому, если подано напряжение на канал Uси, в канале появится ток канала. Ток канала, ток истока и ток стока равны между собой. Этот ток принято называть током стока Iс. По характеру Iс является дрейфовым током основных носителей.

Чем больше Uзи, тем больше толщина канала, концентрация свободных электронов в нём и поэтому больше ток Iс.

При любых Uзи < U0 режим МДП-структуры – обогащение или обеднение. Канала нет, исток и сток разделены полупроводником p-типа, ток между ними невозможен (закрытое состояние транзистора).

Полное название такого транзистора – МДП-транзистор с индуцированным каналом n-типа, обусловлено тем, что под воздействием поля затвора в нем появляется (индуцируется) канал со свойствами полупроводника с электронной проводимостью.

Существуют и p-канальные МДП-транзисторы. В них используется МДП структура с полупроводником n-типа. Р-канал появляется при отрицательном напряжении Uзи < U0. Такие транзисторы менее распространены, т.к. подвижность дырок меньше, чем подвижность свободных электронов. При равных прочих условиях в n-канальном транзисторе ток в несколько раз больше.

 

6.3 Основные параметры МДП-транзистора

 

Основным средством описания электрических свойств МДП-транзистора является система параметров. Параметры используются, в частности, при компьютерном моделировании, являющимся главным «инструментом» разработки, изготовления и эксплуатации электронных устройств.

Одним из главных параметров МДП-транзистора является пороговое напряжение U0. От него зависит напряжение, мощность, размеры и стоимость источника питания МДП интегральных схем и отдельных МДП-транзисторов. Стоимость, размеры и масса источника может достигать половины этих характеристик самого электронного устройства (например, батареи гаджета).

Пороговое напряжение определяется свойствами материалов МДП-структуры и её главным размером – толщиной диэлектрического слоя d:

 

, (32)

 

(((сразу подставить сюда )))

Где контактная разность потенциалов металл – полупроводник;

d – толщина диэлектрика;

q – элементарный электрический заряд;

– абсолютная электрическая постоянная;

относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика;

N – концентрация примеси в полупроводнике.

Большинство величин в (32) диктуются общими особенностями современной технологии – выбором типа полупроводника (кремний), диэлектрика (SiO2), металла (алюминий). Поэтому основным способом уменьшения U0 является уменьшение d. На сегодня d составляет доли нанометра , т.е. всего несколько межатомных расстояний. В результате достигнуты U0 ≈ 0,5 В. Это позволяет использовать источники питания с напряжением менее 1 В.

Другим важнейшим параметром МДП-транзистора является барьерная ёмкость затвор-канал Cзк:

 

Cзк = ε0εдS/d = ε0εдWL/d, (33)

 

где S – площадь затвора, W и L – ширина и длина затвора.

От Cзк зависит время отпирания и запирания транзистора, т.е. его импульсные и частотные свойства. Поэтому W и L должны быть минимизированы. Однако это противоречит обеспечению необходимого тока в канале Iс. В мощных МДП-транзисторах это противоречие разрешается увеличением W до нескольких метров, чем увеличивается площадь поперечного сечения канала и понижается плотность тока в нём.

Примером мощного МДП-транзистора является транзистор……… у которого Ic макс = 10 А, W = 2 м, L = 1 мкм. Проблема столь большой ширины канала в таких транзисторах решается изготовлением канала в форме меандра, рис. 24. Здесь изображены виды сверху на МДП-транзисторы с

обычным (а) и увеличенным (б) отношением W/L.

Важным параметром является также удельная крутизна B [А/В2]. Она характеризует усилительные свойства МДП транзистора – зависимость полезного выходного тока Iс от входного напряжения Uзи. В первом приближении эта зависимость описывается двумя уравнениями:

 

Iс = 0,5B(Uзи - U0)2, при Uзи > U0 (открытое состояние)

(34)

Iс = 0, при Uзи < U0 (закрытое состояние)

Рис. 24

 

 

Очевидно, что ток в канале Iс тем больше, чем больше коэффициент подвижности носителей в канале µ, его ширина W и проницаемость диэлектрика εдε0. Естественно также, что Iс уменьшается с увеличением толщины диэлектрика d (слабеет поле) и увеличением длины канала (растёт его сопротивление). Поэтому

 

B = µεдε0W/d·L (35)

 

Главный коэффициент, характеризующий усиление электронных элементов и устройств – коэффициент усиления по мощности Кр = Рвыхвх. У МДП-транзисторов Кр может быть очень большим. Это связано с тем, что вход транзистора, затвор отделён (изолирован) от канала диэлектрическим слоем. При постоянном входном напряжении Uзи входного тока Iз практически нет и Рвх = UзиIз ≈ 0. Однако при переменном входном напряжении из-за наличия ёмкости затвор-канал появляется комплексный входной ток. Этот ток и, следовательно, входная мощность тем больше, чем быстрее изменяется Uзи при отпираниях и запираниях транзистора или чем выше частота усиливаемого сигнала.

 

6.4. Статические характеристики МДП-транзистора

 

Статическими характеристиками называют графики зависимости одних постоянных напряжений и токов электронных элементов и цепей от других их напряжений и токов. Примерами статических характеристик являются ВАХ диода Шотки или p-n диода.

Транзисторы всегда включаются как четырёхполюсник, имеющий вход и выход. Входные характеристики связывают входные напряжения и токи, выходные характеристики связывают выходные напряжения и токи. Проходные, или переходные характеристики связывают какие-нибудь входные величины с выходными или наоборот.

Примером статической характеристики является проходная характеристика МДП-транзистора, рис. 25. Она соответствует

 

Рис. 25

 

зависимостям (34). Т.к. она связывает ток стока и напряжение на затворе, её называют также стоко-затворной характеристикой.

На рис. 25 штриховой линией изображена также стоко-затворная характеристика МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. В таком транзисторе пороговое напряжение отрицательное, канал существует при отрицательных Uзи.

На рис. 26 изображены выходные характеристики МДП-транзистора.

 

 

Рис.26

 

Они отражают зависимость выходного тока Iс от выходного напряжения Uси. Этот ток зависит ещё и от входного напряжения Uзи. Поэтому выходные характеристики обычно изображаются в виде семейства характеристик. Каждая из характеристик семейства соответствует некоторому неизменному Uзи. В результате семейство характеристик отображает обе важнейшие зависимости: Iс = f1(Uси) и Iс = f2(Uзи).

Выходные характеристики МДП-транзисторов имеют два характерных участка. Первый участок соответствует малым значениям Uси. В этой области канал по всей своей длине одинаков, его сопротивление Rк определяется только неизменным значением Uзи и поэтому Rк = const. При неизменном сопротивлении зависимость тока от напряжения подчиняется закону Ома. Отсюда название этого участка – омический. Он представляет собой отрезок прямой из начала координат.

С дальнейшим увеличением Uси форма канала начинает изменяться, рис. 27. Потенциал истока в схеме с общим истоком равен нулю и неизменен.

 

 

Рис. 27

 

Поэтому разность потенциалов затвор-канал и сила поля вблизи истока также неизменны. Канал здесь сохраняет исходную толщину и концентрацию свободных электронов. Вблизи стока, потенциал которого равен Uси, разность потенциалов затвор-канал равна Uзи - Uси. Поэтому с ростом Uси поле затвора здесь ослабевает. Канал вблизи стока становится тоньше, Rк увеличивается. Омический участок сменяется участком насыщения.

Такие же по форме выходные характеристики имеют МДП-транзисторы со встроенным каналом, рис. 28.

Они находят ограниченное применение из-за необходимости изготовления дополнительного n-слоя между истоком и стоком. Этот слой выполняет функцию канала, который существует в таком транзисторе и при Uзи = 0. Как и в транзисторах с индуцированным каналом, в МДП транзисторах со встроенным каналом в зависимости от напряжения на затворе наступает обогащение или обеднение канала. При достаточно

 

 

Рис. 28 Рис. 29

 

сильном обеднении, т.е. при Uзи < U0, наступает режим инверсии полупроводника под затвором. Канал исчезает, транзистор запирается. Стоко-затворная характеристика МДП-транзистора со встроенным каналом n-типа изображена на рис. 29. Здесь же штриховая линия соответствует p-канальному варианту транзистора.

Выходные характеристики всех рассмотренных в разделе 6.5 транзисторов имеют только количественные отличия, рис. 26.

Общепринятые условные обозначения всех МДП-транзисторов приведены в Приложении 2.

 

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

 

Устройство МДП-транзистора с плавающим затвором изображено на рис. 30.

 

 

 

Рис. 30 Рис. 31

 

 

В таком транзисторе два металлических слоя, выполняющих функцию двух затворов.

На верхний, обычный затвор, может быть подано внешнее напряжение Uзи в виде короткого импульса, рис. 31. Возникает электрическое поле, которое заряжает внутренний, плавающий затвор. В зависимости от знака поданного Uзи, заряд плавающего затвора будет +Q или –Q. Этот заряд, в свою очередь, создает вокруг себя электрическое поле, проникающее в полупроводник. При +Q в полупроводнике возникает режим инверсии. Образуется n-канал, транзистор открыт. При отрицательном Uзи плавающий затвор приобретает заряд –Q. Канал исчезает (закрытое состояние).

Главное свойство такого транзистора - заряд плавающего затвора не исчезает после отключения Uзи. Благодаря тому, что плавающий затвор со всех сторон окружён высококачественным диэлектриком, пути для тока разряда нет и заряд затвора сохраняется в течение нескольких лет. В течение этого же времени сохраняется открытое или закрытое состояние. Таким образом, МДП-транзистор с плавающим затвором обладает свойствами ячейки памяти, способной хранить 1 бит информации.

Запись открытого состояния (условно единицы) осуществляется подачей на затвор короткого положительного импульса, рис. 31. Стирание прежнего заряда и переход в закрытое состояние (запись нуля) осуществляется подачей короткого отрицательного импульса.

МДП-транзисторы с плавающим затвором и их разновидности получили исключительно широкое распространение в современной электронике. На их использовании, в частности, основывается работа флеш-памяти.

 

6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор

 

В арсенид-галлиевом полевом транзисторе (в дальнейшем GaAs-транзистор), как и в МДП-транзисторе, используется полевой эффект – влияние электрического поля на полупроводник. И хотя в GaAs-транзисторе нет диэлектрического слоя, подобием его является слой обеднённого полупроводника на границе металло-полупроводникового контакта Шотки.

В работе МДП- и GaAs-транзисторов много общего.

Устройство GaAs-транзистора поясняет рис. 32. Сам GaAs кристалл примесей не содержит. Благодаря большой ширине запрещённой зоны собственная концентрация беспримесного GaAs настолько мала, что по электропроводности этот полупроводник приближается к диэлектрикам. Поэтому проблемы влияния полупроводника, окружающего транзистор, не существует.

 

 

 

 

Рис. 32 Рис. 33

 

 

Канал в таком транзисторе изготавливается сразу, в виде слоя полупроводника n-типа. Металл затвора выбирается так, чтобы контакт между затвором и каналом являлся контактом Шотки. Как в любом другом таком m-n контакте, в приграничной части полупроводника возникает обеднённый слой.

При подаче на затвор положительного напряжения наступает обогащение канала. Обеднённый слой сужается, канал расширяется. Ток канала Iс увеличивается (Uси ≠ 0). При подаче отрицательного напряжения на затвор обеднённый слой расширяется. При пороговом напряжении –U0 канал исчезает, транзистор запирается. Типичная стоко-затворная характеристика GaAs-транзистора изображена на рис. 33.

Использование GaAs-транзистора при положительных напряжениях Uзи > 0,2…0,4 В приводит к отпиранию m-n перехода и появлению в нём значительного тока. В основной схеме включения полевых транзисторов, схеме с общим истоком, это входной ток Iз. Поэтому возрастает входная мощность и снижается усиление транзистора. При Uзи > 0,2…0,4 В такой транзистор не используется.

Большим достоинством GaAs является исключительно высокая подвижность свободных электронов. Коэффициент подвижности µn арсенида галлия в 6 раз превышает µn кремния. Поэтому быстродействие и частотные свойства GaAs-транзисторов и интегральных схем потенциально намного выше, чем кремниевых. Известны успешные применения таких транзисторов в СВЧ диапазоне (спутниковая связь) и попытки применения GaAs в сверхбыстродействующих ИС (цифровая электроника).

 

7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

 

7.1. Основные свойства биполярного транзистора

 

Биполярный транзистор (в дальнейшем БТ) является электронным элементом с двумя р-n переходами (рис. 34).

 

 

Рис. 34

 

Здесь изображён БТ со структурой n+–р–n, хотя возможна, но менее распространена p+–n -p структура. В работе таких БТ принципиальных отличий нет. Области БТ получили следующие названия: n+эмиттер (область, “испускающая” носители); р – база и n (на рис. 34 – область справа) – коллектор (т.е. область, “собирающая” носители).

Каждая область снабжена омическими контактами металл-полупроводник, служащими для подключения к внешним цепям. Названия внешних контактов такие же, как у областей – эмиттер, база, коллектор. P-n переход между эмиттером и базой получил название эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

Важнейшими особенностями конструкции являются:

 

1) малая толщина базы, не более 0,5 мкм;

2) малая концентрация примеси в базе, порядка 1016 см-3;

3) большая концентрация примеси в эмиттере, до 1020 см-3.

Только при соблюдении перечисленных условий БТ способен проявлять свои главные свойства: усиливать электрические сигналы, а также работать в качестве ключа.

Возможны четыре режима БТ:

1) ЭП открыт, КП закрыт - активный, или усилительный режим. Единственный режим, в котором возможно неискажённое усиление сигналов;

2) ЭП закрыт, КП закрыт – режим отсечки. Используется в ключе, закрытое состояние ключа;

3) ЭП открыт, КП открыт – режим насыщения. Используется в ключе, открытое состояние ключа;

4) ЭП закрыт, КП открыт – инверсный режим, обратный по отношению к активному режиму. Не используется, как не эффективный.

Общепринятые условные обозначения БТ приведены в Приложении 2.

 

7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

 

На рис. 35 изображена одна из схем включения БТ – схема с общей базой. Здесь база – общий электрод для входной и выходной цепи.

 

 

Рис. 35

 

Для изучения процессов в БТ наиболее удобен усилительный, или активный режим. Он создаётся двумя внешними напряжениями:

1) Uэб – входное напряжение, прямое для эмиттерного перехода;

2) Uкб– выходное напряжение, обратное для коллекторного перехода.

В открытом ЭП, благодаря прямому напряжению, снижаются φк и потенциальный барьер и поэтому протекает большой диффузионный ток основных носителей Iэ. При этом Iэ имеет электронную Iэn и дырочную Iэp составляющие. Так как концентрация свободных электронов в эмиттере на несколько порядков больше, чем дырок в базе, Iэn >> Iэp. Поэтому в ЭП наблюдается практически односторонний диффузионный ток свободных электронов в базу, так называемая инжекция.

Свободные электроны в базе являются неосновными носителями. Их больше вблизи ЭП, откуда они поступают, поэтому в базе возникает градиент концентрации dn/dw и неосновные носители диффундируют к КП. КП заперт напряжением Uкб, поэтому его электрическое поле для неосновных носителей – ускоряющее. Благодаря этому они извлекаются из базы в коллектор (экстракция). Появляется полезный выходной ток Iк.

Так как база тонкая и слаболегированная, при продвижении неосновных носителей через базу только небольшая их часть рекомбинирует с основными носителями базы (не более 1…2%). В противном случае наблюдалось бы значительное уменьшение выходного тока Iк.

Рекомбинация в базе несколько уменьшает концентрацию её основных носителей — дырок. Электрическая нейтральность базы нарушается, в ней образуется отрицательный заряд некомпенсированных ионов акцепторной примеси. Этот заряд создаёт так называемый рекомбинационный ток в выводе базы Iб рек. Еще одна составляющая тока базы легко обнаруживается при разорванной цепи эмиттера. Тока в ЭП и инжекции при этом нет. В КП протекает небольшой по величине обратный ток коллектора Iкб0, создаваемый обратным напряжением Uкб.

Таким образом, в указанном режиме в БТ действительны следующие соотношения токов:

 

Iэ = Iк + Iб (закон Кирхгофа для БТ, рассматриваемого как узел цепи) (36)

 

Iк = α Iэ + Iкб0 (37)

 

Iб = Iб рек – Iкб0 (38)

 

Эти уравнения называют основными уравнениями БТ в схеме с общей базой.

В кремниевых транзисторах, наиболее распространённых сегодня, Iкб0 пренебрежимо мал. Поэтому из (37) следует: α = Iк / Iэ.

Коэффициент передачи эмиттерного тока α является важнейшим параметром БТ. Можно показать, что коэффициент усиления по мощности БТ с общей базой определяется выражением

 

, (39)

 

где Rн –сопротивление нагрузки, включаемое в разрыв коллекторной цепи;

rэ - сопротивление открытого ЭП, обычно очень малое.

Так как БТ в отношении нагрузки является источником тока (сопротивление закрытого КП очень велико), Rн может на несколько порядков превышать rэ. Поэтому, согласно (39), Кp может достигать многих тысяч раз.

На величину коэффициента усиления влияют следующие особенности конструкции.

Качество работы ЭП характеризуется коэффициентом инжекции

 

, (40)

 

где Iэn – полезный ток инжекции;

Iэр – бесполезный встречный дырочный ток;

Nэи Nбконцентрация примесей в базе и эмиттере.

Увеличивая Nэ, можно получить γ = 0,999 и более.

Качество процессов в базе характеризуется коэффициентом переноса κ, который показывает, какая доля инжектированных в базу носителей избегает рекомбинации и достигает КП:

 

κ = IK / IЭn (41)

 

Этот коэффициент тем ближе к максимальному значению κ = 1, чем тоньше база и меньше в ней концентрация примесей.

Пренебрегая дырочной составляющей эмиттерного тока, умножив (40) на (41) получим:









Дата добавления: 2016-03-05; просмотров: 742; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию, введите в поисковое поле ключевые слова и изучайте нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам понравился данный ресурс вы можете рассказать о нем друзьям. Сделать это можно через соц. кнопки выше.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2020 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.119 сек.