Тема 4 Полупроводниковые приборы

Собственные полупроводники.

К полупроводникам относятся твердые тела, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Отличительной особенностью полупроводников является сильная зависимость удельного сопротивления от внешних факторов: температуры, концентрации примесей, действия света и ионизирующих излучений.

Для создания современных полупроводниковых приборов в качестве исходного материала применяются элементарные полупроводники: германий Ge, кремний Si, селен Se, теллур Te; соединения А^IIIB^V: арсенид галлия GaAs, арсенид индия InAs, фосфорид галлия GaP, карбид кремния SiC; соединения A^IIB^V; тройные полупроводниковые соединения A^IIB^IIIC^V, A^IB^IIIC^VI и др.

Электроны внешней оболочки атома называются валентными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет общей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращающихся по одной орбите вокруг этих атомов (рисунок 8).

Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под действием электрического поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными. Процесс отрыва и удаления одного или нескольких электронов от атома или молекулы называется ионизацией.

Рисунок 8 Рисунок 9

Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называется разрешенной зоной (зона 3 на рис. 9).

Разрешенная зона характеризуется тем, что все энергетические уровни валентных электронов при температуре 0К заполнены ими. Верхнюю заполненную зону называют валентной. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладающих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля). Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны даже в идеальном кристалле.

В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается n_l.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (свободного) энергетического уровня (положительного заряда), называемого дыркой, концентрация которых в собственной полупроводнике обозначается p_l. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение положительных зарядов – дырок.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника при температуре отличной от 0 К, образуются свободные электроны и дырки. Процесс образования пар электрон-дырка называется генерацией.

Примесные полупроводники

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то образовавшийся полупроводник называется примесным. Примеси могут быть донорного или акцепторного типов.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, занятый в невозбужденном состоянии электронами и одающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называется донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергетический уровень, свободный от электронов в невозбужденном состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называется акцептором.

При внесении в предварительно очищенный кремний (германий) примеси пятивалентного элемента – донора (форфор, сурьма, мышьяк) атомы примеси замещают основные атомы в узлах кристаллической решетки (рисунок 10). При этом четыре из пяти валентных электронов атома примеси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый электрон оказывается избыточным.

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуждаются и переходят в зону проводимости (рис. 11).

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значительно ниже, чем в собственном. В связи с этим дырки p_n являются неосновными носителями, а электроны n_n – основными. Поэтому донорный полупроводник называется электронным или полупроводником n-типа.

Рисунок 10 Рисунок 11

При добавлении в кристалл кремния (германия) примеси трехвалентного элемента – акцептора (галлий, индий, бор) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси (рис. 12).

Рисунок 12 Рисунок 13

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи (рис. 13).

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. Полупроводники с акцепторной примесью носят название дырочных или полупроводников р-типа.

Электронно-дырочный переход

Переход между двумя областями полупроводника с разнотипной проводимостью называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Переходы между двумя областями с различной концентрацией примесей одного типа называются электронно-электронными (n⁺-n переход) или дырочно-дырочный (р⁺-р), где знак «+» означает повышенную концентрацию примесей по сравнению со вторым слоем.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой электрический переход называется переходом металл-полупроводник.

Физические процессы в p-n переходе

Рассмотрим физические процессы в плоском p-n переходе, находящемся в равновесном состоянии, т.е. при нулевом внешнем напряжении на переходе (рис. 14,а) и при условиях, что

- на границе раздела р- и n- областей отсутствуют механические дефекты и включения других химических веществ;

- при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. p_p = N_n, n_n = N_д;

- на границе р-n перехода тип примеси резко изменяется.

Т.к. концентрация электронов в n-области намного больше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше чем в n-области (( и , как показано на рис. 14,б, то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов): .

Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называется диффузионным движением.

В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области – отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

Таким образом, на границе р- и n-областей возникает двойной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна Е_диф. Это поле препятствует дальнейшему протеканию диффузионного тока (тока основных носителей). Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он называется запирающим слоем или областью объемного заряда.

Рисунок 14

В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою р-n перехода.

Поле р-n-перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и перебрасываются в n-область, а дырки n-области – в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа.

Полная плотность тока дрейфа, создаваемая неосновными носителями, называется тепловым током.

Контактная разность потенциалов

Наличие ионов примесей в запирающем слое р-n перехода создает разность потенциалов U_к, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов, значение которой

, (23)

где - температурный потенциал.

Контактная разность потенциалов зависит от:

- ширины запрещенной зоны полупроводника, при одинаковых концентрациях примесей она выше у полупроводников с большей шириной запрещенной зоны;

- концентрации примесей в смежных областях полупроводника. При их увеличении контактная разность потенциалов возрастает;

- температуры полупроводника. При ее увеличении контактная разность потенциалов уменьшается.

Прямое включение p-n перехода

При подключении к р-n переходу внешнего электрического поля динамическое равновесие токов через переход нарушается. поведение перехода при этом зависит от полярности приложенного напряжения. Если внешнее напряжение приложено навстречу контактной разности потенциалов, то такое включение р-n перехода называется прямым (рис. 15,а).

При |U_к| = |U_пр| толщина р-n перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает. Вследствие этого электроны и дырки начинают свободно диффундировать в смежные области полупроводника.

Через переход протекает ток, который называется прямым. Процесс переноса носителей заряда через прямосмещенный электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они становятся неосновными носителями, называется инжекцией.

В несимметричном р-n переходе, когда концентрация электронов в n-области во много раз больше концентрации дырок в р-области, диффузионный поток электронов во много раз превышает поток дырок и ими можно пренебречь. В этом случае имеет место односторонняя инжекция электронов. Область, из которой происходит инжекция, называется эмиттером, а область, в которую инжектируются носители,- базой.

Рисунок 15

Неравновесные неосновные носители зарядов диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление электронейтральности происходит за счет поступления носителей заряда от внешнего источника взамен ушедших к р-n переходу и исчезнувших в результате рекомбинации. Это приводит к появлению электрического тока во внешней цепи – прямого тока.

Обратное включение p-n перехода

При обратном включении р-n перехода внешнее напряжение приложено знаком «+» к n-области (рис. 16,а). Создаваемое им электрическое поле совпадает по направлению с внутренним полем перехода, увеличивая высоту потенциального барьера (рис. 16,б).

Сопротивление р-n перехода для прохождения тока основных носителей увеличивается. Происходит изменение в соотношении токов через р-n переход. Диффузионный ток уменьшается и в предельном случае с ростом потенциального барьера стремится к нулю.

Рисунок 16

Для неосновных носителей заряда поле в р-n переходе остается ускоряющим, они захватываются им и переносятся через р-n переход. Процесс переноса неосновных носителей заряда через обратносмещенный р-n-переход в область полупроводника, где они становятся основными носителями, называется экстракцией.

Дрейфовый ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым током I_T.

По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии и поэтому результирующий ток р-n перехода

I_обр = I_диф – I_Т. (24)

При |U_вн| >> U_к током основных носителей можно пренебречь. Поэтому тепловой ток I_T в этом случае называют током насыщения.

Таким образом, р-n обладает вентильными свойствами:

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводниковый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюсником, имеет два вывода и нелинейную ВАХ.

Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n переходов.

Полупроводниковые диоды классифицируются по типу исходного материала, конструктивно-технологическим особенностям, назначению и пр.

По типу исходного материала диоды бывают германиевые, кремниевые, селеновые, карбид-кремниевые, арсенид-галлиевые и др.

По конструктивно-технологическим особенностям диоды бывают точечные, сплавные, микросплавные, диффузионные, эпитаксиальные, с барьером Шотки, поликристаллические и др.

По назначению диоды делятся на

- выпрямительные (силовые), предназначенные для преобразования переменного напряжения источников питания промышленной частоты в постоянное;

- стабилитроны (опорные диоды), предназначенные для стабилизации напряжений, имеющих на обратной ветви ВАХ участок со слабой зависимостью напряжения от протекающего тока;

- варикапы, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением;

- импульсные, предназначенные для работы в быстродействующих импульсных схемах;

- туннельные и обращенные, предназначенные для усиления, генерирования и переключения высокочастотных колебаний;

- сверхвысокочастотные, предназначенные для преобразования, переключения, генерирования сверхвысокочастотных колебаний;

- светодиоды, предназначенные для преобразования электрического сигнала в световую энергию;

- фотодиоды, предназначенные для преобразования световой энергии в электрический сигнал.

Биполярные транзисторы. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими р-n переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа «p-n-p» и «n-p-n» (рис. 18).

Токи в биполярном транзисторе. В соответствии с рисунком 3 ток эмиттера I_э имеет две составляющие – электронную I_эn и дырочную I_эр:

Полевые транзисторы. Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создается основными носителями заряда под действием продольного электрического поля, а модуляция тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде. Полевые транзисторы бывают двух разновидностей: с управляющим р-n переходом и с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

Область полупроводника, по которой проходит управляемый ток основных носителей, называется каналом. Электрод, от которого начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком. Электрод, являющийся приемником движущихся основных носителей, называется стоком. Электрод, используемый для управления величиной поперечного сечения канала, называется затвором.

Структура полевого транзистора с управляющим р-n переходом и с каналом n-типа представлена на рис. 21,а.

Полевой транзистор с управляющим р-n переходом представляет собой транзистор, затвор которого отделен от канала р-n переходом. Полевой транзистор состоит из пластины полупроводникового материала, которая может служить каналом и с торцов которой расположены два омических контакта (исток и сток). Канал может иметь электропроводность как n-, так и р-типа. В связи с этим полевые транзисторы с управляющим р-n переходом бывают с n- и р-каналами (рис. 21,б, в).

Рисунок 21

Напряжение источника питания U_си прикладывается к промежутку сток-исток таким образом, чтобы поток основных носителей двигался от истока к стоку. К промежутку затвор-исток прикладывается напряжение U_зи, запирающее управляющий р-n переход транзистора. При изменении обратного напряжения на р-n переходе изменяется площадь поперечного сечения канала и его сопротивление, а значит, и величина тока, протекающего через канал. Управление толщиной канала осуществляется напряжением U_зи, т.е. электрическим полем, возникающем в запирающем слое (без инжекции носителей). Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

Характерное отличие полевых транзисторов с изолированным затвором состоит в том, что у них между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика. В этом качестве чаще используется диоксид кремния. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором называются также МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник).

Существуют два типа МДП-транзисторов: с индуцированным и встроенным каналами.

Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-типа показана на рис. 22,а.

Основой транзистора является подложка, в качестве которой используется кремниевая пластинка с проводимостью n- или р-типа с относительно высоким удельным сопротивлением. На поверхности подложки создаются две сильнолегированные области, не имеющие между собой соединения, с противоположным относительно подложки типом проводимости. На этих областях осаждают внешние омические контакты, служащие истоком и стоком. Оставшаяся поверхность пластинки покрывается слоем диэлектрика, на который между истоком и стоком наносится металлический электрод, выполняющий роль затвора.

Рисунок 22

При подаче на затвор положительного относительно истока напряжения электрическое поле затвора через диэлектрик проникает на некоторую глубину в приконтактный слой полупроводника, выталкивая из него вглубь полупроводника основные носители заряда и притягивая электроны к поверхности. При малых напряжениях U_зи у поверхности полупроводника под затвором возникает обедненный основными носителями заряда слой и область объемного заряда, состоящего из ионизированных примесных атомов. При увеличении положительного напряжения на затворе в приконтактном поверхностном слое полупроводника происходит смена электропроводности (рис. 22,б) – образуется тонкий инверсный слой (канал), соединяющий сток с истоком. На рис. 22,в и 22,г приведены условные обозначения транзисторов соответственно с n- и р-каналами.

Полевые транзисторы со встроенным каналом. На стадии изготовления транзисторов между областями стока и истока создается тонкий слой (канал) с таким же типом электропроводности, что и области под выводами стока и истока (рис. 23,а). Условное обозначение транзисторов приведено на рис. 23,б и 23,в.

Основные параметры усилителей представляют количественную оценку их работы.

Коэффициентом усиления (коэффициентом передачи) называется отношение выходного сигнала к входному. Обычно он определяется в установившемся режиме при гармоническом входном сигнале. В зависимости от характера входной и выходной величин различают:

- коэффициент усиления по напряжению K_U = U_вых/U_вх;

- коэффициент усиления по току K_I = I_вых/I_вх;

- коэффициент усиления по мощности К_Р = Р_вых/Р_вх.

Входное и выходное сопротивления. Усилитель можно представить в виде активного четырехполюсника, одна из возможных эквивалентных схем которого представлена на рис. 25.

Выходная мощность характеризуется номинальной мощностью, развиваемой усилителем в нагрузке. Это мощность на выходе усилителя при работе на расчетную нагрузку и заданном коэффициенте гармоник или нелинейных искажений:

, (33)

где U_{m вых} – амплитудное значение выходного напряжения.

Коэффициент полезного действия представляет собой отношение выходной мощности, отдаваемой усилителем в нагрузку, к общей мощности, потребляемой от источника питания:

. (34)

Чувствительность (номинальное входное напряжение) – напряжение, которое нужно подвести к входу усилителя, чтобы получить на выходе заданную мощность. Чем она меньше, тем выше чувствительность усилителя. Минимально допустимое напряжение ограничивается уровнем собственных шумов усилителя, на фоне которых нельзя выделить полезный сигнал.

Максимально допустимое входное напряжение усилителя ограничено искажением формы сигнала за счет работы усилителя на нелинейных участках ВАХ транзистора.

Динамический диапазон – отношение наибольшего допустимого значения входного напряжения к наименьшему:

. (35)

Рисунок 25

Диапазон усиливаемых частот (полоса пропускания) – разность граничных частот Δf = f_в – f_н, в которой коэффициент усиления изменяется по определенному закону с заданной точностью; допустимые изменения коэффициента усиления в полосе пропускания не превышают 3 дБ.

Искажения сигнала, т.е. отклонение формы выходного сигнала от формы входного, бывают линейными и нелинейными.

Усилительный каскад по схеме с ОЭ

Принципиальная схема каскада приведена на рисунке 26,а, а временная диаграмма его работы – на рисунке 26,б. Конденсаторы Ср разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов.

Усилительный каскад осуществляет поворот по фазе на 180⁰ выходного напряжения относительно входного и имеет большой коэффициент усиления по току.

В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают режимы работы усилителя А, В, АВ, С, D.

а) б)

Рисунок 26

Режим А характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 27). В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению к входному. Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала повторяет форму входного за счет работы транзистора в активной зоне без захода в области насыщения и отсечки.

Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В то же время работа усилителя в режиме А отличается низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током I_ко вне зависимости от наличия или отсутствия входного сигнала.

Рисунок 27

Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения U_см = 0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики (рис. 28). Особенностью режима является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи.

При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течение половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях.

Рисунок 28

Режим АВ занимает промежуточное положение между режимами А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения U_см меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом В. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности.

Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты.

Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находиться в открытом либо закрытом состояниях. Режим D, который называется ключевым режимом, применяется в импульсных схемах.

Параметры операционных усилителей

Операционными усилителями (ОУ) называются многокаскадные усилители постоянного тока с дифференциальным входным каскадом, большим усилением и несимметричным выходом, предназначенные для выполнения различных операций над аналоговыми величинами при работе с глубокой отрицательной обратной связью.

Преобразователи аналоговых сигналов на ОУ

Обычно функции, выполняемые ОУ, определяются элементами обратной связи. На основе ОУ могут быть построены масштабные усилители, повторители, сумматоры, интеграторы, стабилизаторы тока и напряжения, активные фильтры, усилители переменного тока, генераторы импульсных сигналов, функциональные преобразователи, схемы сравнения и пр.

Повторитель напряжения (рис. 29) представляет собой усилитель, охваченный 100% отрицательной обратной связью по выходному напряжению. Для повторителя U_вых = U_вх.

Рисунок 29

Неинвертирующий масштабный усилитель (рис. 30).

Рисунок 30

. (36)

Инвертирующий масштабный усилитель (рис. 31). Здесь входной сигнал и сигнал обратной связи подаются на инвертирующий вход ОУ. В отличие от предыдущей схемы входной сигнал подается на вход ОУ не непосредственно, а через делитель R1-R_ос.

. (37)

Рисунок 31

В дифференциальном усилителе (рис. 32) входной сигнал подается на прямой и инверсный входы. Особенностью такого усилителя является значительное ослабление синфазных помех.

Рисунок 32

. (38)

Интегратор (рис. 33) представляет собой ОУ, в цепь обратной связи которого включен конденсатор.

. (39)

Рисунок 33

Основная литература: [2, 5, 6]

Дополнительная литература: [7, 8]