Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Полупровод. приб. Лекции.doc
Скачиваний:
67
Добавлен:
08.03.2015
Размер:
1.36 Mб
Скачать

В.Н. Станевко

Электронные полупроводниковые

приборы

(Конспект лекций)

2010

Электронные полупроводниковые приборы

Содержание

1. Образование p – n перехода и его свойства.

1.1. Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике.

1.2.Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.

1.3. Схема замещения, частотные и температурные свойства p – n перехода.

2. Полупроводниковые диоды.

2.1 Понятие, конструкции p – n перехода диодов, маркировка диодов.

2.2 Выпрямительный диод

2.3 Высокочастотный диод

2.4 Импульсный диод

2.5 Стабилитрон

2.6 Стабистор

2.7 Варикап

2.8 Тунельный диод

3. Транзисторы

3.1 Типы транзисторов, классификация, маркировка транзисторов.

3.2. Биполярные транзисторы.

3.2.1. Устройство, конструкция, принцип действия биполярного

транзистора.

3.2.2. Схемы включения биполярного транзистора.

3.2.3 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

3.2.4 Динамические характеристики биполярного транзистора, включённого

по схеме с ОЭ.

3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

3.2.6 Эквивалентные схемы биполярного транзистора

3.2.7 Параметры биполярного транзистора.

3.2.8 Составной биполярный транзистор.

3.3 Полевой транзистор.

3.3.1 Понятие, элементы и типы полевых транзисторов.

3.3.2 Конструкции и принцип действия полевых транзисторов.

3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.

3.3.4 Вольтамперные характеристики полевых транзисторов.

Глава 1. Образование р-n перехода и его свойства

1.1. Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике

При оценке свойств любого вещества одним из основных понятий является его валентность. Она характеризуется числом свободных электронов на внешней орбите атома вещества. Основываясь на валентности, все вещества подразделяются на проводники, изоляторы и полупроводники. Вещества, обладающие свойствами проводника, имеют валентность меньше четырёх. Вещества, имеющие валентность более четырёх обладают свойством изолятора. Вещества с валентностью равной четырём называется полупроводниками.

Одним из главных свойств любого вещества является его удельное электрическое сопротивление, которое для проводника, полупроводника и изолятора соответственно лежит в следующих интервалах:

ρпров.=10-6 . . . 10-4 Ом·см.

ρn/n=10-4 . . . 1010 Ом·см.

ρизол.= 1010 . . . 1015 Ом·см.

Как видно, по величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают среднее положение между проводниками и изоляторами.

Для изготовления современных полупроводниковых приборов применяются кремний, германий, арсенид галлия и индий.

Электропроводящие свойства проводника определяются наличием в нём заряженных частиц, передвигающихся под действием электрического поля. В проводнике такими заряженными частицами являются электроны. Иногда проводимость, создаваемая электронами, называется электронной проводимостью.

В полупроводнике кроме электронной проводимости имеет место дырочная проводимость. При этом каждая из этих проводимостей может быть собственной и примесной (рис. 1.1)

Рассмотрим понятия электронной и дырочной проводимости. Электронная проводимость определяется движением электронов. Из-за отрицательного заряда электрона эта проводимость называется проводимостью типа–n от английского слова negative – отрицательный. Механизм создания дырочной проводимости состоит в следующем (рис. 1.2).

В некоторый момент времени t1 электрон под действием поля E, сходит с внешней орбиты атома и атом превращается в ион с положительным зарядом. В этом случае говорят, что появилась «дырка», (на рис. 1.2 заштриховано), имеющая положительный заряд, т. е. свободное место для электрона. Под действием электрического поля Е в момент времени t2 электрон сходит с внешней орбиты близлежащего атома и занимает место «дырки». Произошло как бы перемещение «дырки». В следующий момент времени t3 электрон с соседнего атома занимает место этой «дырки» и создаётся «дырка» в другом атоме. Перемещение «дырки» продолжается. Так как «дырка», как ион, имеет положительный заряд, то этот вид проводимости был назван проводимостью типа–p от английского слова positive – положительный.

Собственная и примесная проводимость.

Если полупроводник химически чистый (без примесей), то число свободных электронов равно числу дырок. В полупроводнике тогда имеет место и электронная и дырочная проводимость. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

Собственная проводимость не позволяет создать полупроводниковые приборы с нужными свойствами. Необходимо, чтобы в полупроводнике преобладала электронная или дырочная проводимость. Этого можно достичь, если в полупроводник ввести примесь. В качестве примесных материалов используются мышьяк, висмут, алюминий, галий, индий. В этом случае проводимость называется примесной. Примеси, вызывающие увеличение числа электронов, а значит создающие проводимость типа–n, называются донорными. Такими примесями являются мышьяк и висмут. Примеси, вызывающие увеличение числа «дырок», а значит создающие проводимость типа–p, называются акцепторными. Таким примесями являются алюминий, галий, индий.

Основные и не основные носители.

Те носители зарядов в полупроводнике с примесью, которых больше и которые определяют тип проводимости, называются основными носителями. Тогда носители противоположных зарядов, которых значительно меньше основных носителей, называются не основными носителями. Например, в полупроводнике типа–p основными носителями являются «дырки», а не основными электроны.

В полупроводнике, как отмечалось, периодически происходит объединение электронов и «дырок». Этот процесс называется рекомбинацией. В установившемся режиме, например, когда температура окружающей среды не измена, число генерированных носителей зарядов равно числу рекомбинированных, и концентрация носителей зарядов остаётся неизменной или равновесной. При изменении условий, например, той же температуры окружающей среды, это равновесие нарушается.

1.2. Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика

При соприкосновении (присоединении) двух полупроводников из одного материала (кремний или германий и т. д.), но с различной проводимостью, в месте их соединения появляется участок с особыми свойствами, который называетсяpn переходом. Итак, p–n переходом называется область, лежащая в зоне соединения двух полупроводников из одного материала, но имеющих разную проводимость. На рис. 2.1,а показана конструкция p–n перехода, типы проводимостей полупроводников и их основные носители зарядов.

Как говорилось выше, в полупроводнике типа–p высокая плотность положительно заряженных частиц, а в полупроводнике типа–n высокая плотность отрицательно заряженных частиц. При соединении этих полупроводников возникает диффузионный процесс заряженных частиц. В результате положительно заряженные частицы из полупроводника типа–p проникают в полупроводник типа–n, а отрицательные частицы из полупроводника типа–n проникают в полупроводник типа–p. В окрестности соединения полупроводников происходят рекомбинационные процессы, т. е. взаимная нейтрализация положительных и отрицательных частиц. В результате этого в этой зоне концентрация заряженных частиц становится очень низкой и по электрическим свойствам приближается к диэлектрику. На рис. 2.1,а этот участок заштрихован как диэлектрик и его принято называть запирающим слоем. Толщина запирающего слоя обозначается буквой d. Электрическое сопротивление запирающего слоя составляет около 200 Ом, а сопротивление полупроводников p и n–проводимостей составляет около 5 Ом.

Однако, не все заряженные частицы рекомбинируются. Часть из них проникает в тело полупроводника за границы запирающего слоя, скапливаются там и создают объёмный заряд. В результате по границам запирающего слоя создаются объёмные заряды в полупроводнике типа–p отрицательной полярности, а в полупроводнике типа–n положительной полярности и между ними возникает электрический потенциал, препятствующий (тормозящий) диффузионному процессу. В результате диффузионного процесса происходит нарастание объёмных зарядов, что приводит к увеличению разности потенциала между ними, а значит, к увеличению электрического поля, препятствующее диффузионному процессу. При определённом значении величин объёмных зарядов тормозящее электрическое поле становится на столько значительным, что заряженные частицы не могут преодолеть его, и диффузионный процесс останавливается. Разность между потенциалами объёмных зарядов принято называть потенциальным барьером и обозначать как Δφ. Величину потенциального барьера ещё называют контактной ЭДС и обозначают как Ек. Величина контактной ЭДС зависит от количества примесей в полупроводниках. Увеличение количества примесей увеличивает число основных носителей, а значит, увеличивает Ек. Обычно величина контактной ЭДС составляет десятые доли вольт и имеет значения:

Ек=0,3 . . . 0,7 В.

Необходимо отметить, что установившееся равновесие, отображающееся в ширине запирающего слоя и величине контактной ЭДС, носит режим динамического равновесия. Так, часть заряженных частиц, формирующих объёмный заряд, рекомбинируют, что приводит к снижению величины объёмного заряда, а значит к снижению потенциального барьера. Это снижает тормозящее действие поля, что создаёт условие для дополнительного проникновения заряженных частиц в объёмные заряды и восстановления их до прежнего уровня. Аналогичные динамические процессы имеют место и в запирающем слое.

В установившемся динамическом режиме p–n переход, как было рассмотрено, характеризуется наличием запирающего слоя с изоляционными свойствами и расположенными с обеих сторон от него объёмными зарядами с противоположными знаками. Это всё вместе свойственно и конденсатору (рис. 2.1,б), который состоит из двух пластин, между которыми находится изоляция, а на пластинах которого находятся заряды противоположной полярности. В связи с этим p–n переход характеризуется ещё определённой электрической ёмкостью, которую принято называть барьерной ёмкостью и обозначать Сб.

Итак, как следует из рассмотренного, pn переход характеризуется наличием запирающего слоя, потенциального барьера и барьерной ёмкости.

При лабораторных условиях эксплуатации приборов температура такова, что некоторое число основных носителей зарядов в каждой из областей обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера и перехода из одного полупроводника в другой. Образуются соответственно электронная (In диф) и дырочная (Ip диф) составляющие диффузионного тока. Электрическое поле, создающее потенциальный барьер для основных носителей, является ускоряющим для неосновных носителей, которые проходят через p–n переход и создают электронную (In др) и дырочную (Ip др) составляющие дрейфового тока. Диффузионный и дрейфовый токи имеют противоположные направления. В изолированном полупроводнике (без внешней цепи) результирующий ток должен равняться нулю, т. е. устанавливается динамическое равновесие токов, чему соответствует следующее уравнение:

In – In др + Ip – Ip др = 0 (1.1)

Вольтамперная характеристика.

Электрические свойства p-n перехода определяются полярностью приложенного напряжения. Различают прямое и обратное включение p-n перехода. Под прямым включением понимается такое, при котором положительный потенциал источника подключен к полупроводнику с положительной проводимостью (типа–p), а отрицательный потенциал источника подключен к полупроводнику с отрицательной проводимостью (типа–n). Изменение полярности подключения источника к p–n переходу приводит к обратному его включению. Рассмотрим электрические процессы в p–n переходе при прямом и обратном включении.

На рис. 2.2,а показано прямое включение p–n перехода.

Рассмотрим электрические процессы при изменении приложенного прямого напряжения Unp от нулевого до некоторого значения. Прямое напряжение направлено встречно контактному Э.Д.С. Ек.

Если Unp<Ek, то величина потенциального барьера уменьшается. Это приводит к переходу через p–n переход основных носителей, что вызывает ток через p–n переход и во внешней цепи. Следовательно, увеличивается число основных носителей, проникающих через p–n переход, т. е. возрастает диффузионный ток p–n перехода и прямой ток будет равен разности диффузионного тока и дрейфового тока

Inp = Iдиф – Iдр > 0

Во внешней цепи появляется ток малой величины (рис. 2.2,б; точка а). При уменьшении потенциального барьера уменьшается ширина запирающего слоя d и уменьшается его омическое сопротивление из-за увеличения в нём числа заряженных частиц.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к устранению потенциального барьера и вызывает заметное увеличение числа основных носителей заряда, проходящих через p–n переход, а значит, увеличивается ток во внешней цепи. Заполнение запирающего слоя основными носителями приводит к его исчезновению (рассасыванию). Теперь сопротивление p–n перехода определяется контактным сопротивлением двух полупроводников, которое равно около 0,5 Ом и омическим сопротивлением ПП (рис. 2.2,б; точка б). В этом случае сопротивление всей цепи определяется сопротивлением полупроводниковой области каждого из полупроводников и, с учётом контактного сопротивления, равно 5*2+0,5=10,5 Ом. Учитывая, что контактное сопротивление имеет малое значение, его величиной обычно пренебрегают.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения вызывает увеличение тока в цепи, значение которого определяется по закону Ома и зависит от величины Unp и величины омического сопротивления полупроводников (рис. 2.2,б; участок б–в). График представленный на рис. 2.2,б называется вольтамперной характеристикой pn перехода при прямом включении.

При обратном включенииp–n перехода (рис. 2.3,а) положительный потенциал источника подключается к полупроводнику с отрицательными основными носителями (проводимость типа–n), отрицательный потенциал источника подключается к полупроводнику с положительными основными носителями (проводимость типа–p). В этом случае направление контактной ЭДС (Ек) и приложенного обратного напряжения (Uобр) совпадают. Величина потенциального барьера в зоне контакта полупроводников равна сумме этих напряжений. Увеличение Uобр от нулевого значения вызывает увеличение числа не основных носителей, проходящих через p–n переход, что ведёт к некоторому увеличению обратного тока (рис. 2.3,б; участок о–а). Не останавливаясь на подробностях физических процессов, следует отметить, что при обратном напряжении увеличивается ширина запирающего слоя и его омическое сопротивление. На этом интервале большая часть не основных носителей (которых на много меньше числа основных носителей) участвует в создании обратного тока. Дальнейшее увеличение обратного напряжения незначительно увеличивает обратный ток (рис. 2.3,б; участок а–б). Последующее увеличение обратного напряжения вызывает внутреннюю электростатическую эмиссию (зенеровский пробой), т. е. срыв электронов с внешних орбит с последующей ударной ионизацией (лавинный пробой). В полупроводниках появляется большое число не основных носителей, что ведёт к возрастанию обратного тока. Следствием его может быть разогрев полупроводника и его тепловой пробой (тепловое разрушение).

На рис. 2.4 приведена вольтамперная характеристика p–n перехода при прямом и обратном напряжении. Из неё видно, что p–n переход при прямом напряжении имеет малое сопротивление. Это приводит к тому, что при малом прямом напряжении (доли и единицы вольт) через него протекает большой ток. При обратном напряжении сопротивление p–n перехода велико и при десятках вольт ток не превышает доли ампер. Это свойство pn перехода называется свойством однонаправленности – пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в обратном направлении, т. е. иметь малое сопротивление при одной полярности напряжения (прямое включение) и иметь высокое сопротивление при противоположной полярности напряжения (обратное включение).

Сравнивая электрические свойства p–n перехода кремния и германия (рис. 2.5) следует отметить, что при положительном напряжении ВАХ кремния более крутая чем у германия.

Обратный ток у кремния заметно меньше обратного тока германия. Эти свойства учитываются как при построении ПП приборов, так и при применении ППП одного типа, но выполненных из разных материалов.

1.3. Схема замещения, частотные и температурные свойства p–n перехода

Каждый полупроводниковый прибор (диоды, транзисторы) содержит хотя бы один p–n переход. При расчёте электрических цепей, содержащих полупроводниковый прибор, последний должен быть представлен в виде схемы замещения, которая отображает его свойства. Основой схемы замещения полупроводникового прибора является схема замещения p–n перехода (рис. 1.7).

В схеме замещения через rp и rn обозначены сопротивления участков полупроводников до p–n перехода соответственно для полупроводников с проводимостью типа–p и типа–n. Через rд обозначается сопротивление p–n перехода, величина которого зависит от полярности приложенного напряжения, как было рассмотрено выше. Через Сб обозначается барьерная ёмкость p–n перехода.

Наличие барьерной ёмкости в p–n переходе влияет на его частотные свойства. При работе полупроводникового прибора к его p–n переходам прикладывается переменное напряжение с определенной частотой. Как известно, сопротивление конденсатора определяется по формуле:

,

где

На низких частотах при обратном напряжении rд << xc и сопротивление параллельно соединенных rд и Cб определяется сопротивлением rд (т. к. сопротивление xc → ∞). Этому случаю соответствует ВАХ p–n перехода на рис. 1.8 при f1. В этом случае p – n переход сохраняет свои однонаправленные свойства.

При увеличении частоты сигнала сопротивление барьерной емкости уменьшается, что ведет к возникновению обратного тока через нее. В результате полный обратный ток между выводами схемы замещения p–n перехода будет равен сумме токов через rд и Cб. Это ведет к увеличению обратного тока. Дальнейшее увеличение частоты ведет к еще большому увеличению обратного тока, что приводит к ухудшению однонаправленных свойств p–n перехода. В связи с этим для каждого полупроводникового прибора указывается максимально допустимая частота, при которой, входящие в него p–n переходы не теряют однонаправленные свойства, т. е. обратный ток не превышает допустимого значения.

Прямой ток, т. е. ток при прямом включении p–n перехода, практически не изменяется при увеличении частоты, так как сопротивление rд при прямом включении на много меньше сопротивления барьерной емкости.

Свойства p–n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды, а значит и температуры p–n перехода. При увеличении температуры возрастает генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается число основных носителей зарядов. Это приводит к увеличению прямого тока при неизменной величине прямого напряжения. Очевидно, что с увеличением температуры увеличивается число и не основных носителей заряда, что заметно увеличивает обратный ток p–n перехода (рис. 1.9).

Увеличение обратного тока ухудшает однопроводные свойства p–n перехода. В этом состоит основное отрицательное влияние повышения температуры на свойства p–n перехода.

Для различных полупроводниковых материалов различны пределы температуры нагрева, которые определяются допустимым значением обратного тока. Для германия он составляет +(80÷100)˚C, а для кремния +(150÷200)˚C. Видно, что кремний более стабилен к нагреву.

Максимально допустимое минусовое воздействие температуры определяется теоретически энергией ионизации донорных и акцепторных примесей и достигает -200˚C. Практически, исходя из реальных климатических условий, предельное значение отрицательной температуры для германия и кремния берется в пределах –(60÷70)˚C.