- •Физические основы микроэлектроники
- •1. Современное состояние электроники 2
- •1.Современное состояние электроники
- •1.1Модели структур полупроводников
- •1.1.1Модель ковалентной связи
- •1.1.2Модель энергетических зон
- •1.2Собственные и примесные полупроводники
- •1.2.1Собственные полупроводники
- •1.2.2Примесные полупроводники
- •1.3Равновесное состояние р-пперехода
- •1.4Прямо и обратно смещенный p-n – переход
- •1.4.1Явление пробоя
- •1.5Биполярные транзисторы
- •1.6Тиристоры
- •1.7Полевые (униполярные) транзисторы
- •1.7.1Полевой транзистор с управляющим р-п переходом
- •1.7.2Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •1.8Фотоэлементы. Оптроны
- •1.9Интегральные схемы
- •1.9.1Особенности интегральных схем как нового типа электронных приборов.
- •Используемая литература
1.3Равновесное состояние р-пперехода
Пусть имеется образец монокристалла, изготовленного таким образом, что относительная доля примесных атомов составляет 10 -11. При этом можно считать, что данный кристалл является собственным полупроводником. Из монокристалла вырезается тонкая пластина, в которую внедряются донорная или акцепторная примесь. Для этого можно использовать, например, управляемый процесс диффузии или вырастить на поверхности эпитаксиальный слой. В результате образуется p-n переход.
Примесный полупроводник, используемый для создания p-n перехода кремния, должен содержать незначительную долю примесных атомов, например один примесный атом на сто миллионов атомов чистого вещества. Это нужно для того, чтобы носители, пересекающие p-n переход, не испытывали рекомбинации. Переходы мощных дискретных приборов имеют квадратную форму со стороной примерно 3 мм; толщина переходов ИС не превышает 0,01 мм
В полупроводнике с областями р- и n-типов, образующими переход, можно выделить следующие пространственные области: металлургический переход (контакт) (воображаемая плоскость, разделяющая р и n области), область перехода, или область пространственного заряда, или обедненная область (располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10-6 до 10-4 см в зависимости от технологии производства), нейтральные области (р и n области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников р и n типов, и, наконец, омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области. Основные носители n области диффундируют в р область и рекомбинируют с дырками в р области, вследствие чего и возникает в отрицательный пространственный заряд слева (на рис. 1.5) от металлургического перехода. Аналогичным образом справа от металлургического перехода образуется положительный заряд при диффузии основных носителей р области в n область.
Возникающее в условиях термодинамического равновесия напряжение в обедненных областях и ведет к прекращению диффузионного тока.
1.4Прямо и обратно смещенный p-n – переход
На рис. 1.6 представлено изменение p-n – перехода при увеличении подаваемого напряжения к p области плюс и к n области минус источника напряжения. При величине подаваемого напряжения меньше порогового значения ток через p-n переход (диод) не проходит. При величине подаваемого напряжения больше порогового обедненные области p-n перехода исчезают. Начинается движение электронов и дырок навстречу друг другу и на границе металлургического перехода они уничтожают друг друга. Этот процесс называется аннигиляцией. Пополнение электронов и дырок происходит от источника подаваемого напряжения. Таким образом, ток через p-n-переход образован двумя типами частиц – электронами и дырками. Отсюда происходит слово биполярный.
1.4.1Явление пробоя
П ри смене полярности подаваемого напряжения и последующего его увеличения вначале ток через диод возрастает незначительно до тех пор, пока напряжение не достигнет так называемого напряжения пробоя Uпрб. После этого ток I через диод возрастает скачкообразно (рис. 1.7). Известны следующие механизмы пробоя: а) тепловая нестабильность; б) туннельный Эффект, или явление Зенера; в) лавинный пробой. На практике встречаются и смешанные случаи, так как любой из перечисленных механизмов не исключает других.
Если электрическое поле, возникающее в обедненной области достаточно велико, то электроны и дырки, пересекающие эту область, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решетки. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно-дырочных пар; возникающий ток складывается с током диода. В свою очередь, электронно-дырочные пары ускоряются электрическим полем и могут порождать новые пары на протяжении всего своего пути в данной области. Описанный механизм обладает кумулятивными свойствами, за счет чего происходит аномальный рост тока при небольшом приращении напряжения.
В отличии от напряжения туннельного пробоя напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент, т. е. увеличивается с ростом температуры. Оба механизма пробоя могут вносить одинаковый вклад. Тогда напряжение пробоя почти не будут зависеть от температуры. Диоды с такими свойствами используются для создания опорных напряжений.