Полупроводники и переходы

1.

ЭЛЕКТРОНИКА:
краткий курс лекций
ПОЛУПРОВОДНИКИ И
ПЕРЕХОДЫ
Автор курса лекций:
Удинцев Владимир Николаевич, канд. техн. наук, доцент кафедры
ЭЭТС УГТУ-УПИ
Екатеринбург
2019

2.

Основные термины
Проводник (металл) – вещество без
запрещенной зоны энергетических состояний
электронов.
Полупроводник – вещество с шириной
запрещенной зоны энергетических состояний
электронов от 0,1 до 3 эВ (электрон-вольт).
Диэлектрик – вещество с шириной
запрещенной зоны энергетических состояний
электронов свыше 3 эВ (электрон-вольт).
2

3.

Основные термины
Собственные
полупроводники
или
полупроводники i-типа – полупроводники, в которых почти
нет примесей.
Примесные (легированные) полупроводники
–
полупроводники, в которые для придания им необходимых свойств
электропроводности введены другие вещества (примеси). Если в
полупроводник IV группы таблицы Менделеева ввести в качестве
примеси элемент V группы, то получим донорный полупроводник
(или полупроводник n-типа с электронным типом проводимости).
Если в качестве примеси ввести элемент III группы, то получим
акцепторный полупроводник (или полупроводник р-типа с
дырочным типом проводимости).
Дырка – квазичастица или способ описания коллективного
движения большого числа электронов в не полностью заполненной
валентной зоне.
3

4.

Зонная энергетическая
диаграмма полупроводника
Dw
4

5.

Электропроводность
полупроводников
Проводимость кристаллов полупроводников сильно зависит от
дефектов кристаллической решетки, присутствия атомов примеси и
подвержена сильному влиянию внешних факторов: температуры,
электрических и магнитных полей, освещения, ионизирующих
излучений, давления и т.п. Это используется для создания
различных полупроводниковых приборов, например, датчиков
температуры, излучения, давления и т.п.
Проводимость, обусловленная движением одинакового числа
электронов и дырок, образующихся в результате перехода
электронов из валентной зоны в зону проводимости, называется
собственной.
Проводимость, обусловленная перемещением электронов в зоне
проводимости называется электронной (n-) проводимостью.
Проводимость, обусловленная перемещением электронов
в
валентной зоне называется дырочной (р-) проводимостью.
Проводимость, обусловленная наличием в кристалле примесей
называется примесной проводимостью (может быть n- и p-типа).
5

6.

Легированные
полупроводники
Дополнительные энергетические уровни
уменьшают ширину запрещенной зоны и
смещают уровень энергии Ферми вверх.
При этом, в зависимости от внесенной
примеси,
могут
быть
образованы
ближние энергетические уровни, образующие с зоной проводимости одну
непрерывную зону, и дальние энергетические уровни или «уровни ловушки», отстоящие от дна зоны проводимости на значительное расстояние.
Ближние уровни уменьшают энергию активации и позволяют увеличить число
«свободных» электронов в зоне проводимости, дальние уровни перехватывают
электроны, переходящие в зону проводимости и уменьшают их концентрацию.
6

7.

Энергия Ферми
В полупроводнике
энергия
Ферми – это
средняя
энергия
электрона в
системе или
энергия
квантового
состояния,
вероятность
заполнения
которого
равна 1/2
7

8.

Электропроводность
полупроводников
Под действием внешнего электрического поля
происходит
перемещение всей совокупности свободных электронов с некоторой
средней скоростью – “дрейф” электронов. Плотность возникающего
тока:
др
J qnV
здесь q – заряд электрона (1,6∙10-19 Кл); n – их число.
Скорость дрейфа электронов Vдр= μnE линейно зависит от
напряженности внешнего электрического поля Е, поэтому:
E
J n qnμ n E σ n E
ρn
где μn- подвижность электронов;
см 2
μn
Е (В×с)
σ n qnμ n- удельная проводимость.
Vдр
8

9.

Электропроводность
полупроводников
В области больших напряженностей (E > 103 В/см)
электрических полей (сильных
полях) скорость дрейфа электронов Vдр= μnE уже нелинейно
зависит от напряженности электрического поля Е и ограничивается на уровне 105 - 106 м/с.
При
напряженности
электрического поля E > 105 В/см
происходит ударная ионизация
полупроводника и проводимость
его резко возрастает.
9

10.

Электропроводность
полупроводников
Для расчета плотности тока при E > 105 В/см вводится коэффициент
ударной ионизации α , который характеризует число электроннодырочных пар, образуемых одной парой электрон-дырка на единицу
пути их движения:
αE
J n αqnμ n E ασ n E
ρn
1.49 10
Si ( E ) 7.94 105 exp
E
6
Для оценки числа свободных носителей заряда вводят понятия
темпа тепловой генерации носителей Gn, темпа рекомбинации Rn,
темпа генерации-рекомбинации RG и времени жизни неосновных
n n0
носителей τn
.
RG R G
n
n
τn
Время жизни неосновных носителей это среднее
существования избыточных носителей в зоне проводимости.
время
10

11.

Электропроводность
полупроводников
При больших уровнях легирования полупроводник приближается к металлу и ширина запрещенной зоны уменьшается
пропорционально росту концентрации примеси. Это приводит к
изменению плотностей тока за счет возникновения ряда новых
эффектов и не дает возможности их увеличения.
Электронно-дырочное рассеяние – под действием сил
притяжения дрейфовый ток дырок тормозится дрейфовым током электронов и подвижность носителей уменьшается.
(происходит рассеяние движущихся электронов на дырках под
действием кулоновских сил). Это уменьшает проводимость.
Межзонная ударная рекомбинация (Оже – рекомбинация)
– столкновение двух электронов и одной дырки. При этом
происходит рекомбинация пары и переход лишнего электрона
на более высокий уровень энергии в соответствующей зоне.
Излишняя энергия при этом передается кристаллической
решетке. Это вызывает повышенный нагрев кристалла.
11

12.

Полупроводниковые
приборы
В
основе
всех
полупроводниковых
приборов лежит электрический переход
– структура, содержащая переходный
слой между двумя областями полупроводника с различной электропроводностью или разными значениями электропроводности (удельной электрической
проводимости).
12

13.

Виды электрических
переходов
Различают:
Электронно-дырочные или p-n переходы –
контакт двух полупроводников одного вида с различным
типом электропроводности (например, p-Ge – n-Gе);
гетеропереходы
если различные полупроводники
имеют различный тип электропроводности (например, pGe – n-GaAs);
гомопереходы или изотипные переходы если
полупроводники имеют один тип электропроводности, но
различные
значения
удельной
электрической
проводимости (например, p-Ge – р+-Gе);
переходы Шоттки или переходы металл –
полупроводник.
По конструкции переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными,
плоскостными и точечными, но общим их свойством является несимметричная ВАХ при
котором сопротивление в одном направлении тока мало, а при другом велико.
13

14.

Электронно-дырочный
переход
Если взять два полупроводника различного типа проводимости и
соединить их друг с другом, то получим n-p переход (электроннодырочный переход). В результате диффузии электронов в р –область
и дырок в n – область под действием градиента их концентрации
возникнут диффузионные токи:
n
I n qDn
qDn grad(n)
x
p
I p qD p
qD p grad( p )
x
При
этом
в
n-области
остаются
нескомпенсированные
положительные ионы доноров и возникает положительный
объемный заряд величиной Q .
14

15.

Электронно-дырочный
переход
Электроны, переходящие в р-область рекомбинируют с дырками,
что приводит к образованию нескомпенсированного отрицательного
заряда ионов-акцепторов Q = qN A . В результате возникает область
пространственного заряда (ОПЗ), в которой концентрация
свободных электронов и дырок понижена по сравнению с остальными областями кристалла. Удельное сопротивление ОПЗ значительно выше, чем соседних областей, поэтому ее называют
запирающим слоем.
15

16.

Электронно-дырочный
переход
ВАХ p-n перехода имеет резко
несимметричный вид. Прямой ток
перехода определяется инжекцией
неосновных носителей в ОПЗ и
является диффузионным. Обратный
ток также обусловлен неосновными
носителями,
но,
поскольку
диффузия затруднена большим
потенциальным барьером в ОПЗ, он
является дрейфовым. Обратный ток
не зависит от напряжения, прямой
ток пропорционален приложенному
напряжению. При больших обратных
напряжениях
возникает
электрическая генерация носителей
в ОПЗ и сопротивление перехода
резко
падает:
наступает
электрический пробой.
16

17.

Емкости p-n перехода
Любая система, в которой при изменении ее потенциала
изменяется заряд, обладает емкостью. Пространственные
заряды в ОПЗ создают емкостные токи, что отражается на
частотных свойствах перехода.
Барьерная емкость возникает при обратном смещении
перехода (~10÷100 пФ):
q N
дQ
Cбарьерная
дU
S
r 0
D
2(U конт U )
Диффузионная емкость возникает при прямом смещении
и прямо пропорциональна току через переход (~1÷10 мкФ):
J p
J p J p
дQ
Cдифф
kT
дU U конт
T
q
17

18.

Практические приложения
свойств p-n перехода
Резко несимметричный вид вольтамперной характеристики перехода
широко используется при обработке и
преобразовании сигналов.
Прямая ветвь ВАХ – для выпрямления
переменного тока, детектирования модулированных сигналов, возведения в
квадрат, ограничения амплитуды и т.п.
Обратная ветвь ВАХ – для стабилизации уровня постоянного напряжения,
ограничения амплитуды переменных и
импульсных напряжений и т.п. Если
диод используется только для стабилизации напряжения на нагрузке, то такие
полупроводниковые приборы носят
название стабилитронов.
18

19.

Практические приложения
свойств p-n перехода
Барьерная емкость перехода
используется при создании
управляемых
напряжением
конденсаторов – варикапов.
При обратном напряжении она
подчиняется формуле:
Cбарьерная
Сбарьерная(U 0)
1 U
U конт
19

20.

Практические приложения
свойств p-n перехода
При облучении полупроводника от внешнего источника энергии в ОПЗ возникают неравновесные носители заряда (происходит фотогенерация неосновных носителей заряда). Изменение
концентрации носителей вызывает изменение
распределения (баланса) токов через переход.
На выводах фотодиода появляется фотоЭДС и
(или) фототок. Фототок пропорционален величине освещенности Ф, не зависит от полярности и величины приложенного напряжения и
направлен от n к р-области перехода. Однако
спектр излучения (длина волны) существенно
влияет на величину фото-эффекта (фототока).
При включении фотодиода в обратном направлении облучение приводит к значительному
изменению его внутреннего сопротивления, что
используется для регистрации облучения.
20

21.

Практические приложения
свойств p-n перехода
Германий
Кремний
Темновой обратный
ток
Спектральная чувствительность
Вольтамперные характеристики
21

22.

Переходы Шоттки
Внешнее напряжение изменяет величину
электрического поля и высоту потенциального барьера в ОПЗ полупроводника. При
прямом смещении они уменьшаются и
уменьшается ширина ОПЗ, при обратном –
увеличиваются.
При прямом смещении ток направлен из
полупроводника в металл, при обратном –
из металла в полупроводник.
Вольт-амперная
характеристика
имеет
резко несимметричный вид и описывается
уравнением:
βU
I I0 e
где I 0
1
qnsV0.
4
1
22

23.

Переходы Шоттки
ВАХ перехода Шоттки резко
асимметрична, в области
прямых смещений ток экспоненциально нарастает, в
области обратных напряжений ток почти не зависит от
напряжения. В обоих случаях ток обусловлен основными носителями заряда,
что повышает быстродействие диодов Шоттки.
23

24.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Слово "транзистор" происходит от англ. transfer resistоr –
transistor – преобразователь сопротивлений. В биполярных
транзисторах ток определяется движением носителей
заряда двух типов: электронов и дырок (отсюда их
название: биполярные транзисторы). С помощью
трехслойной полупроводниковой структуры с различной
электропроводностью
создаются
два
р-n-перехода.
Возможны две такие структуры: р-n-р и n-р-n.
24

25.

ТОКИ В БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРАХ
25

26.

ПАРАМЕТРЫ БИПОЛЯРНЫХ
ТРАНЗИСТОРОВ
Связь между приращениями эмиттерного и коллекторного токов
характеризуется коэффициентом передачи тока:
коэффициент передачи тока α всегда меньше единицы. Для
современных биполярных транзисторов он равен 0,99 – 0,995.
При I 0 ток коллектора транзистора
к
Коэффициент передачи тока эмиттера определяется как N
где
I пэ
| U кб
Iэ
– коэффициент инжекции, опре const
деляющий долю электронной
составляющей в токе эмиттера
– коэффициент переноса (экстракции),
определяющий, какая часть инжектированных из эмиттера
26
электронов доходит до коллектора.
I пэ
const
| U кб
I пэ I рэ
I пк
| U кб
I пэ
соnst

27.

Схема включения биполярного
транзистора с общей базой,
эмиттерная цепь – входная, а
коллекторная — выходная.
Ki = IК/IЭ = α; KU = U2/U1 >>1;
KP = P2/P1 >>1.
Схема включения биполярного
транзистора с общим эмиттером, базовая цепь – входная, а
коллекторная — выходная.
Ki = IК/IБ= β >>1; KU = U2/U1 >>1;
KP = P2/P1 >>1.
Схема включения биполярного
транзистора с общим коллектором, базовая цепь – входная, а
эмиттерная — выходная.
Ki = I2/I1 >>1; KU = U2/U1 ~1;
KP = P2/P1 >>1.
27

28.

Вольт-амперные характеристики
биполярных транзисторов
Зависимость между током и напряжением во входной цепи
транзистора называется входной (или базовой характеристикой в
схеме ОЭ).
Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и
эмиттером при фиксированных значениях тока базы называется
семейством выходных (коллекторных) характеристик транзистора.
28

29.

Контрольные вопросы
Что такое основные и неосновные носители?
Что такое собственная концентрация носителей?
Что такое дрейфовые составляющие токов? Запишите формулы
для их определения.
Какое состояние носителей заряда называется неравновесным?
Каковы основные механизмы генерации носителей зарядов в
полупроводниках?
Каковы основные механизмы рекомбинации носителей зарядов в
полупроводниках?
Что такое время жизни неосновных носителей и диффузионная
длина неосновных носителей? Как они связаны друг с другом?
29

30.

Информационное обеспечение
лекции
Список литературы
Аваев Н.А. Основы микроэлектроники: Учеб. пособие для
вузов //Н.А. Аваев, Ю.Н. Наумов, В.Т. Фролкин. – М.: Радио и
связь, 2017. – 228 с.:ил.
Гуртов В.А. Твердотельная электроника : Учеб. пособие
–
2-е изд., доп. – М.:Техносфера, 2017. – 408 с.
Пасынков В.В. Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов
// В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. – 6-е изд., стер. – СПб. : Лань,
2012. – 480 с.
Ю П. Основы физики полупроводников //П. Ю, М. Кардона.
Пер. с англ. И.И. Решиной. Под ред. Б.П. Захарчени. 3-е изд. –
М.: Физматлит, 2002. – 560 с.
30

31.

Конец фильма
Спасибо за внимание!