Лекция 7. Полупроводники продолжение

Медицинская электроника
Полупроводники. Зонная теория полупроводников.
Электронно-дырочный переход. Основное уравнение диода.
Пробой р-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

Зонная диаграмма полупроводника n-типа
Зонная диаграмма полупроводника р-типа
Металл
Полупроводник
Диэлектрик

Электронно-дырочный переход
При отсутствии напряжения на краях полупроводника в месте перехода существует собственное поле Е’, зона перехода обеднена носителями заряда и имеет большое сопротивление
p
n
p
n
Е’
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
-
Запирающий слой
При сплаве двух полупроводников разного типа на их границе возникает электронно-дырочный переход (p-n – переход)
p-n-переход, или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Электрические процессы в p-n-переходах являются основой работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других электронных полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

При подключении к краям полупроводника напряжения таким образом (прямое подключение), через зону перехода течет ток, она сужается и ее сопротивление резко падает. Через полупроводник идет большой ток.
p
n
+
-
I
p
n
+
-
Электронно-дырочный переход
При обратном включении внешнее поле усиливает поле запирающего слоя, запирающий слой увеличивается в размерах. Через полупроводник ток почти не идет.

Пространственный заряд — распределённый нескомпенсированный электрический заряд одного знака. Пространственные заряды возникают в вакуумных и газоразрядных лампах в пространстве между электродами, а также в неоднородных областях полупроводниковых приборов, и сильно влияют на прохождение тока через эти области, приводя к нелинейным вольт-амперным характеристикам таких приборов.
Области пространственного заряда (ОПЗ)
В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, области вблизи границы p-n перехода приобретают пространственный заряд. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получает дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками (точнее, уносимый электронами отрицательный заряд). Таким образом, на границе раздела образуются два слоя пространственного заряда противоположного знака.
Слои пространственного заряда порождают в переходе Электрическое поле, это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и изменение объемных зарядов прекращается.

p – n переход – это металлургическая граница двух типов легирования одного кристалла. Термин «металлургическая» означает, что получена граница высокотемпературными способами, а также то, что физической границы в кристалле между двуми по-разному легированными областями нет, кристалл структурно однороден.

Состояние равновесия;
При приложенном прямом напряжении;
При приложенном обратном напряжении.
Энергетическая диаграмма p-n-перехода.

p-n переходы
прямое смещение
JnD – диффузионная
компонента
электронного тока
JnD – диффузионная
компонента
дырочного тока
Jрек – рекомбинационный ток

JnE – дрейфовая
компонента
электронного тока
JpE – дрейфовая
компонента
дырочного тока
Jген – генерационный ток
p-n переходы
обратное смещение

Структура p-n перехода
Дырки диффундируют из слоя р в слой n (их концентрация в слое р значительно выше, чем в слое n).
Электроны диффундируют из слоя n в слой p (их концентрация в слое n значительно выше, чем в слое p).
В приграничных областях слоёв p и n возникает слой, обеднённый подвижными носителями заряда. Возникает электрическое поле с напряжённостью Е. Это поле препятствует переходу дырок из слоя р в слой n и переходу электронов из слоя n в слой р. Зато помогает переходу дырок из слоя n в слой р и переходу электронов из слоя р в слой n (возникает дрейфовый ток). В установившемся режиме дрейфовый ток равен диффузионному току.
Возникает потенциальный барьер.
Для кремния ϕ ≈ 0,75 В.
Для германия ϕ ≈ 0,2 В.

Симметричный р-n переход
Несимметричный р-n переход
Различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n-типа nn и концентрация дырок в полупроводнике p-типа pp равны, т.е. nn=pn. Другими словами, концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного p-n-перехода равны. На практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация, например, электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации дырок в полупроводнике p-типа, т.е. nn>pp, при этом различие в концентрациях может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например n-область в случае nn>pp), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода nn>pp), - базой. Для случая когда концентрации электронов в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа, т.е. pp>nn, эмиттером будет p-область, а базой n-область.

Возникает потенциальный барьер.
Для кремния ϕ ≈ 0,75 В.
Для германия ϕ ≈ 0,2 В.

р-n переход под внешним напряжением
Невыпрямляющий (омический) контакт используется практически во всех полупроводниковых приборах для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей; для него характерны близкая к линейной ВАХ и малое сопротивление. Для получения омического контакта межу металлом и полупроводником n- типа проводимости разность работ выхода jмп<0 (т. е. работа выхода электронов из металла, jм, должна быть меньше работы выхода из полупроводника, jп), а между металлом и полупроводником p-типа проводимости разность работ выхода jмп>0 (т. е. jм>jп ).

Прямое включение

Обратное включение

Медицинская электроника
Полупроводники. Зонная теория полупроводников.
Электронно-дырочный переход. Основное уравнение диода.
Пробой р-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

Для идеального р-n перехода
при температуре 20°С (эта температура называется комнатной в отечественной литературе) ϕТ = 0,025 В, при температуре 27°С (эта температура называется комнатной в зарубежной литературе) ϕТ = 0,026 В,
is - ток насыщения (тепловой ток), индекс s от английского saturation current, для кремниевых р-n переходов обычно
is = 10-15…10-13 А;
k - постоянная Больцмана,
Т - абсолютная температура, К
q - элементарный заряд, q = 1,6⋅10-19 Кл.

ВАХ p-n перехода имеет вид:
Плотность тока насыщения Js равна:

Полезно отметить, что, как следует из приведённого выражения, чем меньше ток is, тем больше напряжение u при заданном прямом токе.
У кремния ток is меньше, чем у германия.

Медицинская электроника
Полупроводники. Зонная теория полупроводников.
Электронно-дырочный переход. Основное уравнение диода.
Пробой р-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

Пробой p-n перехода
Пробой это резкое изменение режима работы перехода находящегося под обратным напряжением. Резко уменьшается дифференциальное сопротивление.

В основе пробоя лежат три физических явления
1. туннельный эффект;
2. лавинный пробой;
3. тепловой пробой.
Туннельный пробой – электрический пробой
Лавинный пробой – тоже электрический пробой.
Тепловой пробой – пробой, разрушающий переход.

Туннельный пробой
Лавинный пробой
После электрического пробоя p-n переход не изменяет своих свойств.
Тепловой пробой
Тепловой пробой носит деструктивный характер!

Туннельный пробой (эффект Зенера )
Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем.
Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области.

Лавиинный пробой — электрический пробой в диэлектриках и полупроводниках, обусловленный тем, что, разгоняясь в сильном электрическом поле на расстоянии свободного пробега, носители заряда могут приобретать кинетическую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов или молекул материала при соударениях с ними.
В результате каждого такого столкновения с достаточной для ионизации энергией возникает пара противоположно заряженных частиц, одна или обе из которых также начинают разгоняться электрическим полем и могут далее участвовать в ударной ионизации. При этом нарастание числа участвующих в ударной ионизации носителей заряда происходит лавинообразно, отсюда произошло название пробоя.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, когда отводимое от перехода в единицу времени тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока, в результате чего происходит интенсивная генерация пар носителей заряда. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.
Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.
Виды пробоя p-n-перехода:
1 – лавинный;
2 – туннельный;
3 – тепловой

Медицинская электроника
Полупроводники. Зонная теория полупроводников.
Электронно-дырочный переход. Основное уравнение диода.
Пробой р-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами.
Полупроводниковые диоды изготавливаются из кристаллов кремния или германия.
При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Обозначения полупроводниковых приборов на принципиальных электрических схемах
УЭ
А
+
К
-
А
+
К
-
«А» - Анод
«К» - Катод
«УЭ» - Управляющий Электрод
Диод Тиристор

В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и ВАХ различают: а) общее обозначение, б) симметричный, в) туннельный, г) обращённый, д) диод Шоттки; е, ж) стабилитроны; з) варикап; и) термодиод; к) выпрямительный столбик; л, м) диодные сборки; н, о) выпрямительный мост.
Условные обозначения

P N
P N
P N
А
К
А
К
УЭ

Односторонняя проводимость
p-n - перехода
Как видно, p-n – переход проводит ток только в одном – прямом направлении.
Это свойство перехода лежит в основе полупроводниковых диодов – устройств, проводящих ток только в одном направлении.
I
U
Вольт-амерная характеристика
полупроводникового диода

Типичная вольт-амперная характеристика кремниевого диода

Полупроводниковый диод
Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами.

Барьер Шоттки
Рассмотрим контакт металл–полупроводник (на примере контакта Au-Si n-типа) при условии
Зонная диаграмма при различных значениях напряжения VG на затворе:
а) VG = 0;
б) VG > 0, прямое смещение;
в) VG < 0, обратное смещение

Барьер Шоттки
Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки
В условиях равновесия VG = 0 ток из полупроводника в металл уравновешивается током из металла в полупроводник . При приложении напряжения этот баланс нарушается и общий ток будет равен сумме этих токов.
;

Диод Шоттки
Диод Шоттки— полупроводниковый диод с малым падением напряжения при прямом включении.
Диоды на основе барьера Шоттки являются быстродействующими приборами, так как в них отсутствуют рекомбинационные и диффузионные процессы. Это свойство используется в интегральных микросхемах, где диодами Шоттки шунтируются переходы транзисторов логических элементов. В силовой электронике малое время восстановления позволяет строить выпрямители на частоты в сотни кГц и выше.
Выпрямляющий эффект границы Ме-полупроводник был обнаружен ещё в 19 веке, практически использован в начале 20 (купроксные и селеновые диодные приборы массово выпускались до 60-х годов), точечные контактные диоды – детекторы – и сейчас используются. Сейчас важны два типа контакта Ме-полупроводник:
выпрямляющие (диоды с барьером Шоттки);
омические (т.е. подчиненные закону Ома) – не выпрямляющие – необходимые для контакта полупроводниковые приборы с проводами (коммутацией), подвода и отвода управляемых токов и напряжений;
Если вероятность заполнения некоторого энергетического уровня в полупроводнике меньше, чем в металле, то при соприкосновении (контакте) часть электронов Ме перейдет в полупроводник. Это характерно для полупроводника «р». В результате в полупроводнике у границы число дырок уменьшится, обнажатся заряженные ионы «А-» и возникшее на контакте поле притормозит следующие электроны. Это похоже на поле в n-p переходе, но возникший потенциал поменьше, заряженный слой тоньше.

Выпрямительные диоды
Основа – электронно-дырочный переход
ВАХ имеет ярко выраженную нелинейность

Выпрямительные диоды
Выпрямление в диоде происходит при больших амплитудных значениях
Uвх >0,1 В |Vg|>> kT/q
Учтем, что величина β-1 при комнатной температуре составляет β-1 = 0,025 В.

Характеристическое сопротивление
Дифференциальное сопротивление:
Сопротивление по постоянному току:
На прямом участке ВАХ сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление RD > rD, а на обратном участке – меньше RD < rD.
Вблизи нулевого значения VG << kT/q

Эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот
rоб – омическое сопротивление базы диода
rд – дифференциальное сопротивление
Сд – диффузионная ёмкость
Сб – барьерная ёмкость

Варикап
Варикап – это полупроводниковый диод реализующий зависимость барьерной емкости от напряжения обратного смещения.
Максимальное значение емкости варикап имеет при VG=0
Емкость варикапа определяется
шириной обедненной зоны.
В случае однородного
легирования

Стабилитрон
Стабилитроном называется полупроводниковый диод, вольт-амперная характеристика которого имеет область резкой зависимости тока от напряжения на обратном участке вольт-амперной характеристики.
Основное назначение – стабилизация напряжения на нагрузке при изменяющимся напряжении во внешней цепи
При U
Стабилитрон также называют
опорным диодом
Два механизма:
лавинный пробой;
туннельный пробой

Туннельный диод
Туннельным диодом называют полупроводниковый диод на основе p+‑n+ перехода с сильнолегированными областями, на прямом участке вольт-амперной характеристики которого наблюдается N‑образная зависимость тока от напряжения.

Туннельный диод
Один из методов применения туннельного диода: в качестве активного нелинейного элемента в схемах генераторов колебаний.

Обращённый диод
Обращенный диод – это туннельный диод без участка с ОДС. Высокая нелинейность ВАХ при малых напряжениях вблизи нуля позволяет использовать этот диод для детектирования слабых сигналов в СВЧ‑диапазоне.
ВАХ такого диода при обратном
смещении такая же, как и у туннельного.

Ёмкость p-n перехода
Барьерная ёмкость

Барьерная ёмкость вредно влияет на выпрямление переменного тока (особенно на высоких частотах), так как шунтирует диод.

Диффузионная ёмкость

Ёмкость называют диффузионной, так как рассматриваемый заряд Q лежит в основе диффузии носителей в базе. СДИФ удобно и принято описывать не как функцию напряжения U, а как функцию тока перехода.

τ - среднее время пролёта (для тонкой базы), или время жизни (для толстой базы).
Среднее время пролёта – это время, за которое инжектируемые носители заряда проходят базу. Время жизни – это время от инжекции носителя заряда в базу до рекомбинации.

Диффузионная ёмкость значительно больше барьерной, но использовать её не удаётся, так как она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Общая ёмкость p-n перехода
При обратном смещении перехода (U<0) диффузионная ёмкость практически равна нулю. При прямом смещении обычно

Температурные свойства
У германиевых p-n-переходов обратный ток увеличивается в 2 раза на каждые 10° С. Это можно выразить формулой
Например, если температура перехода возросла с 20° С до 70° С, то обратный ток возрастёт в 25, т.е. в 32 раза.
Кроме того у германиевых переходов снижается напряжение электрического пробоя.

У кремниевых p-n-переходов напряжение электрического пробоя при повышении температуры сначала несколько возрастает, а затем уменьшается.

С повышением температуры как у германиевых, так и у кремниевых p-n-переходов несколько возрастает барьерная ёмкость.
Автор Останин Б.П.
Конец слайда
p-n переход Слайд 27. Всего 27

Электронно-дырочный переход. Транзистор
Полупроводниковые приборы не с одним, а с двумя n–p-переходами называются транзисторами.
Транзисторы бывают двух типов: p–n–p-транзисторы и n–p–n-транзисторы.

Электронно-дырочный переход. Транзистор
Небольшая пластинка из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n-типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью.
Основная пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n-типа.

Электронно-дырочный переход. Транзистор
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э).

_
+

Принцип работы: один из двух электронно-дырочных переходов включен в прямом направлении (эмиттерный), а второй – в обратном (коллекторный). Переходы разделены областью базы. Толщина базы измеряется десятыми долями микрометра.