Подякувати Студентському архіву довільною сумою
Admin
26.02.2023 12:38
Дякуємо, що користуєтесь нашим архівом!
Інформація про навчальний заклад
ВУЗ:
Національний університет Львівська політехніка
Інститут:
Не вказано
Факультет:
Управління інформацією
Кафедра:
Кафедра захисту інформації
Інформація про роботу
Рік:
2009
Тип роботи:
Конспект лекцій
Предмет:
Електроніка та мікросхемотехніка
Частина тексту файла (без зображень, графіків і формул):
Міністерство освіти і науки України
Національний університет „Львівська політехніка”
Кафедра захисту інформації
ЕЛЕКТРОНІКА ТА
МІКРОСХЕМОТЕХНІКА
Частина І. Електроніка
КОНСПЕКТ ЛЕКЦІЙ
для студентів напрямів
6.170101 – «Безпека інформаційних і комунікаційних технологій»
6.170102 – «Системи технічного захисту інформації»
6.170103 – «Управління інформаційною безпекою»
Львів – 2009
“Електроніка та мікросхемотехніка” В 2 ч. Ч.1. Електроніка. Конспект лекцій. / Укл.: Кеньо Г.В., ( Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, кафедри захисту інформації, 2009. ( 178 с.
Укладачі: Кеньо Г.В., доцент, к.т.н.
Відповідальний за випуск: професор Дудикевич В.Б.
Рецензенти: доцент Пархуць Л.Т.,
доцент Собчук І. С.
Надруковано за рішенням засідання
кафедри захисту інформації
Національного університету
"Львівська політехніка" ЗМІСТ
ВСТУП 5
1. ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ 7
1.1. Класифікація речовин за провідністю 7
1.2. Напівпровідники 10
1.3. Домішкові напівпровідники 14
1.4. Дифузія носіїв заряду у напівпровідниках 19
2. ЕЛЕКТРИЧНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПЕРЕХОДИ 22
2.1. Електронно-дірковий р-п-перехід у стані рівноваги 23
2.2. Електронно-дірковий перехід за прямого зміщення 27
2.3. Електронно-дірковий перехід за зворотного зміщення 29
2.4. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу 30
2.5. Параметри р-n-переходу 34
2.6. Пробій р-n-переходу 35
2.7. Перехід метел-напівпровідник 37
2.8. Гетероперехід 38
3. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ДІОДИ 41
3.1. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода 42
3.2. Робочий режим 44
3.3. Випрямні діоди 45
3.4. Кремнієві стабілітрони 47
3.5. Високочастотні діоди 49
3.6. Імпульсні діоди 51
3.7. Варикапи 53
3.8. Діоди Шоткі 55
4. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ 56
4.1. Фізичні процеси в біполярному транзисторі 58
4.2. Схеми увімкнення біполярних транзисторів 67
4.3. Статичні характеристики біполярних транзисторів 69
4.4. Динамічний режим роботи транзистора 73
4.5. Підсилювальні властивості транзисторів 75
4.6. Власні параметри і Т-видні еквівалентні схеми біполярних транзисторів 76
4.7. Транзистор як активний чотириполюсник 81
4.8. Температурні та частотні властивості біполярних транзисторів 85
4.9. Транзистор у режимі ключа 89
4.10. Експлуатаційні параметри транзисторів 93
5. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ 97
5.1. Польовий транзистор з керувальним переходом 98
5.2. Польові транзистори з ізольованим затвором 102
5.3. Параметри польових транзисторів 107
5.4. Схеми увімкнення та еквівалентні схеми польових транзисторів 108
5.5. Ключовий режим МДН-транзистора 110
5.6. Особливості використання польових транзисторів 113
6. РІЗНОВИДИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ 116
6.1. Тунельні діоди 116
6.2. Тиристори 120
6.3. Одноперехідний транзистор 127
6.4. Складені транзистори 129
6.5. Напівпровідникові резистори 130
6.6. Тензоелектричні напівпровідникові прилади 133
6.7. Термоелектричні напівпровідникові прилади 134
7. ОПТОЕЛЕКТРОНІКА 137
7.1. Напівпровідникові випромінювачі 137
7.1.1. Випромінювальні діоди 138
7.1.2. Лазери 142
7.1.3. Електролюмінесцентні випромінювачі 145
7.2. Фотоелектричні приймачі випромінювання 147
7.2.1. Фоторезистори 147
7.2.2. Фотодіоди 149
7.2.3. Фотоелементи 151
7.2.4. Фототранзистори 153
7.2.5. Фототиристори 156
7.3. Оптрони 157
8. ФУНКЦІОНАЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА 162
8.1. П’єзоелектроніка 163
8.2. Акустоелектроніка 166
8.3. Магнетоелектроніка 170
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ 176
ВСТУП
Електроніка – це наука, що займається вивченням взаємодії електронів з електромагнітними полями та розробленням методів створення електронних приладів та пристроїв, що використовуються для передавання, оброблення та зберігання інформації.
Різноманітна радіоелектронна апаратура створюється за допомогою електрично з’єднаних між собою пасивних та активних компонентів.
Пасивні компоненти (конденсатори, резистори, котушки індуктивності, трансформатори), перемикачі, тумблери, прилади електричного з’єднання використовують для розподілу електричної енергії в електричних колах, а також для забезпечення необхідного режиму роботи активних приладів. Особливістю пасивних компонентів є споживання та розсіювання потужності. Електричні вузли та блоки, побудовані винятково на пасивних компонентах, не підсилюють потужність.
Електронні прилади дозволяють здійснювати випрямлення, підсилення, генерацію незатухаючих коливань, перетворення частот та інші активні процеси, що відбуваються завдяки керованому розподілу потужності зовнішнього джерела живлення.
Електронні прилади класифікують за їх призначенням, фізичними властивостями, основними електричними параметрами, конструктивно-технологічними ознаками, видом робочого середовища.
Залежно від виду сигналів і способу обробки інформації електронні прилади поділяють на електроперетворювальні, електросвітлові, фотоелектричні, термоелектричні, акустоелектричні, механоелектричні.
За допомогою електроперетворювальних приладів відбувається перетворення електричних сигналів (підсилення, генерування, детектування та ін.). Електричні сигнали в електросвітлових приладах перетворюються в оптичні; оптичні і теплові сигнали у фото- і термоелектричних приладах відповідно – в електричні; акустичні сигнали в акустоелектронних приладах – в електричні і навпаки; механоелектричні прилади перетворюють механічний сигнал в електричний.
Електроперетворювальні прилади складають найбільшу групу електронних приладів. До них належать різні типи напівпровідникових діодів, біполярні та польові транзистори, тиристори; високовакуумні лампи (діоди, тріоди, тетроди, пентоди та ін.); газорозрядні прилади (стабілітрони, газотрони, тиратрони, індикаторні панелі та ін.).
Електросвітловими приладами є світлодіоди, люмінесцентні індикатори, лазери, електронно-променеві трубки; фотоелектричними – фотодіоди, фототранзистори, фототиристори, сонячні батареї; термоелектричними – терморезистори; акустоелектричними – акустоелектричні підсилювачі, генератори, фільтри, лінії затримки і т.п.
За робочим середовищем електронні прилади поділяють на вакуумні (високовакуумні та газорозрядні), твердотілі (напівпровідникові прилади та інтегральні мікросхеми) та рідинні (хемотронні).
У високовакуумних приладах використовуються особливості руху і керування електронами в колбах з вакуумом 10-6 мм рт.ст. і вище. У газорозрядних приладах використовуються особливості руху і керування іонами в середовищах, заповнених інертними газами з вакуумом 10-2 мм рт.ст.
У сучасній радіоелектронній апаратурі (РЕА) як електронні прилади переважно використовуються твердотілі напівпровідникові дискретні компоненти та інтегральні мікросхеми (ІМС). До дискретних напівпровідникових приладів належать: діоди, біполярні та польові транзистори, тиристори, оптоелектронні, термо-, магнето-, акусто- та механоелектричні прилади. Інтегральні мікросхеми являють собою закінчені функціональні вузли, що дозволяють виконувати різні електроперетворювальні процеси керуванням потужністю, яка надходить із зовнішнього джерела живлення в навантаження.
Інтегральні мікросхеми – це досконаліший тип електронних приладів. Їх поділяють за функціональним призначенням на цифрові та аналогові; за технологією виготовлення на напівпровідникові, тонко- і товстоплівкові, гібридні, суміщені; за кількістю елементів на малі, середні великі та надвеликі ІМС.
Порівняно з електровакуумними напівпровідникові прилади мають суттєві позитивні якості – малу масу і малі розміри; високу надійність та термін експлуатації; більшу механічну міцність; високий коефіцієнт корисної дії; можливість роботи за низьких напруг живлення; меншу вартість.
Разом з тим, напівпровідникові прилади мають недоліки: параметри і характеристики багатьох з них мають значний розкид; властивості та параметри залежать від температури; низький вхідний опір, уразливість до іонізуючого випромінювання; власні шуми часто є більшими, ніж в електронних лампах.
Основна галузь сучасної електроніки – мікроелектроніка. Сучасний етап її розвитку характеризується швидко зростаючим ступенем інтеграції; використанням фізичних явищ (опто-, магніто-, акустоелектронних, кріогенних хемотронних), що дозволяють за допомогою простих неподільних структур здійснювати функції, що зазвичай реалізуються за допомогою складних пристроїв; впровадженням молекулярного синтезу, за допомогою якого розробляються системи, що функціонують на молекулярному рівні і які матимуть вищий ступінь організації.
1. ОСНОВИ НАПІВПРОВІДНИКОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ
1.1. Класифікація речовин за провідністю
В електротехніці та радіоелектроніці використовують різноманітні речовини із широким спектром теплофізичних, механічних та електрофізичних параметрів та характеристик. Визначаючи доцільність використання речовин для побудови електронних приладів, найважливішою їх властивістю вважають електропровідність.
За провідністю речовини поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники. Вони відрізняються кількістю вільних носіїв заряду – електронів – у зоні провідності.
Сучасна фізика стверджує, що електрони у твердому тілі не можуть мати довільну енергію. Енергія кожного електрона може приймати лише певні значення, які називають рівнями енергії або енергетичними рівнями.
Електрони, розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на нижчих енергетичних рівнях. Щоб віддалити електрон від ядра, треба подолати їх взаємне тяжіння, а, отже, затратити деяку енергію. Тому віддаленіші від ядра електрони мають більшу енергію, тобто перебувають на вищих енергетичних рівнях.
Коли електрон переходить з вищого енергетичного рівня на нижчий, то виділяється деяка кількість енергії, яка називається квантом або фотоном. Якщо атом поглинає один квант енергії, то електрон переходить з нижчого енергетичного рівня на вищий. Таким чином, енергія електронів змінюється тільки квантами, тобто певними порціями.
Розподіл електронів за рівнями енергії схематично зображений на рис.1.1. Горизонтальними лініями показані рівні енергії W електрона.
а б в
Рис.1.1. Схеми рівнів енергії: а – у металах; б – у діелектриках; в – у власних напівпровідниках (1 – генерація; 2 – рекомбінація)
Згідно із зонною теорією твердого тіла енергетичні рівні об’єднуються в дозволені зони. Верхня дозволена зона, яка за температури абсолютного нуля (Т=0 K) повністю заповнена електронами, називається валентною. Максимальний рівень енергії електрона (стелю) позначають Wv. Валентні електрони беруть участь в електричних і хімічних процесах.
У металах і напівпровідниках існує велика кількість електронів, що перебувають на вищих енергетичних рівнях. Ці рівні складають зону провідності. Мінімальний рівень енергії електрона (дно) зони провідності позначають Wс. Електрони цієї зони, які називають електронами провідності, здійснюють безладне переміщення всередині тіла, переходячи від одних атомів до інших. Саме електрони провідності забезпечують високу електропровідність металів. За кімнатної температури (Т=300 K) питома електрична провідність провідників досягає значень 104(106 См/см.
На рис. 1.1,а зображена схема рівнів енергії, або зонна енергетична діаграма, для металу. З рисунка видно, що у металів зона провідності безпосередньо прилягає до валентної зони. Тому за нормальної температури в металах велика кількість електронів має енергію, достатню для переходу з валентної зони у зону провідності. Практично кожний атом металу віддає в зону провідності принаймні один електрон. Таким чином, кількість електронів провідності в металах не менша, ніж кількість атомів.
Атоми речовини, які віддали електрони в зону провідності, можна розглядати як позитивні іони. Вони розташовуються в певному порядку, утворюючи просторову (іонну або кристалічну) гратку. Всередині просторової гратки відбувається безладне переміщення електронів провідності. Оскільки зв’язані позитивні іони рівномірно розподілені по структурі кристала, то і рухомі електрони теж повинні бути розподілені рівномірно. Незважаючи на те, що позитивні іони в металах відіграють важливу роль у підтримці електронейтральності, у процесі провідності вони не беруть участі, тому що вони є нерухомими. Вільні електрони можуть рухатись у структурі під дією електричного поля, тому у металах струм протікає завдяки носіям заряду одного типу – вільним електронам.
Інша енергетична структура характерна для діелектриків. У них між зоною провідності і валентною зоною існує заборонена зона, яка відповідає рівням енергії, на яких електрони не можуть перебувати (рис.1.1,б). Ширина забороненої зони (W, тобто різниця між енергією нижнього рівня зони провідності і верхнього рівня валентної зони, становить декілька електрон-вольтів. За нормальної температури у діелектриків у зоні провідності є тільки дуже незначна кількість електронів, тому діелектрик має дуже мале значення провідності. Але при нагріванні деякі електрони валентної зони, отримуючи додаткову енергію, переходять в зону провідності, і тоді діелектрик набуває помітну провідність. За кімнатної температури (Т=300 K) питома електрична провідність діелектриків менша за 10-10 См/см.
У напівпровідників зонна діаграма подібна до зонної діаграми діелектриків (рис.1.1,в), тільки ширина забороненої зони менша, ніж у діелектриків, і в більшості випадків складає біля одного електрон-вольта. Тому за низьких температур напівпровідники є діелектриками, а за нормальної температури значне число електронів переходить з валентної зони у зону провідності, що забезпечує збільшення електропровідності. За температури Т=300 K питома електрична провідність напівпровідників перебуває у межах 10-10(104 См/см.
1.2. Напівпровідники
Напівпровідники – це речовини, які за питомою електричною провідністю займають середнє положення між провідниками і діелектриками.
Для напівпровідників характерний від’ємний температурний коефіцієнт електричного опору. При зростанні температури опір напівпровідників зменшується, а не збільшується, як у більшості твердих провідників. Крім того, електричний опір напівпровідників дуже сильно залежить від кількості домішок, а також від зовнішніх факторів, зокрема, світла, електричного поля, іонізуючого випромінювання та ін.
Для виготовлення напівпровідникових приладів найширше використовують германій (Ge) і кремній (Si), які мають валентність, рівну 4. Зовнішні оболонки атомів германію або кремнію мають по чотири валентні електрони. Просторові кристалічні гратки складаються з атомів, пов’язаних один з одним валентними електронами. Такий зв'язок називають ковалентним або парноелектронним. Навколо кожної пари атомів рухаються по орбітах два валентні електрони. В умовному площинному зображенні такої кристалічної гратки (рис.1.2) ковалентні зв'язки показані у вигляді прямих ліній, а електрони у вигляді потовщених крапок (іноді для спрощення електрони взагалі не показують). Валентний електрон, що перебуває у такому зв’язку, за енергією розміщений у валентній зоні.
Електрони у всіх зв’язках будуть присутніми тільки за температури абсолютного нуля. З нагріванням напівпровідника відбувається розривання зв’язків, тобто деякі електрони набувають додаткової енергії для переходу в зону провідності. Такий перехід відповідає виходу електрона із зв’язку (рис.1.2,б).
а б в
Рис.1.2. Площинна схема кристалічної гратки кремнію (а), виникнення пари елек-трон-дірка (б) та поява електрона у зоні провідності та дірки у валентній зоні (в)
Вільні електрони, що появляються, беруть участь в утворенні струму в напівпровіднику при прикладанні електричного поля. З підвищенням температури виникає велика кількість вільних електронів у зоні провідності і вакантних рівнів у валентній зоні. Цей процес відбувається інтенсивніше у напівпровідниках з вужчою забороненою зоною.
Вакантний енергетичний рівень у валентній зоні і, відповідно, вільний валентний зв’язок називають діркою. Дірка є рухомим носієм заряду додатного знаку, який дорівнює за абсолютною величиною величині заряду електрона. Переміщення дірки відповідає зустрічному переміщенню валентного електрона із зв’язку у зв’язок. За діркової електропровідності насправді також переміщаються електрони, але більш обмежено, ніж за електронної електропровідності. Електрони переходять з даних атомів тільки в сусідні. Результатом цього є переміщення додатних зарядів дірок в напрямку, протилежному переміщенню електронів. Рух дірки – це почергова іонізація валентних зв’язків.
Електрони і дірки, які можуть переміситися і тому створювати електропровідність, називають рухомими носіями заряду або просто носіями заряду. Процес утворення вільного електрона і дірки називається генерацією носіїв заряду. Оскільки у роглянутому випадку генерація відбувається під впливом тепла, то її можна назвати термогенерацією. Поява електрона у зоні провідності та дірки у валентній зоні на енергетичній діаграмі (рис.1.2,в) подана у вигляді кругів з відповідними знаками зарядів. Стрілкою позначений перехід електрона з валентної зони у зону провідності. Генерація пар носіїв заряду може відбуватися також під дією світла, електричного поля, іонізуючого випромінювання та ін.
Внаслідок того, що електрони і дірки провідності здійснюють хаотичне теплове переміщення, обов’язково відбувається і процес, зворотний генерації пар носіїв. Електрони провідності знову займають вільні місця у валентній зоні, тобто об’єднуються з дірками. Таке зникнення пар носіїв називається рекомбінацією носіїв заряду. Цьому процесу відповідає показаний стрілкою 2 на рис.1.1,в перехід електрона із зони провідності у валентну зону. Процеси генерації і рекомбінації пар носіїв заряду завжди відбуваються одночасно. Рекомбінація обмежує зростання кількості пар носіїв, і за кожної конкретної температури встановлюється певна кількість електронів і дірок провідності, тобто вони перебувають у стані динамічної рівноваги. Це означає, що генеруються все нові і нові пари носіїв, а пари, що раніше виникли рекомбінують.
Напівпровідник без домішок називають власним напівпровідником або напівпровідником i-munу.
Під дією різниці потенціалів у напівпровіднику виникає електричне поле, яке прискорює електрони і дірки і надає їм деякого поступального переміщення, тобто, виникає струм провідності.
Переміщення носіїв заряду під дією електричного поля називають дрейфом носіїв, а струм провідності – струмом дрейфу Iдр. Незважаючи на те, що електрони і дірки рухаються у протилежних напрямках, струми, викликані цими носіями, складаються, оскільки переміщення дірок являє собою переміщення електронів. Повний струм провідності складається з електронного і діркового струму провідності:
(1.1)
Густина струму дрейфу Jдр складається з густини електронного і діркового струмів:
. (1.2)
Згідно закону Ома для густини струму:
, (1.3)
Густина повного струму дрейфу у власному напівпровіднику буде складати
, (1.4)
Таким чином, власний напівпровідник має власну електропровідність, яка складається з електронної і діркової електропровідностей. При цьому, незважаючи на те, що кількість електронів і дірок провідності у власному напівпровіднику однакова, електронна електропровідність переважає, що пояснюється більшою рухливістю електронів у порівнянні з рухливістю дірок.
Питома електрична провідність напівпровідників залежить від концентрації носіїв заряду, і їх кількості в одиниці об’єму, наприклад, в 1 см3. Будемо позначати концентрацію електронів і дірок провідності відповідно буквами n і р від слів negative (від’ємний) і positive (додатний). Очевидно, що для власного напівпровідника завжди ni = рi. Індекс і тут вказує на те, що ці концентрації відносяться до власного напівпровідника.
Повна питома провідність напівпровідника
. (1.5)
де µn, µр – рухливості електронів та дірок відповідно, qе – заряд електрона.
Рухливість носіїв заряду є середньою швидкістю їх руху під дією електричного поля з одиничною напруженістю. Якщо швидкість прийняти в сантиметрах за секунду, а напруженість поля у вольтах на сантиметр, то одиниця рухливості буде складати .
Таким чином, питома провідність залежить від концентрації носіїв і від їх рухливості. У напівпровідниках при підвищенні температури внаслідок інтенсивної генерації пар носіїв концентрація рухливих носіїв заряду збільшується значно швидше, ніж зменшується їх рухливість, тому з підвищенням температури провідність зростає. Для порівняння можна зазначити, що в металах концентрація електронів провідності майже не залежить від температури і при підвищенні температури провідність зменшується внаслідок зменшення рухливості електронів
Нагадаємо також, що завжди µn ( µp і, отже, (n ( ( p. Наприклад, за кімнатної температури для германію (n = 3600 і (p = 1820 (см2/В∙c), а для кремнію µn = 1300 і µp = 460 (см2/В∙c).
Кількість N атомів в 1 см3 металу або напівпровідника складає приблизно 1022. За температури, близької до 20°С, концентрація носіїв заряду для чистого германію ni=pi=1013 см-3, а для кремнію ni =рi=1010 см-3. Отже, у власному напівпровіднику за кімнатної температури кількість рухливих носіїв заряду по відношенню до загальної кількості атомів складає біля 10-7 % для германію і біля 10-10 % для кремнію. А в металах кількість електронів провідності не менша кількості атомів (n(N). Тому питома електрична провідність напівпровідників у мільйони і мільярди разів менша, ніж у металів. Наприклад, за кімнатної температури питомий опір міді дорівнює 0,017· 10-4 Ом/см (1 Ом/см є опір 1 см3 речовини), германію приблизно 50 і кремнію біля 100000 Ом/см.
1.3. Домішкові напівпровідники
Власні напівпровідники використовуються обмежено. В електроніці для виготовлення напівпровідникових активних приладів використовують ефекти, які виникають коли в напівпровідник уводиться домішка, тобто відбувається його легування. Якби цих домішок не було, то більшості напівпровідникових приладів не існувало б.
Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то поряд з власною електропровідностю з’являється домішкова електропровідність, яка в залежності від виду домішок може бути електронною або дірковою. Наприклад, кремній, будучи чотиривалентним, має домішкову електронну електропровідність, якщо до нього додані п’ятивалентна сурма (Sb), або миш’як (As), або фосфор (Р). Атоми цих елементів взаємодіють з атомами кремнію тільки чотирма своїми електронами, а п’ятий електрон вони віддають у зону провідності. Домішки, атоми яких віддають електрони, називають донорами. Атоми донорів, втрачаючи електрони, самі заряджаються додатно. На рис1.3,а показано за допомогою площинної схеми будови напівпровідника, як атом донорної домішки (п’ятивалентного миш’яка), що пербуває в оточенні атомів кремнію, віддає один електрон у зону провідності.
а б
Рис.1.3. Виникнення домішкової електронної провідності (а) та зонна діаграма напівпровідника п-типу (б)
Напівпровідники, в яких переважає електронна електропровідність називають електронними напівпровідниками або напівпровідникам п-типу. Зонна діаграма такого напівпровідника показана на рис.1.3,б. Енергетичні рівні атомів донора розташовані лише трохи нижче за зону провідності основного напівпровідника. Тому з кожного атома донора один електрон легко переходить в зону провідності, і, таким чином, у цій зоні з’являється додаткова кількість електронів, яка дорівнює кількості атомів донора. У самих атомах донора при цьому дірки не утворюються.
Якщо чотиривалентний кремній містить домішки тривалентних бору (В), індію (In), або алюмінію (Аl), то їх атоми забирають електрони від атомів кремнію, і утворюються дірки. Речовини, які відбирають електрони і створюють домішкову діркову електропровідність, називають акцепторами. Атоми акцептора, захоплюючи електрони, самі заряджаються від’ємно. На рис.1.4,а показано схематично процес утворення дірки.
Напівпровідники, в яких переважає діркова електропровідність називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу. Енергетичні рівні акцепторних атомів розташовуються лише дещо вище валентної зони (рис.1.4,б). На ці рівні легко переходять електрони з валентної зони, в якій при цьому виникають дірки.
а б
Рис.1.3. Виникнення домішкової діркової провідності (а) та зонна діаграма напівпровідника р-типу (б)
У напівпровідникових приладах використовуються головним чином напівпровідники, що містять донорні або акцепторні домішки, і які називають домішковими. За звичайних робочих температур у таких напівпровідниках всі атоми домішок беруть участь у створенні домішкової електропровідності, тобто вони є активованими.
Щоб домішкова електропровідність переважала над власною, концентрація атомів донорних домішок Nд або акцепторних домішок Nа повинна перевищувати концентрацію власних носіїв заряду. Практично при виготовленні домішкових напівпровідників значення Nд або Nа завжди на багато порядків більше, ніж ni або рi. Наприклад, для кремнію, у якого за кімнатної температури nі=pi=1010 см-3, концентрації Nд або Nа можуть бути рівними (1014(1018) см-3 кожна, тобто в (104 (108) разів більшими, ніж концентрації власних носіїв заряду. Надалі всі числові приклади ми будемо наводити для кремнію за кімнатної температури.
Носії заряду, концентрація яких у даному напівпровіднику переважає, називаються основними. Ними є електрони в напівпровіднику n-типу і дірки в напівпровіднику р-типу. Неосновними називаються носії заряду, концентрація яких менша, ніж концентрація основних носіїв. Якщо Nд>>nі то можна нехтувати концентрацією власних носіїв, тобто електронів, і тоді nn =Nд.
Концентрація неосновних носіїв у домішковому напівпровіднику зменшується у стільки разів, у скільки збільшується концентрація основних носіїв. Таким чином, якщо в кремнії i-типу ni=pi=1010 см-3, а після додавання донорних домішок концентрація електронів зросла в 10000 разів і стала nn = 1014 см-3, то концентрація неосновних носіїв (дірок) зменшується в 10000 разів і стане pn = 106 см-3, тобто буде у сто мільйонів разів менша, ніж концентрація основних носіїв. Завжди для домішкового напівпровідника n-типу справедливе співвідношення
nnpn=nipi=ni2=pi2 (1.6)
а для домішкового напівпровідника р-типу – співвідношення:
nрpр=nipi=ni2=pi2 (1.7)
Розглянуті приклади наочно показують, що дуже мала кількість домішок істотно змінює характер електропровідності і провідність напівпровідника. Дійсно, концентрація домішки 1016 см-3 при кількості атомів кремнію 5(1022 в 1 см3 означає, що додається усього лише один атом домішок на п’ять мільйонів атомів кремнію, тобто домішки складають менше за 10-6%. Але внаслідок цього концентрація основних носіїв зростає в 106 разів, і, відповідно, збільшується провідність.
Важливим параметром напівпровідників є рівень Фермі, ймовірність заповнення якого за температури, відмінної від абсолютного нуля, дорівнює 0,5. Цей рівень являє собою середню термодинамічну енергію тіла на один електрон. Фундаментальне положення фізики вказує, що рівень Фермі є однаковим у всіх частинах рівноважної системи, якою б різнорідною вона не була. Для власних напівпровідників рівень Фермі проходить по середині забороненої зони. В електронному напівпровіднику середня енергія електронів буде вищою, тому рівень Фермі проходить вище середини забороненої зони. Зі збільшенням концентрації донорів рівень Фермі розміщується ближче до дна зони провідності. У дірковому напівпровіднику рівень Фермі проходить нижче середини забороненої зони, причому зі збільшенням концентрації акцепторів наближається до стелі валентної зони.
Отримання напівпровідників з таким малим і строго дозованим вмістом потрібних домішок є достатньо складним процесом. При цьому початковий напівпровідник, до якого додаються домішки, повинен бути дуже чистим. Для германію сторонні домішки допускаються в кількості не більше за 10-8%, тобто не більше за один атом на 10 мільярдів атомів германію. Для кремнію сторонніх домішок допускається ще менше: вони не повинні перевищувати 10-11%.
Питома провідність домішкових напівпровідників визначається так само, як і для власних напівпровідників. Якщо нехтувати провідністю за рахунок неосновних носіїв, то для напівпровідників n-типу і р-типу можна відповідно написати
і . (1.8)
Якщо до напівпровідника п-типу прикласти електричне поле, викликане дією різниці потенціалів, то вільні електрони, що з’явились в напівпровіднику внаслідок додавання донорних домішок, почнуть рухатись у напрямку додатного полюса. Крім того, у цьому ж напрямку почнуть рухатись електрони, що виникли внаслідок розпаду ковалентних зв’язків, а відповідні дірки почнуть рухатись у напрямку від’ємного полюса.
Це саме стосується й напівпровідника р-типу. Якщо до нього прикласти електричне поле, то вільні дірки, що з’явились в напівпровіднику внаслідок додавання акцепторних домішок, почнуть рухатись у напрямку від’ємного полюса. Крім того, у цьому ж напрямку почнуть рухатись дірки, що виникли внаслідок розпаду ковалентних зв’язків, а відповідні електрони почнуть рухатись у напрямку додатного полюса.
В електротехніці прийнятий умовний напрямок струму від плюса до мінуса. При вивченні електронних приладів зазвичай зручніше розглядати дійсний напрямок переміщення електронів від мінуса до плюса. Для зручності показують цей напрямок стрілкою з великою крапкою на початку, а умовний напрям струму стрілкою без крапки.
1.4. Дифузія носіїв заряду у напівпровідниках
У напівпровідниках крім струму провідності (дрейфу носіїв) може бути ще дифузійний струм, причиною виникнення якого є не різниця потенціалів, а різниця концентрацій носіїв заряду.
Якщо носії заряду розподілені рівномірно в напівпровіднику, то їх концентрація є рівноважною. Під впливом яких-небудь зовнішніх факторів у різних частинах напівпровідника концентрація може стати неоднаковою, нерівноважною. Наприклад, якщо частину напівпровідника піддати дії випромінювання, то в ній посилиться генерація пар носіїв і виникне додаткова (надлишкова) концентрація носіїв.
Оскільки носії мають власну кінетичну енергію, то вони завжди переходять з місць з вищою концентрацією в місця з меншою концентрацією, тобто прагнуть до вирівнювання концентрації. Дифузійне переміщення рухливих носіїв заряду (електронів і дірок) називається дифузійним струмом (Ідиф). Цей струм, так само, як струм провідності, може бути електронним або дірковим, і його густина визначається виразами:
і , (1.9)
де величини Δn /Δx і Δp /Δx є градієнтами концентрації, а Dn і Dp – коефіцієнтами дифузії електронів та дірок відповідно.
Градієнт концентрації характеризує, наскільки різко міняється концентрація вздовж осі x, тобто зміну концентрації n або p на одиницю довжини. Якщо різниці концентрацій немає, то Δn=0 або Δp=0, і струм дифузії не виникає. Чим більша зміна концентрації Δn або Δp на певній відстані Δx, тим більший струм дифузії.
Коефіцієнт дифузії характеризує інтенсивність процесу дифузії. Він пропорційний рухливості носіїв, є різним для різних речовин, і залежить від температури. Одиниця його – квадратний сантиметр у секунду. Коефіцієнт дифузії для електронів завжди більший, ніж для дірок. Наприклад, за кімнатної температури для германію Dn=98 см2/c і Dp=47 см2/c, а для кремнію Dn=34 см2/c і Dр=12 см2/c.
Коефіцієнт дифузії пов’язаний із рухливістю носіїв заряду співвідношенням Ейнштейна:
; (1.10)
де k=1,38(10-23 Дж/K=8,62(10-5 еВ/K – стала Больцмана.
Величину (Т=kT/qe називають тепловим потенціалом мікрочастинки. За кімнатної температури (Т=0,026 В.
Якщо за рахунок якогось зовнішнього впливу в деякій частині напівпровідника створена надлишкова концентрація носіїв, а потім зовнішній вплив припинився, то надлишкові носії будуть рекомбінувати і розповсюджуватися шляхом дифузії в інші частини напівпровідника. Надлишкова концентрація почне зменшуватися за експоненційним законом. Час, протягом якого надлишкова концентрація зменшиться в 2,7 рази, тобто стане рівною 0,37 n0, називають часом життя нерівноважних носіїв (. Цією величиною характеризують зміну надлишкової концентрації в часі.
Рекомбінація нерівноважних носіїв відбувається всередині напівпровідника і на його поверхні і сильно залежить від домішок, а також від стану поверхні. Значення (n для германію і кремнію в різних випадках можуть бути від десятих часток мікросекунди до сотень мікросекунд і більше.
При дифузійному розповсюдженні нерівноважних носіїв, наприклад, електронів, уздовж напівпровідника, концентрація їх внаслідок рекомбінації також зменшується з відстанню за експоненційним законом. Відстань Ln, на якій надлишкова концентрація нерівноважних носіїв зменшується в 2,7 рази, тобто стає рівною 0,37 первинного значення n0, називають дифузійною довжиною. Вона характеризує зміну надлишкової концентрації у просторі.
Таким чином, зменшення надлишкової концентрації відбувається у часі і в просторі, і тому величини i Ln є пов’язані одна з одною такою залежністю:
. (1.11)
Це відноситься також і до надлишкової концентрації дірок, але для неї значення Dp, і Lp є іншими, ніж для електронної концентрації.
Струм дрейфу і струм дифузії, генерація пар носіїв заряду і рекомбінація, зміна надлишкової концентрації носіїв у часі і просторі не вичерпують всього різноманіття складних явищ, що відбуваються в напівпровідниках, але вони є найважливіші і, знаючи їх, можна правильно зрозуміти роботу напівпровідникових приладів.
Питання для самоконтролю
Як розрізняються речовини за провідністю?
Які основні специфічні особливості напівпровідників?
Які процеси називаються генерацією та рекомбінацією носіїв заряду?
Що таке дірка? У чому полягає відмінність між діркою та позитивним іоном?
Чому в напівпровідниках струм створюється рухом електронів та дірок, а в металах лише рухом електронів?
Що визначає величину струму у власному напівпровіднику?
Чому напівпровідники мають від’ємний температурний коефіцієнт опору?
Чому для побудови напівпровідникових приладів використовують домішкові напівпровідники?
Унаслідок чого відбувається дрейф та дифузія носіїв заряду?
Що таке рухливість носіїв заряду?
Що характеризує коефіцієнт дифузії?
Що означає градієнт концентрації?
Які носії заряду в напівпровідниках називають основними, а які неосновними? Як пов’язані між собою їх рівноважні концентрації?
Де розміщений рівень Фермі у домішкових напівпровідниках р-типу?
Як зміниться положення рівня Фермі домішкового напівпровідника n-типу при підвищенні температури?
У яких випадках виникає нерівноважний стан напівпровідника?
Від чого залежить електропровідність домішкових напівпровідників?
Якою залежністю пов’язані дифузійна довжина і час життя носіїв заряду?
2. ЕЛЕКТРИЧНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПЕРЕХОДИ
Електричний перехід – це перехідний шар у напівпровідниковому матеріалі між двома ділянками з різними типами електропровідності або різними значеннями електропровідності, або між напівпровідником і металом. Залежно від властивостей матеріалів, що використовуються для формування електричного переходу, вирізняють такі переходи: електронно-дірковий, електронно-електронний, дірково-дірковий, гетерогенний, гомогенний, перехід метал-напівпровідник.
За співвідношенням лінійних розмірів переходи поділяють на площинні та точкові. Площинний перехід – це електричний перехід, у якому лінійні розміри, що визначають його площу, значно більші за товщину. Точковий перехід – це електричний перехід, усі розміри якого менші за характеристичну довжину, що визначає фізичні процеси в переході та на ділянках, що його оточують.
2.1. Електронно-дірковий р-п-перехід у стані рівноваги
Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід) – це електричний перехід між двома ділянками напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а друга – р-типу. Електронно-дірковий перехід має несиметричну провідність, тобто має нелінійний опір. Робота більшості напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів та ін.) ґрунтується на використанні властивостей одного або декількох р-n-переходів.
Уявимо собі два напівпровідники, один з яких має електронну, а другий діркову провідності (рис.2.1,а). Нагадаємо, що в електронному напівпровіднику існують у рівній кількості від’ємно заряджені електрони і нерухомі додатні іони. На рисунку електрони позначені знаком “–”, а додатні іони – знаком “+” у кружках. Концентрація домішки у дірковому напівпровіднику вибрана у два рази меншою, ніж в електронному. Дірки позначені знаком “+”, а від’ємні іони – знаком “–” у кружках, причому їх кількість в електронному напівпровіднику однакова. Оскільки Nд =2(Nа, зарядів у електронному напівпровіднику є удвічі більше, ніж у дірковому.
Вважаємо, що такі напівпровідники є ділянками єдиного кристала (рис.2.1,б). Поверхня, по якій контактують п- і р-ділянки, називається металургійною межею.
Тоді за законом дифузії електрони з п-області будуть переходити в р-область, а дірки навпаки, тобто із місць, де носіїв певного знаку є більше у місця, де їх менше. Зустрічаючись на межі п- і р-ділянок, дірки і електрони рекомбінують. Отже, у цій примежовій ділянці оголюються нескомпенсовані заряди нерухомих іонів. Ця ділянка нескомпенсованих нерухомих зарядів і є ділянкою р-п-переходу, яку ще називають збідненим шаром або ділянкою об’ємного заряду. Питома електрична провідність р-п-переходу буде набагато меншою, ніж у п- і р-ділянках напівпровідника. У збідненому шарі майже немає вільних носіїв заряду, тому його ще називають запірним шаром.
а б
Рис.2.1. Напівпровідники п- і р-типів (а); утворення р-п-переходу (б)
Запірний шар р-п-переходу повинен містити рівні додатні та від’ємні заряди, тобто додатний заряд лівої частини повинен дорівнювати від’ємному заряду правої частини. Залежно від співвідношення Nд і Nа розрізняють симетричні (Nд=Nа) та несиметричні ((Nд(Nа)) р-п-переходи. Оскільки у випадку, що розглядається, Nд =2(Nа (несиметричний перехід), ширина ділянок розміщення зарядів виявляється різною: меншу частину і-ділянки займають донори, а більшу частину – акцептори. Таким чином, більша частина збідненого шару зосереджується у слаболегованому (високоомному) шарі.
У реальних р-п-переходах концентрації донорів та акцепторів відрізняються на декілька порядків. У таких несиметричних переходах практично весь заряд зосереджується у слаболегованій частині.
На рис.2.2 подано утворення потенціального бар’єру при формуванні р-п-переходу. Якщо обидві ділянки напівпровідника перебувають у рівновазі, рівень Фермі повинен бути однаковим у межах всієї системи. Потенціальний бар’єр, що утворюється між ділянками напівпровідника з різним типом провідності, дорівнює початковій різниці між рівнями Фермі у розділених ділянках напівпровідника. Таким чином, між протилежними об’ємними зарядами, що утворилися, виникає контактна різниця потенціалів (к=() і електричне поле Ек.
Потенціальний бар’єр перешкоджає подальшому дифузійному переходу носіїв із ділянки в ділянку. Потрібно зазначити, що об’ємні заряди різних знаків виникають поблизу межі п- і р-ділянок, а додатний потенціал (n або від’ємний потенціал (p створюється однаковим по всій ділянці n або p. Якщо б у різних частинах ділянки n або p потенціал був би різним, тобто була б різниця потенціалів, то виник би струм, внаслідок якого все одно сталося б вирівнювання потенціалу у цих ділянках.
а б
Рис.2.2. Зонна діаграма розділених напівпровідників п- і р-типу (а);
і цих же напівпровідників, приведених в безпосередній контакт при формуванні р-п-переходу (б)
На (рис.2.3,а) зображений бар’єр для дірок, які намагаються за рахунок дифузії переміщатися справа наліво (з ділянки р в ділянку п).
а б
Рис.2.3. Потенціальна діаграма р-п-переходу (а) та розподіл концентрації носіїв заряду в р- n-переході
Висота бар’єру дорівнює контактній різниці потенціалів і зазвичай складає десяті частки вольта. Чим більшою є концентрація домішок, тим вища концентрація основних носіїв і тим більша їх кількість дифундує через перехід. Густина об’ємних зарядів зростає, і збільшується контактна різниця потенціалів (к, тобто висота потенційного бар’єру. При цьому товщина п-р-переходу d зменшується, оскільки відповідні об’ємні заряди утворюються в примежових шарах меншої товщини. Для германію, наприклад, за середньої концентрації домішок (к=(0,3÷0,4) В і d=(10-4÷10-5 ) см, а за великих концентрацій, які створюються в деяких приладах, (к ≈0,7 В і d=10-6 см.
Одночасно з дифузійним переміщенням основних носіїв через перехід відбувається і зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля к...
Ділись своїми роботами та отримуй миттєві бонуси!
0%
Оголошення від адміністратора