1 Основные сведения по физике полупроводников 1

1. Основные сведения по физике полупроводников § 1. 1. Энергетические зоны полупроводников. § 1. 2. Генерация и рекомбинация носителей заряда. § 1. 3. Концентрация носителей заряда в полупроводнике при термодинамическом равновесии. § 1. 4. Собственные полупроводники. § 1. 5. Примесные полупроводники. § 1. 6. Время жизни неравновесных носителей заряда. § 1. 7. Процессы электропроводности в полупроводниках. § 1. 8. Температурные зависимости концентрации носителей заряда и положения уровня Ферми. § 1. 9. Температурные зависимости подвижности носителей заряда и удельной проводимости. § 1. 10. Полупроводники в сильных электрических полях. § 1. 11. Оптические свойства полупроводников. § 1. 12. Обедненные, инверсные и обогащенные поверхностные слои. § 1. 13. Поверхностная рекомбинация. § 1. 14. Проводимость канала поверхностной электропроводности.

Основные сведения по физике полупроводников Разрешённая зона, в которой при абсолютном нуле температуры все энергетические зоны заняты электронами, называется валентной. Разрешённая зона, в которой при абсолютном нуле температуры электроны отсутствуют, называется зоной проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости расположена запрещённая зона.

Основные сведения по физике полупроводников Длина свободного пробега – расстояние, проходимое электроном между двумя соударениями. Дрейфовая скорость – средняя скорость направленного движения электронов приложении к твёрдому телу электрического поля. Плотность дрейфового тока где n концентрация электронов (их количество в 1 см 3), q – заряд электрона.

Основные сведения по физике полупроводников Подвижность – дрейфовая скорость, приобретаемая электроном в поле единичной напряжённости Плотность дрейфового тока Удельная электрическая проводимость

Основные сведения по физике полупроводников Механизм собственной электропроводности полупроводника Si Si Дырка – единичный положительный заряд. Собственная электрическая проводимость полупроводника обусловлена появлением пары носителей заряда «электрон дырка» при нагревании. После своего образования пары «электрон дырка» существуют в течении некоторого времени, называемого временем жизни носителей заряда.

Основные сведения по физике полупроводников Собственная электрическая проводимость полупроводника где n, p концентрация электронов и дырок соответственно, q – заряд электрона, μn и μp – подвижность электронов и дырок. Распределение электронов по энергетическим уровням Вероятность заполнения электроном энергетического уровня E при температуре T определяется функцией распределения Ферми где T – температура в Кельвинах, K – постоянная Больцмана, EF – уровень Ферми (средний энергетический уровень, вероятность заполнения которого равна 0, 5 при T=0)

Основные сведения по физике полупроводников Вероятность того, что квантовое состояние с энергией E свободно от электрона, то есть занято дыркой E EП T>0 EF T=0 EВ 0 1 1/2 1 0 fn fp

Основные сведения по физике полупроводников Механизм примесной электропроводности полупроводника Донорная примесь, n типа Акцепторная примесь, p типа Si Si As Si In Si E E T>0 EП EП T>0 T=0 EF EВ EВ 0 1 1/2 1/2 1 0 fn fp

Основные сведения по физике полупроводников Составляющая электрического тока под действием внешнего электрического поля называется дрейфовым током и определяется где q – заряд электрона, n, p концентрация электронов и дырок соответственно, μn и μp – подвижность электронов и дырок. Составляющая электрического тока, обусловленная направленным перемещением носителей электрического заряда из мест с большей концентрацией в места, где их концентрация меньше, называется диффузионным током и определяется где q – заряд электрона, Dn, Dp – коэффициенты диффузии электронов и дырок (количество носителей, проходящих через единичную площадку за 1 с при единичном градиенте концентрации ) dn/dx и dp/dx – градиенты концентрации электронов и дырок

2. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 2. 1. Электронно дырочный переход. § 2. 2. Токи через электронно дырочный переход. § 2. 3. Концентрация неосновных носителей заряда у границ электронно дырочного перехода. § 2. 4. Методы формирования и классификация электронно дырочных переходов. § 2. 5. Распределение напряженности электрического поля и потенциала в электронно дырочном переходе. § 2. 6. Аналитический расчет резкого электронно дырочного перехода. § 2. 7. Аналитический расчет плавного электронно дырочного перехода с линейным распределением концентрации примесей § 2. 8. Барьерная емкость электронно дырочного перехода. § 2. 9. Контакт полупроводников с одним типом электропроводности. § 2. 10. Контакт металл – полупроводник. § 2. 11. Гетеропереходы. § 2. 12. Свойства и параметры невыпрямляющих контактов.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Физика явлений в p-n переходе Eп Eп n p δ +φ φ δ x Δφк 0 n p EПp EF ΔE EПn EF EВp EВn Δφк – контактная разность потенциалов где ΔE – минимальное количество дополнительной энергии, которую необходимо сообщить электрону в области n, чтобы он мог перейти в область p, или что то же самое, количество дополнительной энергии, которую необходимо сообщить дырке в зоне p, чтобы она перешла в зону n, q – заряд электрона.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Вентильные свойства p-n перехода Вентильное свойство p-n перехода – это способность p-n перехода изменять своё электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Инжекция носителей заряда – введение носителей заряда через p-n переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными. Eп p n R E φ +φ x Δφк 0 φ

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Обратное включение p-n перехода Eп p δ'> δ n R δ δ' E φ +φ x Δφк 0 φ

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n перехода ВАХ p-n перехода может быть описана функцией где Ipn – суммарный ток носителей электрического заряда через границу раздела; I 0 – обратный ток p n перехода; U – приложенное к переходу напряжение внешнего источника; K =1, 38*10 23 Дж/град – постоянная Больцмана; T – температура в Кельвинах; g – заряд электрона. Iпр Uпроб обр Uпр Iобр

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Различают два основных вида пробоя : электрический и тепловой. Электрический пробой, в свою очередь, может быть туннельным и лавинным. Туннельный пробой происходит в очень тонких р n переходах и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. При этом валентные электроны приконтактного слоя р области отрываются от своих атомов и перебрасываются в n область. Лавинный пробой свойственен полупроводникам со значительной толщиной p n перехода, но происходит также под действием сильного элек трического поля. В лавинном пробое основная роль принадлежит неосновным носителям, образующимся под действием тепла в p n переходе. Тепловым называется пробой p n перехода, обусловленный ростом количества носителей заряда при повышении температуры кристалла. Поверхностный пробой обусловлен чрезмерным накоплением поверхностного заряда и уменьшением толщины перехода.

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Ёмкость p-n перехода. Барьерная и диффузионные ёмкости Барьерная ёмкость определяется как где φ0 – высота потенциального барьера; U – приложенное к p n переходу напряжение внешнего источника; С 0 – ёмкость p n перехода при отсутствии внешнего источника (U=0); S где S – площадь запирающего слоя; ε 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума; εr – относительная диэлектрическая проницаемость; δ – толщина запирающего слоя. n p δ

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ Диффузионная ёмкость p-n – перехода образуется при подключении внешнего источника в прямом направлении (U>0). Инжекция носителей заряда при этом из одной области кристалла в другую приводит к возникновению около запирающего слоя зарядов противоположной полярности где ΔQинж – изменение величины инжектированного заряда из одной области в другую; Δ U – изменение величины приложенного к p n переходу напряжения. Другие типы p-n – переходов. Контакт «металл полупроводник» (отсутствует диффузионная ёмкость) – переход Шоттки Полупроводниковый диод – прибор, содержащий один электронно дырочный переход, либо контакт «металл полупроводник» , обладающий вентильными свойствами. I Анод + Катод

3. Полупроводниковые диоды § 3. 1. Структура и основные элементы. § 3. 2. Вольтамперная характеристика диода при инжекции и экстракции носителей заряда. § 3. 3. Расчет распределения неосновных носителей заряда в базе диода. § 3. 4. Расчет постоянных токов, проходящих через диод и связанных с инжекцией и экстракцией носителей заряда. § 3. 5. Частные случаи расчета распределения неосновных носителей заряда и тока насыщения. § 3. 6. Расчет переменных токов и полной проводимости диода. § 3. 7. Графики частотных зависимостей параметров диода. § 3. 8. Физический смысл параметров диода. § 3. 9. Пределы применимости частных случаев расчета параметров диода. § 3. 10. Генерация и рекомбинация носителей заряда в электронно дырочном переходе. § 3. 11. Лавинный пробой. § 3. 12. Туннельный пробой. § 3. 13. Тепловой пробой.

3. Полупроводниковые диоды § 3. 14. Влияние поверхностных состояний на вольтамперную характеристику диода. § 3. 15. Процессы в диодах при больших прямых токах. § 3. 16. Расчет вольтамперной характеристики диода при больших прямых токах. § 3. 17. Вольтамперная характеристика диода в полулогарифмических координатах. § 3. 18. Переходные процессы в диодах. § 3. 19. Выпрямительные плоскостные диоды. § 3. 20. Селеновые выпрямители. § 3. 21. Выпрямительные точечные высокочастотные диоды. § 3. 22. Импульсные диоды. § 3. 23. Плоскостные диоды с выпрямлением на контакте металл полупроводник. § 3. 24. СВЧ диоды. § 3. 25. Стабилитроны. § 3. 26. Стабисторы. § 3. 27. Лавинно пролетные диоды. § 3. 28. Туннельные диоды. § 3. 29. Обращенные диоды. § 3. 30. Варикапы. § 3. 31. Надежность диодов.

Полупроводниковые диоды Классификация диодов По типу материала кремниевые, германиевые, из арсенида галлия. По физической природе процессов – туннельные, светодиоды, фотодиоды и др. По назначению выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др. По технологии изготовления p n перехода – сплавные, диффузионные и др.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Конструкция полупроводниковых диодов. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p типа проводимости и p n переход большой плоскости (отсюда название).

Полупроводниковые диоды Большая плоскость p n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными. Точечные диоды.

Полупроводниковые диоды К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1 А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p область Получается p n переход очень малой площади. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер).

Полупроводниковые диоды Микросплавные диоды. Их получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p и n типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные. Вольтамперная характеристика и основные параметры полупроводниковых диодов

Полупроводниковые диоды Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p n перехода: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Выпрямительные диоды 1) Общая характеристика выпрямительных диодов. Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряже нию, а также имеют меньший обратный ток. Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов

Полупроводниковые диоды Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей. Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД.

Полупроводниковые диоды Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

Полупроводниковые диоды Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – поддержание какого то уровня неизменным. По конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремниевые. Принцип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

Полупроводниковые диоды Таким участком является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих добавок в полупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой. Так как участок электрического пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным включением Резистор Ro задаёт ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст. min и Iст. max. Такое значение тока называется номинальным током стабилизации. Принцип действия. При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряжения ток через стабилитрон и URo увеличивается, а напряжение на нагрузке всё равно остаётся постоянным и равным напряжению стабилизации. Вывод: стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст. min до Iст. max.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Стабилитроны, предназначенные для стабилизации малых напряжений, называются стабисторами. Стабисторы – для стабилизации напряжения менее 3 В, и у них используется прямая ветвь ВАХ. Применяются стабисторы в прямом включении.

Полупроводниковые диоды Варикапы. Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная ёмкость, величина которой варьируется при изменении обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной ёмкости, управляемый напряжением. Принцип действия. Если к p-n переходу приложить обратное напряжение, то ширина потенциального барьера увеличивается.

Полупроводниковые диоды При подключении обратного напряжения ширина перехода ΔХ увеличивается, следовательно, барьерная ёмкость будет уменьшаться. Основной характеристикой варикапов является вольтфарадная характеристика С=f(Uобр).

Полупроводниковые диоды Фотодиоды. Фотодиодом называется фотогальванический приёмник излучения, светочувствительный элемент которого представляют собой структуру полупроводникового диода без внутреннего усиления. Принцип действия. При облучении полупроводника световым потоком Ф возрастает фотогенерация собственных носителей зарядов, что приводит к увеличению количества как основных, так и неосновных носителей зарядов. Однако фотогенерация в значительной степени будет влиять на обратный ток, так как не основных носителей зарядов значительно меньше, чем основных.

Полупроводниковые диоды Для фотодиодов Iобр – это фототок. Зависимость фототока Iф от величины светового потока Iф=f(Ф) Спектральная характеристика – это зависимость фототока от длины волны светового излучения Iф=f(λ).

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Светодиоды. Светодиодом называется полупроводниковый прибор, в котором происходит непосредственное преобразование электрической энергии в энергию светового излучения. Принцип действия. При прямом включении основные носители заряда переходят через p n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых ти пов на основе арсенида галлия ширина запрещённой зоны ΔW достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра. При обратном включении через p n переходят неосновные носители заряда в область, где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.

Полупроводниковые диоды Основные характеристики: а) Яркостная характеристика – это мощностная зависимость излучения от прямого тока Pu=f(Iпр). б) Спектральная характеристика – это зависимость мощности излучения от длины волны Pu=f(λ).

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковые диоды Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p n перехода при подаче на него импульсного напряжения.

Полупроводниковые диоды В промежуток времени от 0 до t 1 p n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент t 1 p n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время tуст. , которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p n перехода. В момент времени t 2 p n переход почти мгновенно закрывается. Область p проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p n перехода возвращаются в n область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p области обратный ток уменьшается, и через время tвосст. p n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов.

Полупроводниковые диоды Диоды ВЧ. Это универсальные диоды, которые могут быть детекторными, модуляторными, импульсными при достаточных длительностях импульса, и даже выпрямительными при малых токах нагрузки. Основное отличие ВЧ диодов – обратная ветвь вольтамперной характеристики плавно понижается (увеличивается обратный ток, постепенно переходя в область электрического пробоя). Такое понижение обратной ветви ВАХ объясняется усиленной термогенерацией собственных носителей зарядов на малой площади p n перехода. Микросплавные ВЧ диоды имеют бoльшую барьерную ёмкость, чем точечные, и для того, чтобы их можно было использовать на высоких частотах, вблизи p n перехода понижают концентрацию акцепторной и донорной примеси. Понижение концентрации примеси приводит к увеличению ширины p n перехода, следовательно, к уменьшению барьерной ёмкости:

Полупроводниковые диоды СВЧ диоды. На СВЧ используются диоды Шоттки и диоды с p n переходом, площадь которого значительно меньше, чем у точечных. Заострённая вольфрамовая проволока в виде пружины прижимается к базе с определённым усилием, за счёт чего образуется очень малой площади p n переход.