ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ 

         Цель работы:  Изучение принципа работы полупроводниковых приборов на примере биполярного и полевого транзисторов. Экспериментальное и компьютерное исследование их вольт-амперных  характеристик и расчет   основных h-параметров. 

1. Полупроводниковые диоды

    Диодами называют двухэлектродные элементы электрической цепи, обладающие односторонней проводимостью тока. В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость обуславливается применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p), а другой электронной (n) проводимостью.

                          А      p   n       К                   А                   К 

    Принцип действия полупроводникового  диода основывается на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и n- слоев, в так называемом электронно-дырочном p-n-переходе.

    В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией акцепторных и донорных примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях р_р и n_n. Типичными являются структуры с р_р » n_n. На примере германия принято следующее распределение концентраций: р_р = 10¹⁸ см ^–3, n_n = 10¹⁵ см ^–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при 20ºС n_i = 2,5 · 10¹³ см ^–3.

    В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ (рис.1) возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют  в   n-область,  электроны  из  n-области – в р-область.

При уходе  дырок из р-области в ней создается нескомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. Электроны, ушедшие из n-слоя оставляют здесь нескомпенсированный положительный объемный заряд. Наличие объемного заряда является главной особенностью p-n-перехода. 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                            A                                                         

                                                         -   +  +

                                            p           -   +  +        n

                                                         -   +  +

                                                         -   +  +  

                                                            B

                                       p_p 10¹⁸  

                                       n_i                             n_n 10¹⁵

                                       n_p 10⁹                      p_n 10¹²

                                                                                                x 

                           q                                   +

                                                                                                x

                                                       _                                                  

                           Е

                                                                                                x

                           φ                                                                   x 
 

                                     φ_o                                                                   Рис. 1 

Ввиду наличия объемного заряда в  р-n-переходе создаётся электрическое поле и разность потенциалов.

     Толщина слоя объемного заряда составляет доли микрометров. Внутреннее электрическое поле объемных зарядов с потенциальным барьером φ_о создает тормозящее действие дальнейшего диффузионного процесса. При комнатной температуре для германия φ_о = 0,3 ÷ 0,5 В, а для кремния φ_о = 0,6 ÷ 0,8 В.

     Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к p-n- структуре в прямом направлении, т.е. плюсом источника к выводу p-области, а минусом источника к выводу n-области. При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю, что приводит к уменьшению результирующего поля в p-n-переходе. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием поля через границу раздела.  
 

                                                            +      
 

                                                                    -    +

                                       p                           -    +                           n

                                                                    -    +

                             j                                                                                x

                                                             φ_o-U_a 

                                             φ_o 

                                                                          φ_o+U_a                                         a) 

                                    I_a 

                                                                                                     Рис. 2 
 

                               I_o

                                                                                                           U_a              б)

                                                                               ΔU_a

С повышением приложенного внешнего напряжения, диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшается потенциальный барьер), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход. Примерный вид прямой ветви вольтамперной характеристики p-n- перехода показан на рис. 2б.

     При подключении к диоду источника  внешнего напряжения в обратном направлении (рис.2а)  потенциальный барьер возрастает на величину U_а и становится равным φ_о+U_а. При этом увеличивается объемный заряд в p-n-переходе и его ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p-n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый ток, обусловленный неосновными носителями заряда, остается неизменным.

     Прямой ток диода создается основными носителями заряда, а обратный – неосновными. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию неосновных носителей. Этим и обуславливаются вентильные свойства p-n-перехода, а следовательно и диода. Проведенному теоретическому анализу вольт-амперной характеристики диода соответствует ее запись в аналитической форме:  

,   называемая  уравнением  Шокли.   При  20˚С  = 0,026 В. 

     По конструктивно-технологическим  признакам диоды подразделяются  на точечные и плоскостные,  сплавные и диффузионные, по функциональному  назначению и принципу образования p-n-перехода – на выпрямительные, импульсные, туннельные, диоды Шотки, стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и т.д. 

     Выпрямительные диоды. Это диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока в постоянный, к быстродействию, емкости p-n-перехода и стабильности параметров которого не предъявляют высоких требований. Их выполняют на сплавных и диффузионных несимметричных p-n-переходах. Они характеризуются  малым   сопротивлением  в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Емкость p-n-перехода из-за большой его площади относительно велика (десятки пикофарад), и, следовательно, переходные процессы протекают относительно долго.

     Импульсные диоды. Диоды, предназначенные для работы в импульсных цепях, должны иметь малую длительность переходных процессов, что можно обеспечить лишь уменьшением емкости p-n- перехода. Уменьшение емкости достигается за счет сокращения площади p-n-перехода. Однако это уменьшает теплоотвод, и естественно допустимые мощности рассеяния (30 – 40 мВт).

     Переходные процессы в диоде заключаются в следующем. При подаче к диоду импульса напряжения прямой полярности происходит инжекция неосновных носителей (дырок) из р-области в n-область и диод переходит из запертого состояния в открытое. Этот процесс определяет время установления прямого тока  t_уст. (рис. 3).

                               i

                                                     t_уст                  I_прям.

                                                                                   0,1 I_пр.           t 

                                                       i_обр.      

                                                                                       t_вост.                       Рис. 3 

     При изменении полярности импульса напряжения требуется время для рассасывания неосновных носителей из n-области и восстановления исходного состояния. Это рассасывание происходит как за счет рекомбинации дырок с электронами, так и за счет возвращения дырок в свою р-область. Этот процесс характеризуется временем восстановления обратного сопротивления t_вост . Это время в течение которого обратный ток уменьшается до 0,1 I_пр .

     Учитывая важность переходных  процессов для оценки работы  импульсных диодов, они (в дополнение к параметрам выпрямительных диодов) характеризуются временами t_уст и t_вост , а также емкостью p-n-перехода С_д и максимальным прямым импульсным напряжением U_пр.max .

     Диоды Шотки.        Металлополупроводниковые    диоды (диоды Шотки), у которых выпрямляющий переход представляет собой тонкую пленку молибдена или алюминия, нанесенную на пластинку кремния методом вакуумного испарения, обладают емкостью, не превышающую 0,01пкФ, что обеспечивает время их переключения доли наносекунды и предельную частоту работы десятки гигагерц. Благодаря меньшему прямому напряжению 0,3 В, вместо 0,7 В у диодов с p-n-переходом, они обеспечивают более высокий КПД.   Условное обозначение диода Шотки             отличается от выпрямительного и импульсного.

     Стабилитроны. Это диоды, использующие участок вольт-амперной характеристики p-n-перехода соответствующий обратному электрическому пробою. Работу стабилитрона иллюстрирует приведенная схема и вольтамперная характеристика (рис. 4).  

               R_o                                         U_ст                                    I

                                                                                                                  U

  U_вх           I_ст              U_ст     

                                                                         ΔI_ст

                                                     А                                                     I_ст

               Рис. 4

                                                               ΔU_ст 

     Во избежании теплового пробоя  последовательно со стабилитроном всегда включают резистор R_о, ограничивающий ток I_ст, который является обратным током для p-n-структуры стабилитрона.

     Дифференциальное сопротивление  стабилитрона  . Если напряжение U_вх может меняться в обе стороны от своего среднего значения, то точку “А” выбирают на середине вольт-амперной характеристики стабилитрона, причем

     Перейдя  к  приращениям, запишем   ,  а подставив ΔΙ_ст из выражения r_диф ,  получим: ,  откуда   .

При видно, что и стабильность выходного напряжения тем лучше, чем больше отношение .

     Основными параметрами стабилитрона  являются:

                                  U_ст – напряжение стабилизации;

                                  I_ст – минимальный ток стабилизации;

                                  I_{max ст} – максимальный ток стабилизации;

                                  r_диф – дифференциальное сопротивление;

                                  Р_max – максимальная мощность рассеяния;

                                  α_ст – температурный коэффициент стабилизации.

     Выпускаются кремниевые стабилитроны  на напряжение стабилизации от 1,3 до 400 В и на мощности от 250 мВт до 50 Вт.

     Варикапы. Это полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная емкость запертого p-n- перехода, зависящая от значения приложенного к варикапу обратного напряжения. Внешнее обратное напряжение, втягивая электроны в глубь n-области, а дырки в глубь p-области, расширяет p-n-переход, и в соответствии с выражением изменяет барьерную емкость от параметра d. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от значения обратного напряжения – вольт-фарадная характеристика (рис. 5). 

                                                         С    пФ      
 
 
 

       Рис. 5                                        0                                                       U_обр, В

                                                                                                 10В

Основными параметрами варикапов являются номинальная емкость и диапазон ее изменения, а также допустимое обратное напряжение и мощность. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре.

     Туннельные диоды. Так называют диоды, основанные на туннельном эффекте, который наблюдается в p-n-структуре с настолько большим содержанием примесей, что полупроводник приобретает свойства, близкие к металлам.

     Явление, заключающееся в том, что электрон, имеющий энергию, недостаточную для преодоления потенциального барьера p-n- перехода, все же проходит через него, если с другой стороны барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, который занимал электрон перед барьером, называют туннельным эффектом.

 Вероятность  туннельного перехода тем выше, чем уже p-n- переход и меньше его потенциальный барьер. В туннельных диодах благодаря высокой концентрации примесей толщина p-n-перехода составляет 0,01мкм, что в десятки раз меньше, чем у диодов других типов, поэтому туннельный эффект в них ярко выражен и приводит к своеобразному виду вольтамперной характеристики (рис. 6).

                                                          I_пр

             +                                                                                          

                U₀                                                           I_п                    А                                   C

                                          R₁                                          

                               I_a    

                        R₂

              +   

            U_вх.                                U_вых. 

                                                             I_в                                    B

             _                                                   U₁           U_п              U_в           U_pp      U_пр

                                                    Рис. 6

     Туннельный диод не обладает односторонней проводимостью.

     Основные параметры туннельных  диодов: пиковый ток I_п и напряжение пика U_п; ток впадины I_в и напряжение впадины U_в; напряжение раствора U_рр.

     Падающий участок АВ характеристики диода можно рассматривать как дифференциальное отрицательное сопротивление. На этом свойстве основано применение этих диодов для создания генераторов и переключающих схем.  

2. Биполярные транзисторы 

     Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя выводами, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода, которые образованы между тремя областями с чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n- типов.

     Средняя область называется  базой (Б). Переход, к которому приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а соответствующую наружную область – эмиттером (Э). Другой переход, смещенный в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующую наружную область – коллектором (К). 

                              Ge    n                                            Б       Э    n      p      

                      p                         p 

           Э                                              K                                                               n 

                  I_n                               I_n                                       K

                                                           а)                                                       б)

                                Б                                  

Рис. 7

     При изготовлении транзистора методом вплавления (рис.7а), базой его служит пластинка германия или кремния, например n-типа, на которую с двух сторон наплавляют капли акцепторной примеси, например индия.

В приграничных слоях между германием и индием образуются p-области, представляющие эмиттер и коллектор, расстояние между которыми (толщина базы) очень маленькое.

     Кроме того, концентрация атомов  примеси в области базы должна  быть во много раз ниже, чем  в области эмиттера. Это условие  очень важно для работы транзистора.

     Более совершенным является диффузионный метод изготовления транзисторов, при котором в пластинке кремния n-типа (рис.7б) с помощью фотолитографии формируют базовую и эмиттерную области, коллектором в такой n-p-n-структуре служит исходная пластинка кремния n-типа.

     Рассмотрим принцип действия транзистора на примере p-n-p- структуры. Между базой и эмиттером к транзистору подают прямое напряжение U_бэ, для которого эмиттерный переход открыт и, следовательно, под действием напряжения в доли вольта через него потечет значительный прямой ток эмиттера I_э. 

                   Э         Б         К                                      Э        Б        К

                    p        n         p                                        p         n         p     

      I_э                                          I_к                                                                I_к

                                                                      I_э    

   +                                               _               _                                             +     

   U_бэ                             I _б            +   U_бк       U_бэ                  I_б                 U_бк

  _                                                                +                                             _

                    Э                   К                                          Э                К   

                              Б

                                          а)                                              Б                    б) 

Рис. 8

     В транзисторах концентрация носителей в базе во много раз ниже, чем в эмиттере, поэтому ток I_э создается в основном дырками, инжектированными эмиттером в базу.

     Введенные в базу дырки пытаются рекомбинировать со свободными электронами базы, но так как последних мало, а область базы узкая, подавляющее большинство дырок успевает пройти через базу и достигнуть коллекторного p-n-перехода, прежде чем произойдет рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинированных дырок создает ток базы I_б (рис.8а).