Основы электроники

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЗБЕКСКОЕ АГЕНСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие для бакалавров

по направлениям

5522200 «Телекоммуникации»

5522100 «Телевидение, радиосвязь и радиовещание»

5522200 «Радиотехника»

Х.К. АРИПОВ, А.М. АБДУЛЛАЕВ, Н.Б. АЛИМОВА

Ташкент - 2008

Х.К. Арипов, А.М. Абдуллаев, Н.Б. Алимова Электроника. Учебное пособие - Ташкент: ТУИТ, 2008, 136 с. План 2008-2009 уч. г.

Рецензенты:

Ш.З. Таджибаев - кандидат технических наук, доцент

Р.К. Каримов - кандидат технических наук, доцент

В учебном пособии рассматривается элементная база устройств полупроводниковой электроники. Приведены классификация, вольт- амперные и другие характеристики диодов, транзисторов, основные схемы включения и особенности их применения в конкретных приборах в различных режимах работы. Значительное место уделено принципам построения типовых аналоговых и цифровых устройств. Приведены способы математического описания их работы, а также основам анализа и синтеза устройств с заданными техническими характеристиками.

Дается описание лабораторных работ, позволяющих получить основные характеристики и параметры электронных приборов и некоторых устройств аналоговой и цифровой схемотехники.

Учебное пособие предназначается для бакалавров, чье образование связано с областью информационных и телекоммуникационных технологий.

© Издание Ташкентского университета информационных технологий, 2008

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

ГЛАВА I. Полупроводниковые приборы

1.1 Энергетические зоны

1.2 Собственная электропроводность

1.3 Примесная электропроводность

ГЛАВА II. Электронно-дырочный переход

2.1 Образование р-n- перехода

2.2 Прямое включение р-n- перехода

2.3 Обратное включение р-n- перехода

2.4 Вольт - амперная характеристика (ВАХ) р-n- перехода

2.5 Разновидности пробоя р-n перехода

ГЛАВА III. Полупроводниковые диоды

3.1 Выпрямительные диоды

3.2 Стабилитроны

3.3 Варикапы

3.4 Туннельный диод

3.5 Генераторные диоды

3.6 Диоды оптоэлектроники

3.7 Оптроны

ГЛАВА IV. Биполярные транзисторы

4.1 Общие сведения

4.2 Схемы включения БТ

4.3 Статические характеристики БТ

4.4 Физические параметры БТ

ГЛАВА V. Полевые транзисторы

5.1 Общие сведения

5.2 Статические характеристики ПТ

5.3 Основные характеристики ПТ

5.4 МДП - транзистор с индуцированным каналом

5.5 МДП- транзистор с встроенным каналом

ГЛАВА VI. Широкополосные усилители

6.1 Усилительный каскад на БТ

6.2 Усилительный каскад на ПТ

6.3 Многокаскадные усилители

6.4 Выходные каскады (усилители мощности) аналоговых интегральных микросхем

6.5 Эмиттерный повторитель

ГЛАВА VII. Интегральные микросхемы

7.1 Общие сведения об ИМС

7.2 Пленочные и гибридные ИМС

7.3 Полупроводниковые ИМС

ГЛАВА VIII. Схемотехника усилительных устройств

8.1 Основные параметры и характеристики усилителей

8.2 Комплементарный эмиттерный повторитель

8.3 Усилители на основе балансных схем

8.4 Генератор стабильного тока

8.5 Схема сдвига уровня постоянного напряжения

8.6 Дифференциальные усилители

8.7 Операционные усилители

ГЛАВА IХ. Схемотехника полупроводниковых статических цифровых ИМС

9.1 Основы цифровой техники

9.2 Параметры логических ИМС

9.3 Ключи на БТ

9.4 Ключи на ПТ

9.5 Базовые элементы логических интегральных схем

ГЛАВА Х. Лабораторные работы

Лабораторная работа № 1. Исследование характеристик и параметров полупроводниковых диодов

Лабораторная работа № 2. Исследование статических характеристик и параметров биполярных транзисторов

Лабораторная работа № 3. Исследование полевого транзистора с управляющим переходом

Лабораторная работа № 4. Исследование параметров операционных усилителей

Лабораторная работа № 5. Исследование ключевых схем на полевых транзисторах

Лабораторная работа № 6. Исследование интегральных схем транзисторно - транзисторной логики

Лабораторная работа № 7. Исследование интегральных оптронов

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Электроника - наука, занимающаяся изучением взаимодействия электронов с электромагнитными полями, разработкой методов создания электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации.

Электроника, прежде всего, обеспечивает информационные потребности человеческого общества. Развитие производительных сил и производственных отношений основано на создании новых видов техники и технологии, тесно связано с развитием средств информатики. История развития средств информационного общения между людьми состоит из нескольких этапов: жест и мимика, звуковая речь, письменность, книгопечатание, электроника. В настоящее время все эти средства передачи, обработки и хранения информации используются человеческим обществом. Переход к каждому новому способу передачи информации приводил к резкому увеличению производительных сил общества. Электроника резко увеличила скорость, объемы передачи информации на громадные расстояния. полупроводниковый электроника диод транзистор

Электроника в своем развитии прошла четыре периода.

Первый период развития электроники начался с изобретения беспроводного телеграфа - радио А.С. Поповым в 1895 г. Аппаратура средств связи этого периода состояла из пассивных элементов: проводов, катушек индуктивности, магнитов, резисторов, конденсаторов, электромеханических приборов (переключателей, реле и т.п.).

Второй период начался с изобретения Л.де Форестом в 1906 г. лампового триода. Триод явился первым активным электронным прибором, способным к различного рода преобразованиям электрических сигналов, а главное - усилению мощности. Благодаря усилению слабых сигналов с помощью электронных ламп стало возможным передача телефонных разговоров на большие расстояния. Электронные лампы позволили перейти к передаче по радио речи, музыки, а затем и к передаче изображений с помощью телевидения. Элементы аппаратуры электроники второго периода - электронные лампы, резисторы, конденсаторы, трансформаторы.

Третий период развития электроники начался с изобретения в 1948 году Дж. Бардином, В. Браттейном и В. Шокли биполярного транзистора - основного активного (усилительного) элемента твердотельной (полупроводниковой) электроники. Транзистор способен выполнять все функции электронной лампы.

С появлением транзистора, благодаря его способности выполнять функции переключателя, малым габаритом и высокой надежности, появилась реальная возможность создания сложных электронных устройств и систем, содержащих тысячи электрорадиоэлементов (ЭРЭ). Но оказалось, что такие устройства легко спроектировать, но почти невозможно безошибочно собрать и обеспечить их работоспособность. Дело в том, что каждый ЭРЭ создавался отдельно (дискретные элементы) и требовал индивидуального соединения (монтажа) с другими элементами. Даже при самом тщательном монтаже не удавалось избежать таких ошибок, как обрывы, короткие замыкания, и обеспечить работоспособность системы сразу после сборки. К примеру, разрабатываемые в конце 50-х годов ЭВМ должны были содержать около 100 тысяч диодов и 25 тысяч транзисторов, не считая десятков резисторов и конденсаторов.

Дискретные элементы характеризуются средней мощностью 15 мВт, средним размером (с учетом соединений) 1 см³, средней массой 1 г и вероятностью отказа (выхода из строя) 10^-5 ч^-1. В результате ЭВМ на дискретных элементах рассеивала бы мощность 3 кВт, имела габариты 0,2 м³, массу 200 кг и выходила бы из строя каждый час. Всё это говорит о малой работоспособности ЭВМ. Следовательно, создание сложных электронных устройств средствами дискретной транзисторной техники оказалось невозможным. Требовалась качественно новая элементная база, которая обеспечивала бы несколько порядков меньшие вероятность отказов, стоимость, габариты и т.п. Именно такой элементной базой и явились интегральные микросхемы.

Четвертый период развития электроники начался с создания электронных устройств и систем на базе интегральных микросхем (ИМС) и носит название периода микроэлектроники.

Первые изделия микроэлектроники - интегральные микросхемы, появились в конце 60-х годов. В настоящее время ИМС изготавливаются в трех конструктивно-технологических вариантах: толстопленочные и тонкопленочные гибридные интегральные микросхемы (ГИС) и полупроводниковые интегральные микросхемы.

Помимо решения проблемы межсоединений элементов в РЭА интегральные микросхемы обеспечивают малые габариты, электропотребление, массу и низкую материалоемкость аппаратуры. Отсутствие многочисленных выводов и корпусов у электрорадиоэлементов намного сокращает объем и массу РЭА.

ГЛАВА I. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

1.1 Энергетические зоны

Устройства современной электроники изготавливаются из полупроводниковых материалов. Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике в основном используют кристаллические полупроводники (монокристаллы с примесями не более одного атома примеси на 10¹⁰ атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происходит их название). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ См/м (Сименс на метр). У металлов =10⁶-10⁸ См/м, у диэлектриков =10^-8-10^-13 См/м. Основная особенность полупроводников заключается в возрастании удельной электрической проводимости при повышении температуры, а у металлов она падает. Электропроводность полупроводников зависит от облучения светом и от содержания даже незначительного количества примесей. Свойства полупроводников описываются с помощью зонной теории твердого тела.

Любое твердое тело представляет собой множество сильно взаимодействующих друг с другом атомов. Поэтому всю совокупность атомов в куске твердого тела рассматривают как единую структуру. Связь атомов в твердом теле устанавливается вследствие попарного объединения электронов внешней оболочки атомов (валентными электронами). Такая связь называется ковалентной.

Энергия валентного электрона W как и любого электрона в атоме дискретна, или квантована, т.е. электрон может иметь некоторое разрешенное значение энергии, называемое энергетическим уровнем. Энергетические уровни разделены зонами запрещенной энергии для электронов. Их называют запрещенными зонами. Так как в твердом теле соседние атомы находятся очень близко друг от друга, это вызывает смещение и расщепление энергетических уровней, в результате чего образуются энергетические зоны, называемые разрешёнными. В энергети-ческой зоне число разрешённых уровней равно числу атомов в кристалле. Ширина разрешённых зон обычно равна нескольким электрон - вольтам (электрон-вольт - это энергия, которую приобретает электрон, пройдя разность потенциалов 1В). Минимальный уровень энергии в разрешенной зоне называют дном (W_с), а максимальный потолком (W_v).

На рис. 1.1 приведена зонная энергетическая диаграмма полупроводника. Ширина запрещенной зоны W_з является важнейшим параметром полупроводника.

Рис. 1.1

Для полупроводников, которые наиболее часто используются в электронике, W_з (эВ) равна: для германия - 0,67, для кремния - 1,12 и для арсенида галлия - 1,38.

У диэлектриков ширина запрещенной зоны W_з 2 эВ, а у металлов разрешенные зоны сливаются, так что у них ее нет.

Верхняя разрешенная зона называется зоной проводимости, то есть электроны, обладающие соответствующей энергией, под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в объеме полупроводника, создавая электропроводность. Электроны с энергией, соответствующей одной из энергий зоны проводимости, называются электронами проводимости или свободными носителями заряда. Нижняя разрешенная зона называется валентной зоной.

При температуре абсолютного нуля (0 К) все энергетические уровни в валентной зоне полупроводника заняты электронами, а все энергетические уровни в зоне проводимости свободны.

1.2 Собственная электропроводность

Приблизительно 97 % всех изделий полупроводниковой электроники выполняются на основе кремния. На рис. 1.2. приведена упрощенная модель решетки (а) и зонная энергетическая диаграмма (б) для беспримесного кремния. Если в кристалле полупроводника практически не содержится примесей и нет структурных дефектов кристаллической решетки (пустых узлов, сдвигов решетки и др.), то полупроводник называется собственным, который принято обозначать буквой i.



Рис. 1.2

Из рис. 1.2 а видно, что в собственном кристалле кремния четыре валентных электрона его атома связаны с четырьмя валентными электронами соседних атомом кремния, образуя устойчивую восьмиэлектронную оболочку (прямые линии). При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры или при освещении часть ковалентных связей может быть разорвана и валентные электроны получают необходимую энергию для перехода в зону проводимости (рис. 1.2 б).

В результате валентный электрон становится свободным носителем заряда, и при приложении напряжения он будет принимать участие в образовании тока. Потеря электрона превращает атом в положительный ион.

Одновременно в валентной зоне появляется свободный уровень и у валентных электронов появляется возможность изменять свою энергию, то есть переходить с одного разрешенного уровня валентной зоны на другой. Таким образом, он может участвовать в процессе протекания тока через полупроводник. С повышением температуры всё большее число валентных электронов переходит в зону проводимости, и электропроводность возрастает.

Свободный энергетический уровень в валентной зоне или свободную валентную связь называют дыркой, которая является свободным носителем положительного заряда, равного по абсолютной величине заряду электрона. Перемещение дырки соответствует встречному перемещению валентного электрона.

Таким образом, разрыв ковалентной связи между атомами приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки вблизи того атома, от которого оторвался электрон. Процесс образования электронно - дырочных пар называется генерацией носителей заряда. Если этот процесс происходит под воздействием теплоты, то его называют теплогенерацией. Появление электрона в зоне проводимости и дырки в валентной зоне представлено в виде кружков с соответствующими знаками зарядов на рис. 1.2 б, стрелкой обозначен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости.

Электроны и дырки, образовавшиеся в результате генерации, совершают хаотическое движение в полупроводниковом кристалле в течение некоторого времени, называемого временем жизни, после чего свободный электрон заполняет незаполненную связь, становится связанным. При этом одновременно исчезает электронно - дырочная пара. Этот процесс называют рекомбинацией.

При постоянной температуре (в отсутствии других внешних воздействий) кристалл находится в состоянии равновесия. Это означает, что число генерированных пар носителей заряда равно числу рекомбинированных пар. Число носителей заряда в единицу объема, то есть их концентрация, определяет значение удельной электронной проводимости. В собственном полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок (n_i= p_i). Буквы n (от negative) и p (от positive) связаны соответственно с электронами и дырками. Электроны и дырки, возникшие в беспримесном полупроводнике, называются собственными свободными носителями зарядов, а обусловленная ими электропроводность - собственной электропроводностью.

1.3 Примесная электропроводность

Подавляющее большинство полупроводниковых приборов создаются на основе примесных полупроводников. Примесными полупроводниками называются такие полупроводники, в которых электропроводность в основном обусловлена носителями заряда, образующимися при ионизации атомов примеси.

При введении в кремний атома V группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре из пяти его валентных электронов вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних атомов кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый же электрон будет избыточным и оказывается слабо связанным со своим атомом. Поэтому при воздействии малой тепловой энергии он легко отрывается и превращается в свободный электрон (рис. 1.3 а), дырки при этом не образуется. На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона с уровня доноров W_d в зону проводимости (рис. 1.3 б). Примесный атом превращается в неподвижный ион с единичным положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной.

При изготовлении полупроводниковых приборов вводится много атомов примеси (порядка 10¹⁴-10¹⁸ атомов на 1 см³). При комнатной температуре каждый атом примеси образует по одному свободному электрону. Дырки образуются за счет термогенерации при переходе электронов атомов кремния в зону проводимости, как в собственном полупроводнике.



Рис. 1.3

Введение в полупроводник донорной примеси на много порядков увеличивает концентрацию свободных электронов, а концентрация дырок существенно уменьшается по сравнению с концентрацией в собственном полупроводнике. Примечательно, что произведение концентраций свободных носителей заряда np есть величина постоянная при неизменной температуре и определяется только шириной запрещенной зоны полупроводника. Полезно запомнить, что при Т=300 К (комнатная температура) в кремнии np0,64•10²⁰ см^-3, а в германии np4•10²⁶ см^-3. Таким образом, если, к примеру в кристалл кремния ввести донорную примесь в концентрации

N_d= 10¹⁶ см^-3, то при Т=300 К концентрация электронов проводимости будет составлять n=10¹⁶ см^-3, а дырок - всего 10⁴ см^-3, следовательно, в таком примесном полупроводнике электропроводность будет осуществляться в основном электронами, а сам полупроводник называется электронным или n-типа электропроводности. Электроны в полупроводниках n-типа называют основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Если в кремний введен атом трехвалентного элемента III группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, бора В), то его валентные электроны образуют три заполненные связи с валентными электронами соседних атомов кремния. Четвертая связь оказывается незаполненной. При воздействии даже небольшой тепловой энергии один из валентных электронов соседнего атома кремния заполняет эту связь. В результате на внешней оболочке атома бора появляется лишний электрон, то есть он превращается в неподвижный ион с единичным отрицательным зарядом. Незаполненная связь атома кремния и есть дырка (рис. 1.3 в). На энергетической диаграмме этот процесс соответствует переходу электрона из валентной зоны на уровень W_a и образованию в валентной зоне дырки (рис. 1.3 г). Свободного электрона при этом не образуется. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники, в которые введены атомы акцепторов - дырочными или р-типа электропроводности. Дырок в нем больше, чем свободных электронов, поэтому эти полупроводники обладают преимущественно дырочной электропроводностью. Дырки для проводника р-типа - основные носители заряда, а электроны - неосновные.

Уровень Ферми. Концентрация как подвижных, так и неподвижных носителей зарядов при заданной температуре определяется положением уровня Ферми W_F. Этот уровень представляет собой среднюю тепловую энергию тела на один электрон. Вероятность заполнения этого уровня при температуре, отличной от абсолютного нуля, равна 0,5.

Средняя тепловая энергия электронов и дырок определяется температурой полупроводника и равна kТ, где k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Но каждая частица имеет энергию, отличную от средней. Согласно закону Больцмана, описывающего поведение частиц в твердом теле, концентрация электронов в n - полупроводнике, энергия которых не меньше W_i, равна

(1.1)

где n_n - полная концентрация свободных электронов. Аналогичное выражение определяет распределение дырок по энергиям. Из (1.1) видно, что с ростом энергии частицы, число частиц резко уменьшается.

Для собственных полупроводников, где концентрация свободных носителей зарядов обоих знаков равны друг другу, уровень Ферми проходит посередине запрещенной зоны. В электронном полупроводнике средняя энергия электронов (и всего полупроводника) будет выше, следовательно, уровень Ферми смещается от середины в сторону дна зоны проводимости и находится тем ближе к дну зону проводимости, чем выше концентрация донорной примеси. В полупроводнике р-типа уровень Ферми смещается от середины запрещенной зоны в сторону валентной зоны и находится тем ближе к валентной зоне, чем выше концентрация акцепторной примеси.

В некоторых полупроводниковых приборах (туннельные диоды, стабилитроны с туннельным пробоем) используются так называемые вырожденные полупроводники. У таких полупроводников уровень Ферми располагается в разрешенных зонах: проводимости - для электронного и в валентной для дырочного полупроводника. Вырожденные полупроводники получают за счет очень большой концентрации примесей (10¹⁹ - 10²¹ см^-3).

Подвижность носителей заряда. Подвижность носителей - это их средняя направленная скорость в полупроводнике при напряженности электрического поля =1 В/см. подвижность электронов всегда больше подвижности дырок . Кроме того, подвижности зарядов зависят от типа полупроводника. Так, подвижность электронов в кремнии =1500 см²/(Вс), в германии =3900 см²/(Вс), в арсениде галлия =8500 см²/(Вс).

Если в полупроводнике создано электрическое поле, то появляется перемещение свободных носителей заряда. Такое перемещение называется дрейфовым движением. Скорость дрейфа пропорциональна напряженности электрического поля

(1.2)

Суммарная плотность дрейфового тока электронов и дырок

(1.3)

Коэффициент диффузии. Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. Направление движения свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением.

Плотность диффузионного тока электронов и дырок равна

 (1.4)

Здесь q - заряд электрона (дырки), D_n и D_p - коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно, dn/dx и dp/dx - градиенты концентрации электронов и дырок соответственно.

Параметры дрейфового и диффузионного движения связаны между собой соотношениями Эйнштейна.

(1.5)

В соотношениях (1.4) коэффициенты пропорциональности имеет размерность потенциала (вольт) и называется тепловым потенциалом. При комнатной температуре (Т=300 К) = 0,026 В = 26мВ.

Время жизни . Временем жизни носителя заряда называется время от его генерации до его рекомбинации. Этот параметр полупроводника имеет важное значение при конструировании полупроводниковых приборов (ширина базы в биполярных транзисторах, длина канала в полевых транзисторах). За время жизни, в результате диффузионного движения, носители заряда будут проходить некоторое среднее расстояние L, называемое диффузионной длиной.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные специфические особенности полупроводников.

2. Опишите зонную диаграмму полупроводника.

3. Что из себя представляет свободный носитель заряда (СНЗ) ?

4. Как описывается коллективное поведение электронов в валентной зоне?

Дайте определение электрону и дырке проводимости.

5. Что такое собственная электропроводность ? Чему равна концентрация

СНЗ в собственном полупроводнике ?

6. Какие примеси влияют на характеристики полупроводника ?

7. Что такое донорные и акцепторные примеси ?

8. Дайте определение электронному и дырочному полупроводнику.

9. Какие СНЗ называются основными, а какие - неосновными ? Как связаны

между собой их равновесные концентрации ?

10. Объясните, почему и как изменяется при изменении температуры

концентрация СНЗ в полупроводниках.

ГЛАВА II. ЭЛЕКТРОННО - ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

(р-n переход)

2.1 Образование р-n- перехода

Большинство полупроводниковых приборов изготавливаются с использованием так называемых неоднородных полупроводников. В частном случае неоднородный полупроводник представляет собой монокристалл, одна из областей которого - р-типа, а другая - n-типа.

В таком неоднородном полупроводнике на границе раздела р- и n- областей возникает слой пространственного заряда и внутреннее электрическое поле в границах этого слоя, этот слой носит название электронно-дырочного перехода или р-n-перехода. Свойства р-n- перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Рассмотрим механизм образования р-n-перехода. Для простоты будем считать, что концентрация электронов в n-области и дырок в р- области равны. Кроме того, в каждой области имеется небольшее количество неосновных носителей. При комнатной температуре в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов N_а равна концентрации дырок р_р, а в полупроводнике n-типа концентрация положительных ионов доноров N_g равна концентрации свободных электронов n_n. Так как между р- и n- областями имеется значительная разница в концентрации дырок и электронов, то при соприкосновении этих областей начнется диффузия электронов в р-область и дырок в n-область.

В результате диффузии концентрация электронов в пограничной n- области станет меньше концентрации положительных ионов доноров, и этот слой приобретет положительный заряд. Одновременно уменьшится концентрация дырок в пограничной р-области и она приобретет отрицательный заряд, обусловленный некомпенсированными зарядами ионов акцепторной примеси (рис. 2.1). Кружки с плюсом и минусом изображают ионы донорной и акцепторной примеси соответственно.

Образовавшийся двойной объемный слой пространственных зарядов называют р-n- переходом. Этот слой обеднён подвижными носителями зарядов. Поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и n- типов. Часто в литературе этот слой называют также обедненным, истощенным слоем, или i - областью.

Объемные заряды имеют разные знаки и создают электрическое поле р-n- перехода напряженностью . Оно является тормозящим для основных носителей заряда и препятствуют их свободному перемещению через р-n переход. На рис. 2.1 б показано изменение потенциала поля вдоль оси Х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.

Рис. 2.1

Из рисунка видно, что в р-n- переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разнице потенциалов , которую называют высотой потенциального барьера и выражают в вольтах. Величина U_к зависит от ширины запрещенной зоны исходного полупроводника и концентрации примесей. Контактная разность потенциалов большинства р-n- переходов из германия 0,35 В, а из кремния - 0,7 В.

Ширина р-n- перехода l₀ пропорциональна и составляет десятые доли или единицы мкм. Для создания узкого р-n- перехода вводятся большие концентрации примесей, а для увеличения l₀ следует использовать малые концентрации.

Токи в р-n- переходе. Основные носители заряда, имеющие энергию (см. 1.1), перемещаются через р-n- переход в смежные области за счет диффузии против поля р-n- перехода. Они образуют диффузионный ток. Одновременно с перемещением основных носителей заряда через р-n- переход начинается перемещение неосновных носителей (дырок в области n и электронов области р) в направлении поля р-n- перехода, которое для них является ускоряющим. Поток неосновных носителей является дрейфовым током. В отсутствии внешнего поля устанавливается динамическое равновесие, то есть диффузионный и дрейфовый ток оказываются равными по абсолютному значению. Но так как диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через р-n переход будет равен нулю.

2.2 Прямое включение р - n перехода

Если к р - n переходу подключить внешний источник напряжения U, то нарушится условие равновесия и начнет протекать ток. Если источник напряжения подключить знаком плюс к области р - типа, а знаком минус к области n - типа, то получим включение, которое называется прямым (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Электрическое поле источника напряжения направлено навстречу контактному полю, поэтому напряженность результирующего поля в р-n- переходе уменьшится. Уменьшение напряженности поля вызывает снижение высоты потенциального барьера на значение напряжения источника питания: U_к -U₀. Нетрудно убедиться, что при этом уменьшается и ширина р-n- перехода.

Уменьшение высоты потенциального барьера приводит к тому, что увеличивается число переходов основных носителей заряда через р-n- переход, то есть усиливается диффузионный ток. В каждой области появляются избыточные концентрации неосновных носителей заряда - дырок в n-области, электронов в р-области. Процесс нагнетания неосновных носителей заряда в какую либо область полупроводника называется инжекцией.

Изменение диффузионного тока с изменением напряжения происходит по экспоненциальному закону:

(2.1)

где I₀ - дрейфовый ток, или как его называют обратный ток р-n- перехода.

При прямом включении на обратный ток изменение высоты потенциального барьера не влияет, так как этот ток определяется только количеством неосновных носителей заряда, переносимых через р-n- переход в единицу времени в результате их хаотического теплового движения. Диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, поэтому результирующий (прямой) ток через р-n- переход с учётом (2.1)

. (2.2)

Ток I₀ составляет десятки мкА в германиевых или нанометры в кремниевых р-n- переходах, но сильно возрастает при увеличении температуры. Однако большая разница в величине I₀ определяется шириной запрещенной зоны.

2.3 Обратное включение р - n перехода

В этом случае внешнее напряжение U₀ приложено знаком плюс к n- области (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Электрическое поле источника напряжения направлено в ту же сторону, что и контактное поле перехода. Поэтому высота потенциального барьера увеличивается и становится равной U_K+U₀. Увеличение обратного смещения приводит к расширению р-n- перехода (<). Для практических расчетов удобно использовать следующую формулу:

, (2.3)

где - ширина р-n- перехода в отсутствии внешнего поля. Здесь - относительная диэлектрическая постоянная полупроводника, - электрическая постоянная.

Увеличение потенциального барьера приводит к снижению диффузионного тока. Изменение диффузионного тока происходит по экспоненциальному закону

. (2.4)

Поскольку дрейфовый ток не зависит от высоты потенциального барьера и равен I₀ , то результирующий ток через р-n- переход

. (2.5)

При обратном включении происходит извлечение (экстракция) неосновных носителей из контактирующих полупроводников. Поэтому обратный ток называется током экстракции.

2.4 Вольт - амперная характеристика (ВАХ)

р - n перехода

ВАХ называют зависимость тока через р-n- переход от приложенного к нему напряжения I=f(U). На основании (2.2) и (2.5) в самом общем виде она представляется экспоненциальной зависимостью (рис. 2.4 а)

. (2.6)

Если р-n- переход включен в прямом направлении, напряжение U₀ будет со знаком плюс, если в обратном - со знаком минус. При U_пр0,1 В можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным членом и прямой ток растет с повышением напряжения экспоненциально. При обратном включении обратный ток достигает значения - I₀ уже при напряжениях порядка -0,2 В и далее, с ростом напряжения не изменяется. Величина I₀ носит поэтому, название тока насыщения обратно включенного р-n- перехода.

а) б)

Рис. 2.4

Обратный ток на несколько порядков меньше прямого, то есть р-n- переход хорошо проводит ток в прямом направлении и плохо - в обратном. Следовательно, р-n- переход характеризуется выпрямляющим действием, что позволяет использовать его в качестве выпрямителя переменного тока.

Наклон прямой ветви ВАХ возрастает с ростом температуры (рис. 2.4. б), несмотря на то, что экспоненциальный член с ростом температуры уменьшается. Это обусловлено более сильной положительной температурной зависимостью I₀. В результате при прямых напряжениях с повышением температуры ток возрастает. На практике влияние температуры на ВАХ р-n- перехода оценивается параметром, который называется температурным коэффициентом напряжения (ТКН). Для определения ТКН, изменяя температуру, измеряют изменение напряжения на р-n- переходе при постоянном токе. Обычно ТКН имеет отрицательный знак, то есть с ростом температуры напряжение на переходе уменьшается. Для р-n- переходов из кремния ТКН составляет порядка 3 мВ/град.

Уравнение (2.6) описывает ВАХ идеализированного р-n- перехода. Считается, что в таком переходе объемное сопротивление р- и n- областей равно нулю, а при протекании тока в самом р-n- переходе не имеют место процессы рекомбинация. В реальном переходе сопротивление баз обычно составляет десятки Ом. Поэтому в формулу (2.6) вносится поправка, учитывающая различие напряжения на самом р-n- переходе и внешним напряжением U₀. С учетом этой поправки получим

(2.7)

Емкости р-n- перехода. При низких частотах ток р-n- перехода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода, а также р- и n- областей полупроводника (r_Б). При работе р-n- перехода на высоких частотах его инерционность во многом определяется его емкостью. Обычно учитываются две основные емкости р-n- перехода: диффузионная и барьерная.

При прямом включении р-n- перехода в смежные области инжектируются неосновные носители. Вследствие этого в тонких слоях около границы р-n- перехода появляются равные по значению и противоположного знака избыточные заряды неравновесных неосновных носителей Q_ДФ. При изменении напряжения изменяется число инжектированных носителей, а следовательно, и заряд. Это изменение, вызванное приложенным напряжением, подобно изменению зарядов на обкладках конденсатора. Поскольку неосновные носители заряда попадают в базу за счет диффузии, то эту емкость называют диффузионной и рассчитывают по формуле

. (2.8)

Из (2.8) следует, что диффузионная емкость будет тем больше, чем больше ток I через р-n- переход и чем больше время жизни носителей в базах .

Электронно-дырочный переход, представляющий собой двойной электрический слой, подобен заряженному конденсатору. Емкость перехода определяется площадью перехода S, его шириной и диэлектрической постоянной полупроводника. Емкость перехода называется барьерной и определяется следующим выражением

. (2.9)

Если к переходу приложено напряжение, то его емкость изменяется, поскольку при этом изменяется ширина перехода. Зависимость емкости от значения приложенного напряжения U имеет вид

. (2.10)

Знак минус берется в случае прямого включения перехода, знак плюс - в случае обратного включения. Поскольку С_Б зависит от приложенного напряжения, то р-n- переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости.

При прямом напряжении диффузионная емкость значительно больше барьерной, а при обратном напряжении - наоборот. Поэтому при прямом напряжении инерционность р-n- перехода определяется диффузионной емкостью, а при обратном - барьерной емкостью.

2.5 Разновидности пробоя р - n перехода

Как отмечалось выше, при не очень больших обратных напряжениях ток I₀ невелик. Когда обратное напряжение достигает некоторого порогового значения U_ПОР, обратный ток резко возрастает. Наступает так называемый электрический пробой перехода.

Все разновидности пробоя перехода разделяются на две группы: электрические и тепловой. Различают два механизма электрического пробоя - лавинный и туннельный пробои.

Лавинный пробой возникает в относительно широких р-n- переходах. В таком переходе при обратном напряжении электроны и дырки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации, в результате которой рождаются дополнительные электронно-дырочные пары. Каждый компонент этой пары, в свою очередь, ускоряясь в электрическом поле, может родить новую пару и т.д. Ток перехода, вследствие такого лавинного размножения носителей резко возрастает.

В полупроводниках с узким р-n- переходом возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом. При U_ОБР U_ПОР появляется возможность перехода носителей заряда из одной области в другую без затраты энергии (туннельный эффект). С дальнейшим ростом U_ОБР все большее число зарядов совершает туннельные переходы и обратный ток резко возрастает.

Тепловой пробой р-n- перехода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него обратным током при недостаточном теплоотводе. Обратный ток, являясь тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего возникает тепловой пробой р-n- перехода и выход его из строя.

Контрольные вопросы

1. Что такое р-n- переход и как он определяется?

2. Что происходит с р-n- переходом при его прямом и обратном включении ?

3. Что такое инжекция и экстракция неосновных носителей?

4. Как зависят токи инжекции и экстракции при изменении напряжения на переходе?

5. Почему р-n- переход имеет емкость, которую называют барьерной?

6. Как изменяется барьерная ёмкость р-n- перехода, если увеличить обратное напряжение ?

7. Что такое диффузионная емкость диода ?

8. В чем отличие реальной диодной структуры от идеализированного р-n- перехода ?

9. Поясните, как зависит ток диода от температуры.

10. Какие виды пробоя р-n- перехода существуют и в чем их отличие ?

ГЛАВА III. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Диодом называют электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. В справочниках по полупроводниковым приборам диоды классифицируются по применению в радиоэлектронной аппаратуре или по назначению.

3.1 Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения источников питания в постоянное. Основное свойство выпрямительных диодов - односторонняя проводимость, наличие которой определяет эффект выпрямления.

Частотный диапазон использования выпрямительных диодов очень широк. Поэтому диоды классифицируют по диапазону рабочих частот.

Выпрямительные низкочастотные диоды (НЧ диоды) предназначены для преобразования переменного тока промышленной частоты (50 Гц) в постоянный. Главное требование, предъявляемое к НЧ диодам, - это получение больших величин выпрямленных токов. Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А, от 0,3 до 10 А и свыше 10 А соответственно. НЧ диоды характеризуются большой площадью р-n переходов.

Выпрямительные высокочастотные диоды (ВЧ диоды) предназначены для нелинейного электрического преобразования сигналов на частотах до десятков и сотен мегагерц. ВЧ диоды используются в детекторах высокочастотных сигналов, смесителях, схемах преобразователей частоты и т.п. Высокочастотные диоды малоинерционны, т.к. содержат точечный р-n- переход малой площади и потому их барьерная емкость составляет доли пикофарады.

Диоды с барьером Шоттки распространены в переключательных источниках питания, так как позволяют увеличить рабочую частоту переключения до 100 кГц и более, уменьшить массогабаритные характеристики РЭА и повысить КПД источников питания. Потенциальный барьер Шоттки создается при контакте металла с полупроводником. В качестве материала полупроводника чаще всего используют кремний n-типа, а в качестве металла - Al, Au, Mo и др. При этом исходят из того, что работа выхода металла должна быть больше работы выхода кремния. В таких диодах диффузионная емкость равна нулю, а барьерная емкость не превышает 1 пФ.

3.2 Стабилитроны

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, принцип работы которых основан на том, что при обратном напряжении на р-n- переходе в области электрического пробоя напряжение на нем изменяется незначительно при значительном изменении тока. Условное обозначение стабилитрона приведено на рис. 3.1 б. Стабилитрон предназначен для стабилизации напряжения в схемах.

Основным электрическим параметром стабилитрона является напряжение стабилизации U_СТ, которое остается практически постоянным при изменение тока в широких пределах от I_СТ.min до I_СТ.max (рис. 3.1 а).

Рабочий участок ВАХ стабилитрона находится в области электрического пробоя. Напряжение стабилизации зависит от ширины р-n- перехода, которая определяется концентрацией примесей в базах диода. Если используется исходный полупроводник с высокой концентрацией примеси, то р-n- переход будет узким и наблюдается туннельный пробой. Рабочее напряжение не превышает 3-4 В.

Высоковольтные стабилитроны должны иметь большую ширину

р-n- перехода, поэтому их делают на основе слаболегированного кремния. В них происходит лавинный пробой, а напряжение стабилизации более 7 В. При U_СТ от 3 до 7 В работают оба механизма пробоя. Промышленность выпускает стабилитроны с напряжением стабилизации от 3 до 400 В.

Динамическое (дифференциальное) сопротивление стабилитрона в области электрического пробоя r_Д характеризует степень стабилизации. Значение этого сопротивления определяется отношением малого изменения напряжения на диоде к соответствующему изменению тока диода при заданном начальном значении этого тока (рис. 3.1. а). Чем меньше r_Д, тем лучше стабилизация.

Важным параметром стабилитронов является температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН). ТКН - это относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на один градус.

Рис. 3.1.

Низковольтные стабилитроны, где наблюдается туннельный пробой, имеют отрицательный, а высоковолтьные диоды, где наблюдается лавинный пробой, - положительный ТКН. Типовые значения ТКН обычно составляют не более 0,2 -0,4 %/град.

3.3 Варикапы

Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости барьерной емкости электрического перехода от обратного напряжения.

Основное применение варикапов - электронная перестройка частоты колебательных контуров. Существует несколько разновидностей варикапов. Так, параметрические диоды используются для усиления и генерации СВЧ - сигналов, а умножительное применяются в умножителях частоты с широким диапазоном частот.

3.4 Туннельные диоды

Туннельным диодом называют полупроводниковый прибор, сконструированный на основе вырожденного полупроводника, в котором при обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект и вольт-амперная характеристика имеет участок с отрицательным дифференциальном сопротивлением.

Устройство туннельных диодов в принципе не отличается от устройства других диодов, но для их изготовления применяют полупроводниковые материалы с содержанием примеси до 10²⁰ см^-3.

В случае нелинейной ВАХ каждый малый ее участок рассматривается как отрезок прямой линии и вводится дифференциальное сопротивление в данной точке характеристики . Если характеристика имеет падающий участок, то на этом участке R_i отрицательно.

ВАХ туннельного диода приведена на рис. 3.2. Участок АВ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если включить туннельный диод в контур электрической цепи, то при определенных соотношениях между параметрами контура и величиной отрицательного сопротивления в этой цепи возможны усиление или генерация колебаний. Туннельные диоды используют в основном для построения СВЧ генераторов в диапазоне 3-30 ГГц, а также специализированных вычислительных устройств и логических сверхбыстродействующих схем.

Рис. 3.2.

3.5 Генераторные диоды

Одной из разновидностей генераторных диодов является лавиннопролетный диод (ЛПД). На его ВАХ при лавинном пробое р-n- перехода на высоких частотах возникает участок с отрицательным сопротивлением. Если ЛПД поместить в резонатор, то в нем возникают незатухающие колебания с частотой до 100 ГГц. Выходная мощность колебаний может достигать 10 Вт (при f=1 ГГц). Коэффициент полезного действия ЛПД достигает 30-50 %.

Другой разновидностью генераторных диодов является диод Ганна, который представляет собой пластинку однородного полупроводника (без р-n- перехода) длиной 10^-2-10^-3 см. На торцевые части пластинки нанесены металлические контакты, называемые катодом К и анодом А. Для изготовления диодов Ганна используются интерметаллические соединения GaAs, InSb, InAs и InP с проводимостью n-типа. Диод включают в колебательный контур. При приложении к контактам постоянного напряжения, создающего электрическое поле с напряженностью около 3•10³ В/см в диоде Ганна возникают электрические колебания с частотой до 60 ГГц. Мощность колебания может достигать 10 - 15 Вт, а КПД достигает 10-12 %.