Лекция2 проводимость полупроводников виды проводимости

Вид материала

Лекция

Содержание Эксплуатационные свойства Типы и маркировка полупроводниковых Температурный коэффициент стабилизации напряжения Динамическое сопротивление 2 — полупроводник с р — п-пе· Полупроводниковые триоды (транзисторы)

Подобный материал:

• «Введение в теорию полупроводников», 89.67kb.
• 1. Энергетические зоны и свободные носители заряда в твердых телах. Уровень Ферми, 21.7kb.
• Электрический ток в газах самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов, 128.37kb.
• Полимерные системы в катализе и электрокатализе возможности и перспективы, 16.03kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Конференция посвящена 50-летию создания Института физики полупроводников им., 59.44kb.
• Рабочая программа дисциплины «физическое материаловедение полупроводников-1», 98.52kb.
• Программу составил профессор, д ф. м н. В. Д. Кулаковский Аннотация, 94.53kb.
• Авторы программы: доцент Морозов В. Б., доцент Соломатин В. С., профессор Шувалов, 87.32kb.

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Работа полупроводникового диода зависит от условий окружающей среды. Так, электропроводность полупроводников получается достаточно высокой при температурах 50—60° С, так как с повышением температуры увеличиваются тепловые колебания электронов основного полупроводника и примеси. Часть электронов приобретает энергию, достаточную для преодоления связей с ядрами атомов. Атомы примеси отдают все свои носители зарядов быстрее и при меньшей температуре, чем атомы основного полупроводника. Поэтому при высоких температурах увеличение тока через η — р-переход определяется главным образом ростом электропроводимости основного полупроводника, а не примеси.

На рис. 76 штрих-пунктиром показана вольт-амперная характеристика диода при более высокой температуре окружающей среды. Из графика видно, что по мере повышения температуры увеличивается как прямой ток диода, так и обратный, а напряжение i/_0(5p. _HaKC снижается. Это объясняется тем, что собственная электропроводность полупроводника определяется равным количеством электронов и дырок, движущихся в противоположных направлениях. Различие концентраций носителей зарядов в материалах р- и /г-типа уменьшается, исчезает и контактная разность потенциалов. Поэтому полупроводниковый диод с повышением температуры ухудшает свои выпрямляющие (вентильные) свойства.

Германиевые полупроводниковые диоды работают при температурах до +70--+80° G, кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, доходящих W + 140-. + 150° О.

Существенным недостатком полупроводникового диода является зависимость его работы от частоты приложенного напряжения.

Ранее было установлено, что электрическое поле контакта Е_к смещает электроны и дырки в соответствующих направлениях, образуя своеобразный «барьер», ограничивающий перемещение зарядов. Область перехода оказывается обедненной подвижными носителями зарядов. Она как бы играет роль диэлектрика некоторого конденсатора, обкладками которого служат слои ρ и п. Емкость

этого «конденсатора» зависит от величины приложенного обратного напряжения. С увеличением последнего свободные электроны и дырки расходятся на большие расстояния друг от друга, толщина «диэлектрика» конденсатора становится больше, площадь

же остается прежней. Поэтому барьерная емкость C_fi падает. G увеличением прямого напряжения заряды смещаются друг к другу и С_б возрастает.

Диффузия через ρ — и-переход происходит сравнительно медленно, так как положительные заряды, пришедшие в η-область, притягивают к себе электроны, а электроны, пришедшие в р-область, притягивают к себе дырки. В объеме полупроводника появляется значительное количество связанных зарядов. Такое накопление зарядов эквивалентно некоторой диффузионной, так называемой динамической емкости. Поскольку увеличение прямого напряжения приводит к большему перемещению носителей через переход, то динамическая емкость возрастает. При увеличении обратного напряжения динамическая емкость уменьшается, так как количество связанных зарядов становится меньше.

Эквивалентная схема n — р-перехода представлена на рис. 77, где r₁ — собственное сопротивление полупроводника; r₂ — сопротивление перехода, зависящее от величины и полярности приложенного напряжения; С_соб = = С_б + С_д — собственная емкость n — р-перехода.

Барьерная и динамическая емкости зависят от величины и знака переменного напряжения, приложенного к полупроводниковому диоду. Во время отрицательного

полупериода переменного напряжения барьерная емкость значительно больше диффузионной, а во время положительного полупериода приложенного напряжения, наоборот, диффузионная емкость много больше барьерной. Поэтому в первом приближении собственную емкость С_со6 при любом знаке приложенного напряжения можно считать примерно постоянной.

С увеличением частоты напряжения, приложенного к полупроводниковому диоду, сопротивление собственной емкости падает, обратный ток возрастает (r₂ при этом может быть очень большим) и диод теряет свойство односторонней проводимости. Поэтому на частотах свыше 50 кГц применяют главным образом точечные полупроводниковые диоды, так как у них собственная емкость значительно меньше, чем у плоскостных диодов. Собственная емкость плоскостных полупроводниковых диодов составляет несколько десятков пикофарад. Точечные германиевые диоды имеют собственную емкость порядка 1,5—2 пф, а междуэлектродная емкость кремниевых точечных диодов составляет десятые доли пикофарады. Последнее обстоятельство позволяет использовать кремниевые диоды на более высоких частотах (до 500—600 МГц), чем германиевые.

Хорошая герметизация n — р-перехода, как правило, обеспечиваемая в полупроводниковых диодах, позволяет использовать их в условиях повышенной влажности.

Монтаж полупроводниковых диодов следует вести при помощи легкоплавкого припоя. В противном случае, вследствие перегрева, диод выйдет из строя. Пайку надо производить быстро, по возможности на большом расстоянии от корпуса прибора, а в качестве пинцета лучше использовать плоскогубцы с медными губками.

ТИПЫ И МАРКИРОВКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

диодов

Полупроводниковые диоды, выпускаемые отечественной промышленностью, по их назначению можно разделить на следующие основные группы: силовые, опорные, фотодиоды, импульсные, высокочастотные, параметрические.

Силовыми диодами называют плоскостные диоды, применяемые в различных выпрямительных устрой-

ствах, предназначенных для преобразования переменного напряжения в постоянное. Силовые диоды работают в ограниченном частотном диапазоне, так как их собственная емкость С_со6 велика (порядка нескольких десятков пико-фарад). Обычно эти диоды используются на частоте 50 гц, и лишь в специальных выпрямительных установках они работают на частоте 400 гц. Силовые диоды применяются также в инверторных устройствах, работа которых основана на преобразовании энергии источника постоянного тока низкого напряжения в переменное напряжение, амплитуда которого повышается с помощью трансформатора. В этом случае частота преобразования составляет обычно несколько килогерц. Таким образом, рабочая частота силовых диодов малой и средней мощности не превышает 10—20 кгц. Силовые диоды большой мощности работают только на частоте 50 гц.

Наиболее перспективным материалом для изготовления силовых диодов является кремний, так как он позволяет получить более высоковольтные диоды, чем германий. В плоскостных силовых диодах малой мощности (например, типа Д-7) тепло рассеивается непосредственно через корпус. В диодах средней мощности применяются специальные теплоотводящие устройства — радиаторы. Диоды большой мощности при работе выделяют столько тепла, что приходится применять воздушное или даже водяное принудительное охлаждение.

Силовые диоды характеризуются следующими параметрами: обратным током при некоторой величине обратного напряжения, падением напряжения на диоде при определенном прямом токе, диапазоном частот, в котором возможна работа диода без снижения выпрямленного тока, емкостью диода при данной величине напряжения и рабочим диапазоном температур.

Опорные диоды (стабилитроны) служат для стабилизации выпрямленного напряжения при изменении тока нагрузки. Нормальным режимом работц для опорных диодов является работа при обратном напряжении.

В качестве опорных диодов используются кремниевые диоды, в которых электрический пробой при не

переходит сразу в тепловой: ширина запретной зоны у кремния больше, чем у германия, и поэтому некоторое повышение температуры не приводит к массовому переходу электронов в зону проводимости.

Вольт-амперная характеристика опорного диода представлена на рис. 78.

Задавшись током /, протекающим через стабилитрон, можно по вольт-амперной характеристике определить напряжение стабилизации. Так как вольт-амперная характеристика имеет вид прямой линии, проходящей почти параллельно оси токов, то при изменении тока через прибор напряжение на диоде остается практически неиз-

менным.

Основными параметрами
опорных диодов являются: на
пряжение стабилизации U_a,
статическое сопротивление

динамическое со-



противление /?_д, температурный коэффициент стабилизации напряжения ТКН. Последний параметр является очень важным для характеристики стабилитронов, так как с изменением температуры меняется (U_ибр. _макс, а сле-

довательно, меняется и величина напряжения стабилизации.

Температурный коэффициент стабилизации напряжения представляет собой отношение относительного изменения напряжения к изменению температуры окружающей среды. Величина ТКН выражается в процентах на 1⁰ С и определяется выражением

(91)

Обычно значение ТКН не превышает 0,1—0,2% на 1⁰ С.

Динамическое сопротивление

наклон рабочего участка вольт-амперной характеристики стабилитрона и определяет степень стабилизации напряжения. В идеальном случае R_д = 0. При этом изменение тока не сопровождается изменениями напряжения на стабилитроне.

Фотодиоды служат для преобразования световой энергии в электрическую. Было установлено, что сопротивление запирающего слоя уменьшается при воздействии

на него света. Это свойство запирающего слоя и положено в основу изготовления из германия и кремния фотодиодов. Фотодиод представляет собой полупроводник с ρ — п-переходом. Напряжение источника питания прикладывается к прибору в обратном направлении (рис. 79). При отсутствии .освещения через фотодиод проходит обратный ток (темновой ток). При освещении фотодиода увеличивается число неосновных носителей (электронов

и дырок), что приводит к увеличению тока в цепи, а следовательно, и к росту напряжения на сопротивлении нагрузки R_n.

Фотодиоды находят широкое применение в измерительной и вычислительной технике, в различных автоматических устройствах. Германиевые фотодиоды обозначаются буквами ФД, а кремниевые — буквами ФДК.

Основными параметрами фотодиодов являются: рабочее напряжение, темновой ток, чувствительность, измеряемая в миллиамперах на люмен, и диапазон допустимых изменений температур. Срок службы фотодиодов при нормальных условиях эксплуатации более 500 часов.

Особый интерес представляют туннельные диоды.

По своему конструктивному оформлению туннельный диод аналогичен

обычному плоскостному полупроводниковому диоду.

Туннельные диоды обладают свойствами, позволяющими использовать их для усиления, генерирования и преобразования электромагнитных колебаний до нескольких сот тысяч мегагерц. Усилители, выполненные на туннельных диодах, отличаются очень высоким коэффициентом усиления, низким уровнем шумов и могут работать при температурах, достигающих нескольких сот градусов Цельсия.

В туннельных диодах используют полупроводниковые материалы (арсенид галлия, германий) с высоким содержанием примесей, вследствие чего концентрация электронов и дырок оказывается равной 10¹⁸—10¹⁹ 1/см³ (в обыч-

ных полупроводниковых диодах концентрация примесных атомов не превышает 10¹⁴—10¹⁵ \/см³). При такой концентрации примесей свойства полупроводника приближаются к свойствам металла.

Так как равновесная разность потенциалов и ширина приконтактного обедненного слоя на границе двух полупроводников с разными проводимостями пропорциональны концентрации электронов и дырок, то в туннельных диодах ширина обедненного слоя оказывается очень малой (порядка 10~⁵ мм); напряженность же электрического поля

на переходе возрастает до 5 10⁴-ь6-10⁴ в/мм. При этом электроны могут свободно переходить из валентной зоны в зону проводимости, не затрачивая на это энергию; им не приходится преодолевать потенциальный барьер: они проходят сквозь него, как через «туннель», почти мгновенно, за 10"^ιυ— 10"¹³ сек.

На рис. 80 показана вольт-амперная характе-

ристика туннельного диода. Для сравнения пунктиром показана вольт-амперная характеристика обычного полупроводникового диода. Как видно, ток туннельного диода уже при небольших значениях напряжений в прямом и обратном направлениях резко возрастает.

Туннельный ток в прямом направлении достигает максимального значения I_макс при напряжении U₁ равном примерно 0,06—0,1 в, после чего ток резко убывает и при напряжении U₂, равном 0,2—0,3 в, достигает значения I_мин. Уменьшение тока объясняется уменьшением числа электронов, способных совершать туннельный переход.

Дальнейшее увеличение тока туннельного диода при возрастании напряжения (так же как и у обычного полупроводникового диода) связано с тепловым движением носителей зарядов через потенциальный барьер. При напряжении U₃ ток туннельного диода опять достигает значения I_мако.

Параметрами туннельных диодов, кроме указанных напряжений и токов, являются: максимальный перепад напряженийв режиме переключения;

отношение пикового тока к току минимума (к току седла), называемое коэффициентом отношения токов Η =

и отрицательное сопротивление. На участке

вольт-амперной характеристики в интервале напряжений от U₁ до U₂ с ростом напряжения ток падает: на этом участке туннельный диод обладает некоторым отрицательным сопротивлением R_д. В паспорте туннельного диода, как правило, указывают минимальное значение отрицательного сопротивления:



Маркировку полупроводниковых диодов, производство которых освоено после 1965 г., определяют четыре элемента. Первым элементом обозначения является буква, которая указывает материал используемого полупроводника: Г — германий; К — кремний; А — арсенид галлия. Если первым элементом обозначения является цифра (1 вместо Г, 2 вместо К и 3 вместо А), то это указывает, что приборы могут работать при повышенных температурах (например, приборы с кремниевым основанием, обозначенные цифрой 2, могут работать при температуре до 120°С).

Вторым элементом маркировки является буква, определяющая назначение прибора: А — сверхвысокочастотные диоды; Д — выпрямительные универсальные, импульсные диоды; В — выпрямительные столбы (последовательное соединение ряда диодов); G — стабилитроны; Π — туннельные диоды; Ф' — фотодиоды и т. д.

Третий элемент маркировки (число) характеризует электрические свойства прибора. Выпрямительные низкочастотные диоды обозначаются цифрами от 101 до 399, универсальные — от 401 до 499, импульсные — от 501 до 599, усилительные туннельные диоды —от 101 до 199, генераторные туннельные диоды — от 201 до 299, переключающие -туннельные диоды — от 301 до 399, стабилитроны — от 101 до 999.

Четвертый элемент маркировки (буква) определяет разновидность типа прибора из данной группы приборов. Например, 1Д505Б — германиевый импульсный диод, раз-

новидность типа Б, или ЗИ302Б — арсенид-галлиевыи туннельный диод, разновидность типа Б.

Полупроводниковые диоды, разработка которых была закончена до 1965 г., обозначаются тремя элементами: первым элементом является буква Д; вторым элементом — число, указывающее диапазоны частот и исходный материал, из которого изготовлен диод; третий элемент определяет разновидность прибора.

ЛЕКЦИЯ 3

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРИОДЫ (ТРАНЗИСТОРЫ)

Принцип действия и устройство транзисторов

Полупроводниковые триоды, или транзисторы, широко применяются в современной электронной аппаратуре для усиления и генерирования электрических колебаний благодаря ряду достоинств по сравнению с электронными лампами. Транзисторы по своим размерам и весу в десятки раз меньше и легче электронных ламп; они обладают большой механической прочностью, долговечностью. Самым большим преимуществом транзистора является его высокая экономичность. В отличие от электронной лампы, у транзисторов отсутствуют цепи накала. Питающие напряжения, необходимые для их нормальной работы, в десятки раз меньше, чем у электронных ламп.

Вместе с тем, транзисторы, выпускаемые промышленностью, пока еще страдают многими недостатками, к которым относятся главным образом разброс параметров, зависимость их от температуры, ограниченный рабочий диапазон частот, сравнительно высокий уровень шумов. В целях ликвидации указанных недостатков ведутся соответствующие научно-исследовательские работы, но пока по этим причинам в ряде случаев не удается заменить электронную лампу транзистором.

Промышленность в основном выпускает плоскостные полупроводниковые триоды. По сравнению с точечными транзисторами они имеют более стабильные параметры, что способствует более устойчивой работе транзистора в схеме.

Полупроводниковый триод представляет собой систему, состоящую из двух близко расположенных n — р-переходов. Основным элементом транзистора, его базой

ЙЙ


Рис. 83. Схема, иллюстрирующая принцип действия транзистора.
(основанием) является кристалл германия или кремния с п- или р-проводимостью. Этот кристалл образует внутренний слой полупроводникового триода. Крайние слои имеют проводимость одного и того же типа, но противоположную проводимости базы. Один слой, называемый эмиттером, образует с базой эмиттерный переход. Другой крайний слой называется коллектором и образует с базой коллекторный переход.



Рис. 81. Схематическое (а) и условное (б) изображения транзисторов

В зависимости от чередования слоев с л- и р-проводи-мостями различают транзисторы типа η—ρ—η и транзисторы типа ρ—η—р. Следует иметь в виду, что, несмотря на одинаковую проводимость эмиттерного и коллекторного слоев, содержание примеси в них различно, поэтому эмиттер и коллектор не взаимозаменяемы. Наибольшую плотность основных носителей имеет эмиттер, а наименьшую — база.

На рис. 81 приведены схематическое и условное изображения транзисторов.

При изготовлении транзистора в качестве базы преимущественно используется германий, так как подвижность основных носителей в нем гораздо больше, чем в кремнии. Поэтому удается получить германиевые транзисторы, работающие на более высоких, по сравнению с кремние-

выми, частотах. Однако транзисторы с кремниевым основанием выдерживают более высокие температуры.

Конструкция плоскостного транзистора (германиевого триода типа п—р—п) показана на рис. 82. Его базой яв-

ляется пластинка кристалла германия. Толщина пластинки измеряется десятками, а иногда и единицами микрон. На пластинку германия с двух сторон наплавляется сурьма. В местах сплавления сурьмы и германия образуются два слоя (эмиттер и коллектор) с проводимостью типа п.

Пластинка германия крепится в кристаллодержателе, в свою очередь, укрепленном на металлическом основании корпуса транзистора, к которому непосредственно припаян вывод базы. Выводы от

эмиттера и коллектора пропущены также сквозь основание корпуса через проходные стеклянные изоляторы.

Подобное же устройство имеет плоскостной сплавной германиевый триод типа ρ—η—ρ, с той лишь разницей, что акцепторным веществом обычно является индий. Конструктивное оформление ρ—η—р-транзисто-ра ничем не отличается от подобного транзистора типа η—ρ—η, представленного на рис. 82.

Принцип действия полупроводникового триода заключается в том, что через эмиттерный пе-

реход э, на который подано прямое напряжение, проходит ток эмиттера /_э (рис. 83). Этот ток является суммой токов основных носителей эмиттера и основных носителей базы:

(92)



где