Полупроводники, их Характерные отличительные свойства

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР

Роль и место полупроводников в развитии электроники

Общая характеристика

В настоящее время международный рейтинг любого государства существеннейшим образом определяется уровнем развития электроники и внедрения ее новейших достижений в современные гражданские и военные отрасли в виде изделий электронной техники.

Электроника – это наука, во-первых, ‑ о формировании потоков электронов и управлении ими в приборных структурах для приема, обработки, хранения и передачи информации, а также преобразования энергии из одних форм в другие, и, во-вторых, о методах создания электронных приборов и устройств на их основе, предназначенных для решения указанных выше и других задач, связанных, например, с автоматикой, медициной, бытовой техникой.

Непрерывный прогресс в электронике и электронной технике неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при разработке новых уникальных современных электронных приборов и устройств. При этом перед специалистами соответствующего профиля все чаще возникает сложнейшая задача по созданию материалов со свойствами не только количественно, но и качественно отличающимися от ранее достигнутых.

Характерным примером этому может служить создание материалов, которые способны генерировать высокочастотные электрические колебания при их подключении к источнику постоянного напряжения. То есть, они обеспечивают реализацию сложных функциональных характеристик прибора исключительно за счет специфических электронных свойств собственной структуры. Материалы подобного типа обеспечивают развитие нового направления в электронике, которое получило название «Функциональная электроника».

(Пример материала с S-ОДС).

 

Характерные отличительные свойства полупроводников

И общее представление о природе этих свойств

Феноменологические отличия

 

История изучения свойств твердотельных материалов, которые в настоящее время относятся к классу полупроводников, насчитывает более 150 лет. Таким образом, полупроводники заинтересовали исследователей еще до начала первого периода развития электроники.

Вначале деление материалов на металлы, полупроводники и диэлектрики основывалось на различной способности проводить электрический ток, т.е. на различии в величине удельной электрической проводимости (или удельной электропроводности) s.

Указанный параметр связан с удельным электрическим сопротивлением ρ следующим хорошо известным соотношением

 

s = 1/ρ, (1)

 

откуда следует, что в силу [ρ] = Ом·м, [s] = (Ом·м)^-1.

В таблице 2 представлены диапазоны численных значений ρ и s, исторически сложившиеся на основании результатов многочисленных экспериментальных исследований.

 

Таблица 2 – Диапазоны численных значений удельной электропроводности и удельного электросопротивления твердых тел при комнатной температуре

 

Твердотельные материалы	ρ, Ом·см	s, (Ом·см)-1
Металлы	10-6…10-4	106…104
Полупроводники	10-3…109	103…10-9
Диэлектрики	1010…1022	10-10…10-22

 

Как следует из Таблицы 2, по указанным электронным параметрам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками электрического тока (металлами) и не проводниками электрического тока (диэлектриками).

Фундаментальное физическое отличие между кристаллическими

Рисунок 12

 

Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) еще часто называется омической, поскольку соответствует закону Ома для участка цепи

 

I = (1/ R)· U,(18)

 

где R – сопротивление участка цепи.

 

Однородные полупроводниковые структуры являются базовыми для изделий электронной техники, которые называются полупроводниковыми резисторами, а также для датчиков Холла.

Полупроводниковые резисторы в зависимости от области применения и связанных с последней особенностей конструктивно-технологического решения подразделяются на:

- терморезисторы (термисторы – α_Т < 0 и позисторы - α_Т > 0);

- фоторезисторы (изменяют – чаще уменьшают свое сопротивление при облучении фотоактивной компонентой электромагнитного излучения);

- газорезисторы (изменяют свое сопротивление – уменьшают или увеличивают при появлении посторонней газовой примеси в фоновой газовой среде);

- варисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием сильного электрического поля);

- магнеторезисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием магнитного поля);

- моностабильные и бтстабильные переключатели тока (разновидность быстродействующих варисторов);

--элементы оперативной и постоянной репрограммируемой энергонезависимой электрической памяти.

Диодные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат один выпрямляющий переход, определяющий наиболее важные с практической точки зрения электрические и фотоэлектрические свойства базирующихся на них приборов.

Как следует из jpg-файла “Основные типы полупроводниковых структур”, такие приборы подразделяются на диоды Шоттки (по фамилии немецкого физика, впервые предложившего указанные приборы и теоретически обосновавшего принцип их работы) и диоды с p-n -переходом.

Диод Шоттки – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой трехслойную структуру металл/полупроводник/металл с выпрямляющим переходом у контакта между полупроводником и одним из металлов и с омическим (не выпрямляющим) контактом между полупроводником и другим металлом (отличающимся по электронным параметрам от первого).

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 14.

Диод с p-n-переходом – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру металл/полупроводник р ‑типа/полупроводник n -типа/металл с выпрямляющим переходом в области контакта полупроводников р - и n -типа, а также с омическими контактами этих полупроводников с металлическими электродами.

Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 15.

Схематическое изображение ВАХ обоих типов диодов приведено на рисунке 16.

Рисунок 15 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения диода с p-n -переходом: МЭ1 и МЭ2 – ме-таллические электроды 1 и 2; зеленые области - области обогащения полупро-водника основными носителями заряда (электронами в полупроводнике n -типа или дырками в полупроводнике р -типа); розовые области – области обеднения полупроводниковых слоев основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n -типа или дырками в полупро-воднике р -типа); внутри указанных облас-тей обеднения присутствует нескомпенси-рованный объемный заряд (отрицатель-ный со стороны полупроводника р -типа и положительный со стороны полупровод-ника n -типа.   Присутствие указанного объемного заряда в этих областях обеднения приводит к наличию в них встроенного электрического поля, вектор напряжен-ности которого направлен справа налево. Так как концентрация посителей заряда в областях обеднения намного ниже, чем в остальных электронейтраль-ных областях полупроводникового мате-риала, то их сопротивление намного выше, чем сопротивление остального объема полупроводникового материала. Поэтому все прикладываемое к диодам извне напряжение U практически полнос-

Рисунок 14 - Упрощенное схематичес-кое изображение вертикального сечения ди-ода Шоттки: МЭ1 и МЭ2 – металлические электроды 1 и 2; красная область – область обеднения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n -типа или дырками в полупро-воднике р -типа); зеленая область - область обогащения полупроводника основными но-сителями заряда (электронами в полупро-воднике n -типа или дырками в полупро-воднике р -типа)

 

 

	Рисунок 16 – Схематические изображения ВАХ: 1 – диодов; 2 – для сравнения – ВАХ однородных полупроводниковых структур

 

 

тью падает на областях обеднения полупроводниковой приборной структуры, в связи с чем именно эти области и определяют особенности ВАХ диодов – как диодов Шоттки, так и диодов с p-n -переходами. Как показано теоретически и подтверждено экспериментально, в силу специфики переноса зарядов под влиянием прикладываемого к диодам внешнего напряжения U прямые (U > 0) и обратные (U < 0) ветви их ВАХ (Рис. 16) описываются соотношением

 

I = I ₀{ exp [(eU /(kT)]-1}, (19)

 

где I ₀ – не зависящий от U в случае диода Шокли диодный ток насыщения, наблюдаемый как полка на обратной ветви ВАХ при | U | > 0,1 В (Рис. 16, U < 0); e = 1,6·10^-19 Кл – абсолютное значение заряда электрона; k = 1,38·10^‑23 Дж/К (или 8,6·10^‑5 эВ/К) – постоянная Больцмана; Т – температура диода.

 

В связи с сильной нелинейностью и асимметрией ВАХ диоды широко используются, например, для выпрямления знакопеременного тока, в частности, промышленной частоты. При этом практически важным параметром диода является его коэффициент выпрямления К, который определяется соотношением

 

К = I (U *>0)/ I (U *< 0), (20)

 

где * - указывает на то, что | U | = const при прямой и обратной полярностях подаваемого на диод напряжения.

 

Для получения представления о количественных значениях коэффициента выпрямления в зависимости от | U | предлагается, используя соотношения (19) и (20), выполнить самостоятельную расчетную работу по определению величины К для диода Шокли при | U |₁ = 0,2 В, | U |₂ = 0,4 В и | U |₃ = 0,6 В. Отчет о проведенной работе с приложением соответствующих конкретных численных операций оформить как самостоятельную работу и сдать преподавателю.

 

Транзисторные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат два взаимодействующих выпрямляющих электрических перехода, либо выпрямляющие электрические переходы и взаимодействующий с ними проводящий канал, свойства которого управляются электрическим полем, создаваемым внешним источником напряжения.

Такие структуры лежат в основе, прежде всего, трехэлектродных приборов – транзисторов, которые подразделяются на биполярные и полевые. Принцип работы этих приборов построен на изменении электросопротивления одних элементов структуры под влиянием других ее элементов, что и отражает составное слово «транзистор»:

transistor ≡ transfer resistor ≡ преобразуемый резистор.

Далее, начиная со следующей страницы, приведена несколько более подробная информация, относящаяся к указанным типам транзисторов.

 

 

 

 

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Рисунок 17

Рисунок 18

 

(Рис. 17 в).

 

 

 

Рисунок 19

 

 

.

Рисунок 20

:

 

 

 

Рисунок 21

Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе при активном режиме его работы

 

 

Вместе с тем, наиболее значительное усиление входного сигнала обеспечивает включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

 

 

При этом в случае активного режима работы транзистора

 

і _Э = і_К + і_Б,

 

а поскольку

і_Б << і_К,

 

то і _Э ≈ і_К.

 

В результате, коэффициент усиления по току

 

,

где:

- максимальный выходной ток;

- максимальный ток коллектора;

- максимальный входной ток;

- максимальный ток базы.

 

Коэффициент усиления по напряжению

 

.

 

Коэффициент усиления мощности

 

 

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Основные преимущества

ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА