Электрофизические свойства полупроводников

Электрофизические свойства полупроводников

Все вещества состоят из атомов. Атомы состоят из положительного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Заряд ядра определяется положительно заряженными протонами, содержащимися в ядре. Отрицательный заряд электрона равен по величине положительному заряду протона. Электроны вращаются вокруг ядра по строго определённым орбитам, сгруппированным в слои, количество электронов в слоях строго определено. Электроны, находящиеся во внешних слоях, определяют валентность элемента. Внешний слой легко отдаёт и воспринимает электроны. Чем дальше ядра находится орбита электрона, тем большей энергией он обладает, то есть, расположен на более высоком энергетическом уровне.

Под воздействием тепла, света или других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на ещё более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон при дальнейшем увеличении энергии может покинуть поверхность вещества.

Если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, то есть определёнными порциями.

Элементы электронных схем

Полупроводниковые диоды.

Диод – это полупроводниковый прибор с одним p– n– переходом и двумя выводами. Конструктивно диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором одним из технологических приёмов (сплавление, диффузия) выполнен p – nпереход.

Принцип действия диода основан на свойствах p–n – перехода, образованного в результате соединения полупроводников с различными типами проводимости. Основной характеристикой диода служит его вольт – амперная характеристика.

 

 

ВАХ полупроводникового диода.

ВАХ показывает, что прямой ток в десятки мА получается при прямом напряжении в десятые доли вольта. Поэтому сопротивление бывает несколько десятков Ом. Нелинейность в начале характеристики для прямого тока объясняется тем, что существует сопротивление запирающего слоя, которое уменьшается при увеличении . При напряжении в десятые доли вольта запирающий слой исчезает и остаётся постоянное сопротивление, поэтому далее характеристика линейна.

Характеристику для обратного тока показывают в другом масштабе. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт составляет единицы или десятки мкА. При увеличении обратного напряжения обратный ток увеличивается незначительно. Рост тока в дальнейшем происходит за счёт нагрева перехода в результате ударной ионизации (увеличения носителей заряда). Это явление вызвано тем, что при высоком электроны, приобретая большую скорость, выбивают из кристаллических решёток других атомов всё больше электронов. Процесс усиливается с увеличением напряжения. При некотором значении возникает пробой p – n -перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Различают электрический и тепловой пробой p – n– перехода. Электрический пробой (участок АБВ) является обратимым, то есть при данном виде пробоя в диоде не происходит необратимых явлений. Тепловой пробой (участок ВГ) необратим, он сопровождается разрушением структуры вещества в месте p–n – перехода.

Разновидности диодов

Выпрямительные диоды

Предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, ёмкости p – n– перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют.

Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь p – n– перехода выполняется относительно большой и ёмкость перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы из открытого состояния в закрытое и, наоборот (при смене полярности приложенного напряжения) протекают относительно долго.

Выпрямительный диод представляет собой вентиль. Подаче на вход переменного напряжения диод откроется при положительной полуволне и закроется при отрицательной полуволне. При этом напряжение на выходе будет иметь вид, представленный на рисунке.

Стабилитроны

Стабилитроны –диоды, использующие при работе участок вольт – амперной характеристики, соответствующей обратному электрическому пробою.

Стабилитрону свойственна стабильность, то есть неизменность падения напряжения на нём при изменениях в несколько раз тока, протекающего через него.

Благодаря этому свойству стабилитроны применяются в качестве источников опорного напряжения, которое должно оставаться неизменным при изменении других параметров схемы

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном в цепь включают резистор , ограничивающий ток , который является обратным для структуры стабилитрона.

При изменениях входного напряжения меняется ток и падение напряжения на сопротивлении .

Избыток напряжения выделяется на сопротивлении , а остаётся неизменным, следовательно и напряжение на нагрузке, включённой параллельно стабилитрону, будет стабильно.

ВАХ при обратном токе показывает, что в режиме стабилизации напряжение меняется мало. Характеристика для прямого тока стабилитрона такая же, как и для обычных диодов.

Кремниевые стабилитроны могут быть изготовлены на малые напряжения (единицы вольт), а именно такие нужны для питания многих транзисторных схем.

Напряжение стабилизации может быть примерно от 5 до 200 В, изменение тока стабилитрона от до составляет десятки и даже сотни миллиампер.

 

 

Основные параметры стабилитронов:

1. Напряжение стабилизации – напряжение на стабилитроне при протекании через него тока стабилизации;
2. Ток стабилизации – значение постоянного тока, протекающего через стабилитрон в режиме стабилизации;
3. Дифференциальное сопротивление стабилитрона – дифференциальное сопротивление при заданном значении тока стабилизации, т. е .

Стабисторы.

Полупроводниковые приборы, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения. Однако, в отличии от стабилитронов, у стабисторов используется не обратное напряжение, а прямое. Значение напряжения мало зависит от тока в некоторых его пределах. При изменении прямого тока в диапазоне от до падение напряжения будет изменяться в относительно в небольшом диапазоне .

В основном стабисторы выполняются из кремния и имеют напряжение стабилизации в среднем около 0,7 В.

Ток стабисторов обычно может быть от 1 мА до нескольких десятков мА.

Чтобы получить стабильное напряжение в единицы вольт, необходимо последовательно соединить несколько стабисторов. Особенность стабисторов – отрицательный температурный коэффициент напряжения, то есть напряжение стабилизации с повышением температуры уменьшается.Основные параметры стабисторов такие же, как у стабилитронов.

ВАХ стабистора.

 

 

Варикапы.

Диоды, работающие при обратном напряжении, от которого зависит барьерная ёмкость. Таким образом, варикап представляет собой конденсатор переменной ёмкости, управляемый электрически, то есть изменением обратного напряжения.

Ёмкость конденсатора представляет собой зависимость: С =

где S – площадь обкладок конденсатора, d - расстояние между

обкладками, e, –абсолютная и относительная диэлектрические проницаемости среды.

Вольт-фарадная характеристика

 

При постоянной абсолютной и относительной диэлектрических проницаемостей материала и площади p–n –перехода, ёмкость варикапа зависит только от ширины p – n–перехода.

Ширина p –n – перехода d зависит от приложенного обратного напряжения (чем больше обратное напряжение, тем больше ширина p – n -перехода). Поэтому чем больше обратное напряжение, тем больше ширина p – n–перехода и тем меньше ёмкость варикапа.

Светодиод
Схема работы светодиода
Светодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении. Под действием электрического поля внешнего источника потоки электронов и дырок движутся навстречу друг другу. В зоне p-n перехода они встречаются, и происходит рекомбинация (исчезновение) электронов и дырок. Однако, исчезая, они выплескивают свою энергию в виде квантов света – фотонов. Таким образом, светодиод излучает свет. У светодиодов КПД преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую.
Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов.

Фотодиод
Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении. В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.

Схема работы фотодиода.
Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны и дырки под действием электрического поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя, образуется электрический ток.
Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы. Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и весом. Фотодиоды являются быстродействующими при­борами, что позволяет их использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала.
С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой технологии основана работа видеокамер.

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p–n – переходами, имеющий три электрода. Две крайние области обладают одинаковым типом проводимости. Если средняя область обладает электронной проводимостью, то транзистор p – n – p–типа, если же средняя область p– типа, то транзистор n – p – n–типа.

n – p – n p – n - p

Средняя область транзистора - база. Одна из крайних областей транзистора – эмиттер. Она предназначена для инжекции (впрыскивания) неосновных носителей зарядав область базы. Электронно – дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерным. Вторая крайняя область, предназначенная для экстракции (изъятия) из базы неосновных носителей заряда называется коллектором. Переход между базой и коллектором называется коллекторным.

Схема с ОЭ

Данная схема включения биполярного транзистора является наиболее распространённой, так как даёт наибольшее усиление по мощности.

Усилительные свойства транзистора характеризует один из главных его параметров - статический коэффициент передачи тока базы или статический коэффициент усиления по току . Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, его определяют в режиме без нагрузки (R_к = 0). Численно он равен:

при U_к-э = const

Этот коэффициент бывает равен десяткам или сотням, но реальный коэффициент k_i всегда меньше, чем , т. к. при включении нагрузки ток коллектора уменьшается.

Коэффициент усиления по току:

Коэффициент усиления по напряжению:

Напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное достигает единиц и десятков вольт, следовательно, составит десятки – сотни.

Коэффициент усиления по мощности:

Коэффициент усиления каскада по мощности равен сотням, тысячам, а иногда десяткам тысяч.

Важной характеристикой является входное сопротивление R_вх, которое определяется по закону Ома:

и составляет обычно от сотен Ом до единиц кОм. Входное сопротивление транзистора при включении по схеме ОЭ, как видно, получается сравнительно небольшим, что является существенным недостатком.

К недостаткам также относят худшие частотные и температурные свойства (например,в сравнении со схемой ОБ). С повышением частоты усиление в схеме ОЭ снижается. К тому же, каскад по схеме ОЭ при усилении вносит значительные искажения.

 

Работа транзистора характеризуется семействами входных и выходных характеристик.

Входные характеристики показывают зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером, при постоянном напряжении, приложенном к коллектору. Выходные характеристики показывают зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном значении тока базы.

Входные характеристики Выходные характеристики

 

Схема с ОБ.

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Коэффициент усиления по току схемы ОБ всегда немного меньше единицы:

т. к. ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Статический коэффициент передачи тока для схемы ОБ обозначается и определяется:

при u_к-б = const

Этот коэффициент всегда меньше 1 и чем он ближе к 1, тем лучше транзистор.

Коэффициент усиления по напряжению получается таким же, как и в схеме ОЭ:

В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_u.

Входное сопротивление схемы ОБв десятки раз ниже, чем в схеме ОЭ.

Входные характеристики Выходные характеристики

Схема с ОК.

Схема получила название эмиттерный повторитель.Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передаетсяобратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь. Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме ОЭ:

Коэффициент усиления по напряжению приближается к единице, но всегда меньше её:

 

В итоге коэффициент усиления по мощности примерно равен k_i, т. е. нескольким десяткам.

Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает с входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.

Входное сопротивление схемы ОК довольно высокое (десятки – сотни кОм):

а выходное - сравнительно небольшое (сотни Ом – единицы кОм):

Это является немаловажным достоинством схемы.Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала, а также данная схема имеет наименьшее выходное сопротивление.

Шумы в транзисторах.

При большом коэффициенте усиления, в приборе, включенном на выходе усилителя слышен шум или шорох (даже при отсутствии сигнала на входе). Чем больше коэффициент усиления, тем больше собственный шум приёмника.

Исследования показали, что токи и напряжения в электрических цепях совершают небольшие хаотичные колебания (флюктуации). Это происходит за счёт теплового движения электронов. При повышении температуры флюктуации усиливаются. При усилении сигнала флюктуации проявляются в виде шумов.

При исследовании постоянного тока было выявлено, что помимо постоянной составляющей , он содержит и переменную составляющую . Объясняется это тем, что количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника в равные малые промежутки времени, разное.

В ходе экспериментов было доказано, что шумовой ток представляет собой сумму переменных составляющих с различными частотами от нуля до сверхчастот. Однако любой усилитель пропускает колебания лишь в определённом диапазоне частот. Поэтому на выходе усилителя будет восприниматься лишь часть составляющих шума, определяемая шириной полосы пропускания частот данного усилителя.

Собственные шумы транзисторов ограничивают чувствительность приёмников и устройств, предназначенных для обнаружения, усиления и измерения слабых сигналов. В случае, когда полезный сигнал слабее собственных шумов, обнаружение таких сигналов практически невозможно.

За счёт происходящих флюктуации, в любом резисторе наводится шумовая ЭДС. Действующее значение этой ЭДС определяется формулой Найквиста:

где k – постоянная Больцмана (1,38 ).

Т – абсолютная температура, К.

Полный шум, возникающий в транзисторе, имеет несколько составляющих.

- Тепловые шумы. Обуславливаются тепловыми флюктуациями электронов в любом транзисторе. Так как все области транзистора обладают сопротивлением, то в них возникают шумовые напряжения. Поскольку сопротивления эмиттерной и коллекторной области сравнительно малы, то основную роль в создании тепловых шумов имеет сопротивление базы.

-Дробовые шумы. Определяются флюктуациями инжекции и экстракции в эмиттерном и коллекторном переходе.

- Шумы токораспределения (ток эмиттера между током коллектора и базы)

- Рекомбинационные шумы. Происходит за счёт процессов рекомбинации.

- Мерцательные шумы. За счёт флюктуации токов утечки с поверхности полупроводников.

Для оценки шумовых свойств транзисторов служит коэффициент шума :

Отношение мощности полезного сигнала к мощности шумов на выходе меньше, чем на входе, так как обе мощности на выходе усилены в k раз, но к мощности шумов транзистор добавляет ещё собственный шум показывает во сколько раз это отношение на входе больше, чем на выходе.

принято измерять в дБ:

(при значение Fбудет 10,20,30 дБ)

По частоте шумы распределены неравномерно. В диапазоне средних частот F имеет минимальное и примерно постоянное значение.

 

Схемы питания цепей базы

В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника . В подавляющем большинстве случаев транзистор усиливает сигналы переменного тока, т. е. на вход транзистора подается чаще всего знакопеременный сигнал. Но поскольку эмиттерный р-n -переход, обладает вентильными свойствами, то через него пройдет только положительная полуволна входного сигнала, а отрицательная полуволна будет им срезана и, следовательно, усиливаться не будет. Для того, чтобы этого не было, чтобы усилить весь сигнал, во входную цепь транзистора вводят так называемое смещение.

Для нормального режима работы необходимо, чтобы между эмиттером и базой было постоянной напряжение (напряжение смещения базы ).

В простейшем случае ток на базе транзистора можно задать при помощи резистора. Такая схема задания рабочего режима транзистора называется схемой с фиксированным током базы.

На схеме с фиксированным током базы ток задается резистором R1. При увеличении входного напряжения от источника питания на входе схемы, ток базы также увеличится. Поскольку , то увеличится и падение напряжения на резисторе . Следовательно, уменьшится.

В результате на входной характеристике наблюдают, что не увеличивается, а уменьшается с увеличением , то есть рабочая точка ходит по характеристике. То есть работа схемы будет определяться входным сигналом и /

Схема с фиксированным напряжением база – эмиттер .

В данную схему включён резистор , образуя делитель . Через протекает ток , а через резистор протекает суммарный ток, определяемый .

Ток делителя, протекающий через резистор должен составить падение напряжения, соответствующее , поэтому:

Ток выбирают большим, с учётом оптимальной стабилизации рабочей точки.

Пусть , тогда вызовет лишь незначительное изменение , таким образом, работа схемы будет определяться лишь входным сигналом. Следовательно, рабочая точка не будет перемещаться по входной характеристике. Однако, в этом случае будет очень мало, поскольку – входное сопротивление усилителя, то это недопустимо. Поэтому ток делителя выбирают . В этом случае каскад начинает работать стабильно.Разделительные емкости Ср1 и Ср2 разделяют постоянный и переменные составляющие сигнала. При отсутствии разделительных конденсаторовк входу данного усилительного каскада присоединился бы выход предыдущего каскада, уменьшая при этом входное сопротивление.

Схемы термостабилизации

Для термостабилизации применяют введение отрицательных обратных связей по току и напряжению.

 

Полевой транзистор

Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода: исток(источник носителей тока), сток(электрод, куда стекают носители), затвор(управляющий электрод), в которых выходным током управляют с помощью электрического поля.

Между истоком и стоком в кристалле полупроводника располагается канал, по которому течёт ток транзистора. Канал выполняется из полупроводника одного типа проводимости, либо n – типа, либо p–типа. Управление током транзистора осуществляется изменением проводимости канала, которая зависит от напряжения . В отличие от биполярного транзистора, ток в полевом транзисторе протекает через канал одного типа проводимости, тогда как в биполярном транзисторе ток течёт через два p – n–перехода. В полевом транзисторе ток через p – n– переход не течёт. Поскольку направление тока от истока к стоку, а управление током осуществляется посредством затвора, то исток соответствует эмиттеру биполярного транзистора, сток – коллектору, а затвор – базе. Изменение проводимости канала может осуществляться двумя способами. В зависимости от способа управления различают полевые транзисторы с управляющим p – n–переходом и полевые транзисторы с изолированным затвором.

 

Тиристоры

Условное обозначение

ДинисторТринистор

Тиристор – полупроводниковый прибор с тремя и более p – n – переходами, ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления. Тиристор - прибор с двумя устойчивыми режимами работы (включен, выключен).

Тиристор по принципу действия — прибор ключевого типа. Во включенном состоянии он подобен замкнутому ключу, а в выключенном — разомкнутому ключу.

При включении в цепь переменного тока тиристор открывается и начинает пропускать ток в нагрузку лишь тогда, когда значение напряжения достигает определённого уровня, либо при подаче отпирающего напряжения на специальный управляющий электрод.

Тиристоры подразделяются на двухэлектродные (диодные) и трёхэлектродные (триодные). Тиристоры имеют четырёхслойную структуру полупроводника с электропроводимостями разного типа. Крайние слои – анод и катод. У триодных тиристоров третий электрод служит управляющим

К аноду и катоду тиристора подключается источник внешнего напряжения . Средние слои и – базовые области. База имеет контакт, называемый управляющим электродом (УЭ). Управляющий электрод подключается к внешнему источнику управляющего напряжения . Таким образом, четырёхслойная структура – сочетание двух транзисторов в одном приборе: – один транзистор и – второй транзистор.

Переход – коллекторный для обоих транзисторов, а переходы и – эмиттерные переходы.

Если ток в цепи управляющего электрода равен нулю ( = 0), а между анодом и катодом приложено напряжение указанной на ВАХ полярности, меньше напряжения , то переходы и сместятся в прямом направлении, а переход - в обратном. При этом большая часть приложенного напряжения будет восприниматься переходом .

С повышением внешнего напряжения ток растёт, так как увеличивается смещение переходов и в прямом направлении. При этом снижение потенциального барьера перехода приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу , часть которых, избежав рекомбинации достигает перехода и перебрасывается его полем в базу . Рост концентрации носителей в базе приводит к уменьшению потенциального барьера , в результате увеличивается инжекция дырок из в . Дырки, продиффундировав через базу достигают перехода и перебрасываются его полем в . При этом концентрация их возрастает, что ведёт к уменьшению потенциального барьера. Таким образом, в структуре развивается лавинообразный процесс увеличения тока (участок оа).

Когда внешнее напряжение станет = , происходит резкое увеличение концентрации электронов в базе и дырок в базе , что приводит к быстрому снижению напряжения , следовательно, напряжение на тиристоре уменьшается, так как . Поэтому на прямой ветви вольт – амперной характеристики появляется участок отрицательного сопротивления (аb), где рост тока обусловлен уменьшением напряжения. С развитием лавинообразного процесса, при котором происходит включение тиристора, ток в его внешней цепи растёт до значения, определяемого и (участок сd). При этом напряжение между анодом и катодом невелико, так как все переходы смещены в прямом направлении.

Для выключения тиристора необходимо уменьшить ток до значения, не превышающего некоторого удерживающего (точка с). Кроме этого можно подать на тиристор напряжение обратной полярности. При этом переходы и смещаются в обратном направлении, а – в прямом направлении. Вольт – амперная характеристика при этом получается такой же, как и для обычного диода при обратном включении (участок ое).

 

 

Электрофизические свойства полупроводников

Все вещества состоят из атомов. Атомы состоят из положительного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Заряд ядра определяется положительно заряженными протонами, содержащимися в ядре. Отрицательный заряд электрона равен по величине положительному заряду протона. Электроны вращаются вокруг ядра по строго определённым орбитам, сгруппированным в слои, количество электронов в слоях строго определено. Электроны, находящиеся во внешних слоях, определяют валентность элемента. Внешний слой легко отдаёт и воспринимает электроны. Чем дальше ядра находится орбита электрона, тем большей энергией он обладает, то есть, расположен на более высоком энергетическом уровне.

Под воздействием тепла, света или других внешних факторов электрон из валентной зоны может перейти на ещё более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон при дальнейшем увеличении энергии может покинуть поверхность вещества.

Если электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом. Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, то есть определёнными порциями.