Основы электронной проводимости полупроводников.

Р а з д е л I. ОСНОВЫЭЛЕКТРОНИКИ

 

Г л а в а 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ.

Общие сведения.

 

Техника полупроводниковых приборов стала самостоятельной областью электроники. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах.

На всем протяжении развития радиотехники широко применялись кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые выпрямители для токов высокой частоты. Для выпрямления постоянного тока электрической сети использовались купроксные и селеновые полупроводниковые выпрямители. Однако они непригодны для высоких частот.

Ещё в 1922 г. сотрудник Нижегородской радио лаборатории О.В. Лосев получил генерирование электрических колебаний с помощью кристаллического детектора и сконструировал приёмник “Кристадин”, в котором за счет генерации собственных колебаний получалось усиление принимаемых сигналов. Он имел значительно большую чувствительность, нежели обычные приемники с кристаллическими детекторами. Открытие Лосева, к сожалению, не получило должного развития в последующие годы. Полупроводниковые триоды, получившие названия транзисторов, предложили в 1948 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли.

 

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

· малый вес и малые размеры.

· отсутствие затраты энергии на накал.

· большой срок службы (до десятков тысяч часов).

· большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

· различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

· маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях.

 

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

· параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

· свойства приборов сильно зависят от температуры.

· работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения и т.д.

 

Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применялись вакуумные лампы. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приёмниках, передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и во многих других устройствах.

 

Основы электронной проводимости полупроводников.

Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.

Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников сильно зависит от количества примесей в полупроводниках, сильно зависит о таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.

Принципы работы полупроводниковых диодов и транзисторов связаны с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеется электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током. Полупроводники обладают также дырочной электропроводимостью, которая не наблюдается в металлах. Отсутствие электрона в атоме полупроводника, т.е. наличие в атоме положительного заряда, назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовывалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или р-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Пусть внешнее напряжение отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Как и в любом другом случае диффузии, например наблюдающейся в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда,

 

Рисунок 1.1. Электронно-дырочный переход

 

где их концентрация велика, туда, где их концентрация мала. Таким образом, из полупроводника n -типа в полупроводник p -типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника p -типа в полупроводник n -типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение носителей показано на рисунке 1.1. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух проводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в области p возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами. На рисунке1.1 для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле. Направление вектора напряженности этого поля Е показано на рисунке1.1. Перемещение не основных носителей зарядов под действием поля, называется дрейфом носителей. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии называют диффузным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

Полупроводниками являются четырехвалентные элементы. В качестве основных материалов для изготовления полупроводниковых приборов используются кремний Si, германий Ge, а также арсенид галлия GaAS, карбид кремния SiC и др. Наиболее широко в настоящее время используется кремний.

Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем.

Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляют от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга.

Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к электрической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение. Аналогичное строение имеет и кристалл германия.

При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои «проторенные пути» и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.

Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700К число свободных электронов увеличивается от 10¹⁷ до 10²⁴ 1/м³. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место образовавшейся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь, а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью.

Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.

Проводимость чистых полупроводников (собственная проводимость) осуществляется перемещением свободных электронов (электронная проводимость) и перемещением связанных электронов на вакантные места парноэлектронных связей (дырочная проводимость).

Из рисунка 1.2,а видно, что валентная оболочка каждого атома полу­проводника имеет восемь электронов, т. е. оказывается полностью за­полненной. Это означает отсутствие свободных электронов, которые могли бы переносить электрические заряды.

 

 

Рисунок 1.2. Кристаллическая решетка полупроводника:

а) идеального полупроводника; б) примесного полупроводника дырчатого типа;

в) примесного полупроводника электронного типа.

 

Кристаллическая решетка, в которой все валентные электроны имеют парноэлектрические связи и все узлы решетки заполнены однородными атомами полупроводника, является идеальной. Идеальную структуру может иметь только совершенно чистый монокристалл полупроводника при нуле абсолютной температуры. При этом чистый кремний будет идеальным диэлектриком. Полупроводники с такой решеткой назы­ваются собственными полупроводниками.

Уже при комнатной температуре энергия некоторых электронов оказывается достаточной для разрыва парноэлектронной связи (для германия ΔW = 0;7 эВ, для кремния ΔW = 1,12 эВ), т. е. для отрыва электрона от атома и перехода его в зону проводимости. Вследствие разрыва одной парноэлектронной связи образуются два носителя заря­да: электрон и дырка. Как мы уже отмечали, дырка является носителем положитель­ного заряда. На самом деле дырки ничего не переносят: время от вре­мени дырку заполняет электрон, но при этом где-то в другом месте кри­сталла полупроводника обрывается связь и снова появляется дырка. В чистом полупроводнике концентрация электронов n_i равна концент­рации дырок p_i т. е. n_i = p_i (индекс означает чистый, «собственный»).

Если ввести в чистый полупроводник пятивалентный элемент, на­пример мышьяка As, то его четыре валентных электрона образуют пар­ноэлектронные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника (рис. 1.2,б), а пятый валентный электрон атома мышьяка в образова­нии парноэлектронной связи не участвует. Поэтому он оказывается слабо связанным с атомом мышьяка и при значении энергии 0,01 эВ отрывается от своего атома и свободно перемещается в объеме полу­проводника. При этом атом мышьяка превращается в положительно заряженный ион (неподвижный заряд), а кристалл полупроводника остается нейтральным. Такая примесь называется д о н о р н о й, а полупроводник, в котором основными носителями электрических за­рядов являются электроны, называется электронным полупроводни­ком, полупроводником n- типа (negative).

В полупроводнике n -типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки – не ос­новными. Если в кристалл чистого полупроводника ввести трехвалент­ный элемент, например индия In, то при этом три валентных электрона атома индия образуют только три парноэлектронные связи с тремя со­седними атомами, полупроводника. Четвертая связь может быть заполнена, когда­ энергия электронов оказывается достаточной для их перехода от атомов полупроводника к атомам индия. В атоме полупроводника появляется одна незаполненная связь, вакантное место - дырка. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательно заряженным ионом (рис. 1.2,в). Примеси, атомы которых захватывают и удерживают электроны атомов полупроводника, называются а к ц е п т о р н ы м и (ассер­tor - захватывающий).

Наличие в объеме полупроводника акцепторной примеси приводит к появлению в нем избытка дырок, т. е. к тому, что концентрация ды­рок становится больше концентрации свободных электронов.

Полупроводники с акцепторными примесями получили название дырочных полупроводников или полупроводников p -типа (positive).

В полупроводнике p - типа основными носителями зарядов являются дырки, а не основными - электроны.

 

 

Рисунок 1.3. Изготовление и нарезка кристаллов

 

Известно, что диоды, как и другие полупроводниковые приборы, изготавливают в два этапа. На первом этапе производят собственно прибор (так называемый кристалл), а на втором его монтируют в корпус.

Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов представляет собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков (рис.1.3,а), которые необходимо разделить на заготовки-пластины (рис.1.3,б).

Наши первобытные предки знали, как расколоть кусок кремния на тонкие и острые пластинки. Тысячелетия цивилизации не прошли для человека даром. Наши современники тоже умеют раскалывать кристаллы, причем делают это лазером. Пластиночки, конечно, у них получаются потоньше - кубик сапфира с гранью 400 микрон режут на несколько совершенно равных квадратиков толщиной всего 30 - 60 микрон.

Из многочисленных способов разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с внутренней режущей кромкой, набором полотен и бесконечной лентой.

Корпус	Размеры (усредненные), мм
L	D	S
MELF		2,5	0,3
Mini MELF	3,5	1,4	0,2

Таблица 1.1

 

Характеристики полупроводниковых приборов, естественно, не зависят от того, в каком именно корпусе он смонтирован, за исключением рассеиваемой мощности.