Лекции по "Микроэлектронике"

- τ_n - время жизни избыточных, неравновесных носителей заряда. Если в какой-либо области проводника создать избыточную концентрацию n₀, а затем устранить причину её создавшую, то под действием сил диффузии, избыточная концентрация начнёт убывать, т.е., равномерно «растечется» по всему объёму. Время, за которое n₀ убывает в e раз (время за которое произойдет выравнивание), называется временем жизни неравновесных зарядов.

-диффузионная длина L_n – расстояние, на которое проникают избыточные заряды за счет диффузии.

 

ЛЕКЦИЯ 2

Электрические переходы в полупроводниковых материалах

 

В полупроводниковом  материале искусственно создаются области с различными электрическими свойствами. Переходный слой между двумя областями полупроводника, обладающими различными электрическими свойствами называется электрическим переходом. Различают следующие переходы между областями полупроводниковых материалов (см. рис. 5):

- электронно-электронный

-электронно - электронный

-дырочно-дырочный

 

Рисунок 5 – Типы переходов в материалах

2. Металло-полупроводниковый.  В зависимости от соотношения  между работами выхода электрона из металла и полупроводника на границе «металл-полупроводник» (A_Me > < A_п/п) возникает два вида переходов:

2.1 Омический контакт  – переходной слой, обладающий  малым сопротивлением, независимо  от полярности напряжения на  нем. Используется в качестве омических проводников электрических сигналов к полупроводникам.

2.2 Выпрямительный контакт  – такой электрический переход  обладает односторонней проводимостью  и применяется в диодах Шотки  [5].

P-n-переход (Электронно-дырочный). P-n переход невозможно создать механическим контактом двух полупроводников разного типа, так как:

1. Поверхность полупроводников  покрыта слоями окисла, являющегося  диэлектриком.

2. Между полупроводниками  всегда сохраняется воздушный  зазор, больший, чем межатомное  расстояние.

Основные способы получения p-n-перехода являются:

1. Сплавной метод (в  пластину полупроводника вплавляется металл или сплав, содержащий необходимую примесь).

2. Диффузионный метод. 

Образование p-n-перехода в равновесном состоянии. На рисунке 6 представлена графическая модель процессов в  p-n-переходе в равновесном состоянии

 

 

Рисунок 6 - Равновесное  состояние p-n-перехода [6]

 

На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей зарядов. За счет диффузии электроны из n области переходят в p и рекомбинируют (взаимоуничтожаются) там с дырками. Дырки переходят из n в p, рекомбинируя с электронами. В результате вблизи границы в p-области возникает отрицательный заряд, образованный ионами акцепторной примеси, а в n – положительный заряд, образованный ионами донорной примеси. Между зарядами возникают разность потенциалов «φ_к» и электрическое поле с напряженностью Е_к. Это поле препятствует дальнейшей диффузии свободных носителей заряда из глубины p и n областей через p-n-переход. Область, объединенная свободными носителями заряда на границе p-n областей называется  p-n-переходом. Если отсутствует внешнее напряжение, приложенное к р-n-переходу, то через p-n-переход движутся два встречных потока зарядов (два тока) и он будет считаться равновесным. Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимоуравниваются, и результирующий ток через p-n-переход равен «0».

I_pn = I_диф + I_др = 0.

Это соотношение называют условием динамического равновесия токов  в p-n-переходе.

P-n-переход при внешнем напряжении приложенном к нему.

Внешнее напряжение, приложенное  к p-n-переходу, нарушает динамическое равновесие токов, отсюда p-n-переход становится неравновесным.

1) P-n-переход считается смещенным в обратном направлении, если к p-области приложен «-», а к n-области – «+» внешнего источника напряжения (см. рис. 7).

Рисунок 7 – Внешнее смещение p-n-переходу

 

Напряжение направлено согласно с  φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе равно их сумме: U_pn = U + φ_k. Это увеличивает напряженность электрического поля E, ширина p-n-перехода возрастает, процесс диффузии полностью прекращается через p-n-переход протекает, так называемый,  обратный ток I₀ = I_pn = I_обр  – это тепловой ток неосновных носителей заряда I₀. При этом, I_диф обращается в ноль. Величина теплового тока зависит от температуры окружающей среды.

Поскольку обратный ток связан с не основными носителями заряда, а их концентрация мала, то величина I₀ принимает малые значения.

2) p-n-переход смещен в прямом направлении, если к p приложен «+», а к n – «-» (см.рис. 8).

Рисунок 8 – Прямое смещение p-n-перехода

 

Внешнее напряжение направлено встречно φ_к, а потому результирующее напряжение на p-n-переходе уменьшается до величины: U_pn= φ_к-U, это уменьшает напряженность E электрического поля и p-n-переход сужается. Возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Через p-n-переход протекает прямой ток: I_pn=I_прямой=I_диф (ток диффузии основных носителей заряда).

При возрастании напряжения диффузионный ток резко возрастает и может достигать больших  значений, поскольку он связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика.

 

ЛЕКЦИЯ 3

Вольт – амперная характеристика p-n-перехода

 

Зависимость тока через p-n-переход от внешнего напряжения (I=f(U)) называется – вольт – амперной характеристикой (ВАХ) и графически имеет зависимость, иллюстрируемую рисунком 9. Главное свойство p-n-перехода – односторонняя проводимость. ВАХ p-n-перехода обладает выпрямительными свойствами, т.е., пропускает в одну сторону и не пропускает в другую.

 

Рисунок 9 – ВАХ p-n-перехода

 

      

Согласно ВАХ, I_обр=I₀ остается постоянным, не зависящим от обратного напряжения, однако при достаточно большом U_обр наблюдается резкое возрастание I_обр – это называется электрическим пробоем p-n-перехода, а напряжение, при котором это происходит, напряжением пробоя.

Пробои делятся на:

1) Тепловой.

2) Электрический, который  в свою очередь делится на  туннельный и лавинный (без перегрева).

Электрический пробой обратимый, т.е. после уменьшения величины обратного  напряжения p-n-переход восстанавливает свои первоначальные выпрямительные свойства.

Лавинный пробой происходит из-за лавинного размножения неосновных носителей слабо легированных “широких” p-n-переходов [3,5]. При достаточно большой напряжённости электрического поля электроны достигают скоростей, при которых выбивают из атома полупроводника валентные электроны, которые в свою очередь выбивают новые. Этот процесс происходит лавинообразно.

Туннельный пробой происходит в сильно легированных “узких” p-n-переходах, и состоит в отрыве под действием сильного электрического поля валентных электронов, в результате которого в объёме p-n-перехода образуется электронная дырка.

2) Тепловой пробой, необратимый,  он сопровождается разогревом p-n-перехода обратным током. При повышении температуры p-n-перехода число не основных носителей заряда возрастает. Это приводит к увеличению J_обр, что приводит к ещё большему разогреву p-n-перехода. Разрушается (расплавляется) кристаллическая решетка, электрические свойства не восстанавливаются.

Полупроводниковые диоды. Полупроводниковый диод – это конструктивно оформленный  объём полупроводникового материала  с одним p-n-переходом и двумя выводами (см. рис.10). Большинство диодов выполняются на основе несимметричных p-n-переходов. Одна из областей диода высоко легированная, называется анод, другая слабо легированная называется катод . Несимметричный p-n-переход размещается в базе.

 

Рисунок 10 - Обозначения  полупроводникового диода.

 

В реальном диоде прямая и обратная ветви отличаются от идеальных. При прямом смещении необходимо учитывать объёмное сопротивление областей базы и эмиттера диода. Это приводит к тому, что ВАХ прямая ветвь смещается вправо и зависит линейно от приложенного напряжения. Обратная ветвь диода зависит от величины обратного напряжения, т.е. наблюдается рост обратного тока.

ВАХ реального диода  и идеального диода представлена на рисунке 11.

 

 

 

Рисунок 11 - ВАХ реального и идеального диода

 

 

На рисунке 12 представлена  эквивалентная схема диода при  больших  напряжениях.

 

 

 

 

 

R_б>>R_э

R_en-сопротивление поверхности p-n-перехода между двумя областями

Рисунок 12 -Эквивалентная  схема диода при больших  напряжениях.

 

Эквивалентная схема  диода при малых напряжениях  представлена на рисунке 13.

 

 

 

 

 

R_p-n-дифференциальное сопротивление диода на рабочем участке.

С_p-n-ёмкость диода на рабочем участке.

Рисунок 13 -Эквивалентная схема диода при больших  напряжениях.

 

Влияние температуры  на ВАХ диода.  С повышением температуры растёт число не основных носителей, а следовательно и тепловой ток p-n-перехода J₀. Это влияет на прямую и обратную ветвь диода (см. рис.14).

 

 

 

 

 

 

 

 

T₁>T₀

Рисунок 14 – Влияние температуры на ВАХ диода.

 

Как следует из рисунка 14, прямая ветвь диода с повышением температуры смещается влево. Это смещение характеризуется температурным коэффициентом напряжения для диода -ТКН=-2,3мв/с⁰.

Диоды по их назначению бывают следующих типов:

1.Выпрямительные.

2.Импульсные.

3.Стабилитроны.

4.Варикапы.

5.Туннельные диоды.

Выпрямительные  диоды.  Предназначаются для выпрямления низкочастотного переменного тока, и используются в источниках питания. Под выпрямлением понимают преобразование двухполярного тока, в однополярный. Поскольку выпрямительные диоды рассчитаны на большие величины выпрямленных токов, то все они имеют большую площадь p-n-перехода, а следовательно, и большие значения J_обр и C_p-n.

Выпрямительные диоды  имеют следующие основные параметры:

- J_{пр ср max} - максимально допустимый средний, прямой ток. Превышение его вызывает разрушение диода от перегрева;

- U_пр – прямое напряжение на p-n-переходе при заданном прямом токе;

 

- J_обр - величина обратного тока при определённом обратном напряжении;

- U_обр – максимально допустимое обратное напряжение после которого наступает пробой диода;

- Предельно допустимая мощность, рассеиваемая диодом.

 Импульсные диоды. Предназначены для работы с импульсными сигналами (быстро изменяющимися во времени). В импульсных диодах высокая скорость переключения достигается уменьшением площади p-n-перехода, что снижает величину ёмкости диода. Диоды в таких схемах выполняют роль электрических ключей. Электрический ключ имеет два состояния:

1. Замкнутое. R_vd =0
2. Разомкнутое. R_vd= ∞

Таким же требованиям  удовлетворяют и диоды в зависимости  от полярности приложенного напряжения.

Основные параметры импульсных диодов аналогичны параметрам выпрямительных диодов, кроме того, имеют специфические, учитывающие быстродействие переключения.

Диоды Шотки. В них электрический переход выполнен на границе металл-полупроводник. Он создаётся путём напыления металла на высокоомный полупроводник, например, n-типа. На границе металл-полупроводник создаётся область,  обеднённая основными носителями, которая имеет несимметричную ВАХ (см.рис.15).

 

 

  

 

Рисунок 15- ВАХ диода Шотки [6]

 

Диоды Шотки имеют высокое быстродействие переключения.

Варикапы. Это электрически перестраиваемая емкость на основе обратно-смещённого p-n-перехода. Варикапы предназначены для использования в качестве конденсатора, емкость которого зависит от величины обратного напряжения.

 

  ,

где С₀ – емкость при напряжении равном нулю, U – напряжение на емкости, φ_к – контактная разность потенциалов, ν – равна 1/2 - 1/3 (в зависимости от способа изготовления

Основные параметры  варикапа:

1) Ёмкость при определённом  обратном напряжении.(С_в ,U=5в)

2) Коэффициент перекрытия: К_п = С_{в max}/C_{в min}. (5 – 8)

3) Температурный коэффициент  емкости (ТКЕ) равен ΔC/СΔT,

ТКЕ = (ΔC/СΔT)100%.

4) Добротность. Q=X_cв/r_п; где Х_св - реактивное сопротивление варикапа, r_п- сопротивление активных потерь.