Основы электроникиК полупроводникам относят вещества, которые по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Характерной чертой полупроводников, отличающей их от других веществ, является сильная зависимость их сопротивления от температуры и концентрации примесей. В производстве полупроводниковых приборов наибольшее распространение получили такие материалы, как германий и кремний. Они имеют кристаллическую структуру и расположены в IV группе таблицы Менделеева. Все вещества состоят из атомов. Атом включает положительно заряженное ядро и электроны, вращающиеся вокруг него по орбитам с определенным радиусом. Энергию электронов атома можно представить в виде диаграммы (рис. 7.1, а). Как видно из рисунка, электроны в атоме могут обладать лишь значениями энергий равными 1, 2, 3, 4 и не могут иметь промежуточных уровней. Электроны, вращающиеся на внешних оболочках, называются валентными. Установлено, что в атоме любого вещества одинаковая энергия может быть не более чем у двух электронов. Иными словами, на одном энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. Поскольку в веществе содержится большое количество атомов, то вследствие их взаимодействия, энергетические уровни электронов, вращающихся по одинаковым орбитам, смещаются относительно энергетических уровней этих же электронов в отдельном «изолированном» атоме.
а) б) в) Рис. 7.1 Энергетические диаграммы чистого полупроводника: ВЗ – валентная зона; 33 – запрещенная зона; ЗП – зона проводимости
В результате образуются целые энергетические зоны, состоящие из близко расположенных энергетических уровней. Энергетические уровни, образованные валентными электронами, называют валентной зоной (рис.7.1, б). При абсолютном нуле («абсолютный нуль» – наиболее низкая возможная температура равная -273, 16°С; в настоящее время достигнуты показатели температуры, отличающиеся от абсолютного нуля на ничтожные доли градуса) все валентные электроны находятся на орбитах и прочно связаны с атомами. Поэтому в таком полупроводнике нет свободных электронов, и он представляет собой идеальный изолятор (диэлектрик). С ростом температуры валентные электроны получают дополнительную энергию и могут оторваться от атома. Оторвавшийся электрон становится «свободным». Энергетические уровни свободных электронов образуют зону проводимости, расположенную над валентной зоной и отделенную от нее запрещенной зоной шириной Δ W (рис. 7.1, в). Свободные электроны могут перемещаться по полупроводнику и участвовать в образовании электрического тока. Чем больше свободных электронов в единице объема вещества, тем меньше его сопротивление. Между атомами в кристалле полупроводника существуют ковалентные связи. Ковалентная связь образуется за счет вращения двух электронов, принадлежащих двум рядом расположенным атомам, по одной общей орбите (рис.7.2, а). Германий и кремний являются четырехвалентными элементами, и их атомы имеют по 4 валентных электрона. В результате образования парных ковалентных связей, все атомы германия и кремния оказываются взаимосвязанными. Плоские модели кристаллических решеток чистого германия Ge и кремния Si изображены на рис. 7.2, б. На этом рисунке парные ковалентные связи показаны двумя параллельными линиями, соединяющими два соседних атома, а электроны, образующие эти связи, в виде черных точек.
Рис. 7.2 Кристаллическая решетка чистого германия и кремния
При сообщении электрону дополнительной энергии, ковалентная связь может нарушиться, и он станет свободным. Место на внешней орбите атома, где ранее находился электрон, называют дыркой. На энергетической диаграмме дырке соответствует свободный энергетический уровень в валентной зоне, с которого электрон перешел в зону проводимости (рис. 7.2, г). Образование свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, называют генерацией подвижных носителей заряда или генерацией пар электрон-дырка, поскольку появление свободного электрона в зоне проводимости обязательно сопровождается появлением дырки в валентной зоне. Свободный электрон может, теряя часть своей энергии, из зоны проводимости перейти в валентную зону, заполнив собой одну из имеющихся в ней дырок. При этом восстанавливается ковалентная связь. Этот процесс называют рекомбинацией. Таким образом, рекомбинация всегда сопровождается потерей пары: электрон – дырка. При заданной температуре в полупроводнике всегда имеются разорванные ковалентные связи, это некоторое количество свободных электронов и соответствующее им число дырок. Если к такому полупроводнику подключить источник напряжения, свободные электроны, под действием образовавшегося электрического поля, начнут двигаться в сторону положительного полюса, создавая электрический ток. Кроме того, электроны могут покидать одни ковалентные связи и восстанавливать другие – разрушенные. При этом в одном месте дырка исчезает, а в другом, откуда ушел электрон, появляется. Следовательно, в полупроводнике могут перемещаться не только электроны, но и дырки. Поэтому электрический ток включает две составляющие: электронную, образуемую путем перемещения свободных электронов, и дырочную, создаваемую при перемещении дырок. Дырке условно соответствует положительный единичный заряд, равный заряду электрона. Полупроводники, которые состоят только из атомов германия или кремния, называют чистыми или собственными, а электропроводность (способность проводить электрический ток), обусловленную наличием свободных электронов и дырок, – собственной электропроводностью. Для придания полупроводниковым приборам необходимых свойств, в полупроводники добавляют примеси других элементов. В качестве таковых используются пяти- и трехвалентные элементы, расположенные в V-й и III-й группах таблицы Менделеева. При внесении в германий или кремний пятивалентных элементов (фосфора Р, мышьяка As, сурьмы Sb и др.), четыре валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с атомами основного вещества. Пятые валентные электроны примесных атомов оказываются, как бы лишними, слабо связанными с атомами, поскольку в них достаточно тепловой энергии, сообщаемой им при комнатной температуре, чтобы они могли оторваться от атомов и стать свободными. При этом примесный атом превращается в положительный ион.
а) б) Рис. 7.3 Энергетические диаграммы примесных полупроводников: а) n-типа; б) р-типа
Если в германий или кремний ввести трехвалентные атомы бора В, индия In, алюминия Аl, галлия Ga и др., то три валентных электрона примесных атомов образуют устойчивые ковалентные связи с тремя, рядом расположенными, атомами основного вещества. Для образования четвертой ковалентной связи, примесным атомам не хватает по одному электрону. Эти электроны, они получают вследствие разрыва ковалентных связей между атомами основного вещества. Причем, на месте ушедшего электрона образуется дырка, а примесные атомы, принявшие по электрону, превращаются в отрицательные ионы. Таким образом, в полупроводнике образуется дополнительное количество дырок, а число свободных электронов не увеличивается. Электрический ток в таком полупроводнике создается, главным образом, за счет перемещения дырок в валентной зоне и, в незначительной степени, при движении свободных электронов в зоне проводимости. Это полупроводники p-типа (от лат. positive– положительный). Примеси называют акцепторами. Энергетическая диаграмма примесного полупроводника р-типа приведена на рис. 7.3, б. Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные – неосновными. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки; в полупроводнике p-типа, наоборот, дырки – основные носители, а электроны – неосновные. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности. Рассмотрим структуру, состоящую из полупроводниковых областей р- и n-типа (рис. 7.4, а). В состоянии равновесия отрицательный заряд ионов-акцепторов скомпенсирован положительным зарядом дырок, а положительный заряд ионов-доноров - отрицательным зарядом свободных электронов. И каждая из областей полупроводника является электрически нейтральной.
а) б) Рис.7.4 Образование электронно-дырочного перехода (дырки обозначены кружками, соответствующие им ионы примесных атомов – черточками; электроны – черными точками, а соответствующие им положительные ионы примесных атомов – знаком «+»)
Концентрацию основных носителей (дырок в p-области), установившуюся при некоторой температуре, обозначим, как
Предположим, что р- и n-области соединены друг с другом (рис.7.4, б). И поскольку в p-области дырок значительно больше, чем в n-области, то, вследствие разности концентраций электронов в р- и n-областях, будет происходить их диффузия из p-области в n-область. Этот процесс аналогичен диффузии подвижных частиц в жидкости и воздухе. Диффузия основных носителей через границу между р- и n-областями создает электрический ток. Этот ток называют диффузионным. Он содержит электронную и дырочную составляющие и направлен из p-области в n-область. При уходе дырок из p-области в n-область, в p-области остаются отрицательные ионы акцепторов; а при уходе электронов из n-области в p-область, в n-области остаются положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с атомами основного полупроводника (германия или кремния) и не могут перемещаться. Поэтому в p-области на границе с n-областью создается отрицательный заряд, а в n-области на границе с p-областью – положительный заряд. Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р- и n-областями, приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным. Оно характеризуется напряженностью, направленной из n-области в p-область. Диффузионное поле, возникшее между p- и n-областями, оказывается тормозящим для дырок p-области и электронов n-области, то есть на границе между р- и n-областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей. Помимо основных, в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей: электронов в p-области и дырок в n-области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок n-области и электронов р-области в пределы диффузионного поля, они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диффузии основных носителей через границу р- и n-областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновных носителей. Такой ток тоже содержит две составляющие: электронную и дырочную, и называется дрейфовым или током проводимости. Дрейфовый ток направлен из n-области в p-область, то есть навстречу диффузионному току. Если к р- и n-областям не подключен внешний источник напряжения и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, то потенциальный барьер между р- и n-областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током, а результирующий ток равен нулю. Область вблизи места контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически нет подвижных носителей зарядов – электронов и дырок. Вследствие этого, сопротивление данной области оказывается очень большим и ее называют запирающим слоем или областью объемного заряда, а чаще всего – электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Если к р- и n-областям подключить внешний источник напряжения плюсом к p-области, а минусом к n-области (рис. 7.5, а), то диффузионное поле p-n-перехода будет частично скомпенсировано полем внешнего источника. Потенциальный барьер р-n-перехода уменьшится, а количество электронов и дырок, проникающих в противоположные области, увеличится. Ток диффузии станет преобладать над током дрейфа, и через р-n-переход будет протекать результирующий ток. Этот ток зависит от концентрации примесей в р- и n-областях и направлен из p-области в n-область. Такое подключение р-n-перехода к внешнему источнику напряжения называется прямым, а протекающий через него ток – прямым током. Прямой ток тем больше, чем больше приложенное p-n-переходу прямое напряжение (рис. 7.5, б). Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к n-области и минусом к p-области (рис. 7.5, в), то внешнее напряжение увеличит потенциальный барьер p-n-перехода, диффузионный ток станет меньше тока дрейфа. Результирующий ток, протекающий через р-n-переход, в этом случае, будет определяться дрейфовым током, то есть его значение и направление будут такими же, как и у дрейфового тока.
а) б) в) г) Рис. 7.5. Прямое и обратное включения р-n-перехода
Это включение p-n-перехода называют обратным, а протекающий через него ток – обратным током. Так как обратный ток образован неосновными подвижными носителями заряда р- и n-областей, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения (рис. 7.5, г). При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n-перехода, вследствие которого резко увеличивается обратный ток. Пробой может быть тепловым (кривая 1) или электрическим (кривая 2). При тепловом пробое разрушается кристалл, и свойства р-n-перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, то есть свойства p-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения. Вольтамперная характеристика p-n-перехода – это кривая зависимости прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения. Она обычно строится на общих координатных осях (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Вольтамперная характеристика р-n-перехода
Из приведенной характеристики видно, что при одинаковых напряжениях в p-n-переходах из кремния (Si) прямой и обратный токи меньше, чем в р-n-переходах из германия (Ge). Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещенной зоны, и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости, им необходимо сообщить большую дополнительную энергию. Ход вольтамперной характеристики зависит от температуры. При ее повышении увеличивается число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приводит к увеличению прямого и обратного токов при тех же значениях напряжения на p-n-переходе (рис. 7.7). В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов - электронов и дырок. Вследствие этого, такой слой обладает свойствами диэлектрика. И электронно-дырочный переход можно рассматривать, как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные p- и n-области. Если к р- и n-областям приложить обратное напряжение, толщина p-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.
Рис. 7.7. Зависимость вольтамперной характеристики р-n-перехода от температуры
Эта емкость p-n-перехода получила название зарядной или барьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов или потенциального барьера на границе р и n-областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на p-n-переходе. Емкостные свойства p-n-перехода используются в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют, путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.
7.1. Расчёт усилительного каскада на биполярном транзисторе
Задание на РГР. На рис. 7.8 показана схема усилительного каскада с общим эмиттером. В табл. 7.1 указаны: - тип транзистора и предельные значения его параметров (U клэmax доп – максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер, Iк max доп – максимально допустимый ток коллектора, Pк max доп – максимально допустимая мощность, рассеиваемая коллектором); - напряжение на зажимах источника питания Ек; - сопротивление резистора нагрузки RH; - амплитуда переменной составляющей напряжения выхода (напряжения на нагрузке) Umвых; - нижняя частота усиливаемых колебаний fmin. Выходные Iк (Uкэ) и входные I6(Uбэ) характеристики транзисторов приведены на рис. 7.9 и 7.10. Влиянием температуры на режим работы транзистора пренебречь. Необходимо: 1.Вычертить схему усилительного каскада, а также выходные и входные характеристики транзистора, указанного в табл. 7.1.
Таблица 7.1
Примечание: номер варианта группы А выбирается по предпоследней цифре, а группы Б – по последней цифре. 2. В результате графоаналитического расчета определить: а) амплитуду переменной составляющей тока выхода (тока кол-лектора) Imвых = Imk; б) амплитуду переменной составляющей тока входа (тока базы) Iтвх = Imб; в) амплитуду переменной составляющей напряжения на входе (напряжения база-эмиттер) Umвх =Umбэ; г) коэффициент усиления по напряжению КU; д) коэффициент усиления по току КI; е) коэффициент усиления по мощности Кр; ж) сопротивление резистора в цепи базы Rб; з) ёмкость разделительного конденсатора Ср.
Рис. 7.8
|
а) б) в) г)
Появление свободных электронов не сопровождается дополнительными разрушениями ковалентных связей, а наоборот, некоторые дырки «исчезают», рекомбинируя (восстанавливая связь) со свободными электронами. Следовательно, в таких полупроводниках свободных электронов значительно больше, чем дырок, и значит, протекание тока через полупроводник будет в основном определяться движением электронов и, в очень малой степени, – движением дырок. Это полупроводники n-типа (от лат. negative – отрицательный). Примеси же называют донорами. Энергетическая диаграмма полупроводника n-типа приведена на рис.7.3, а.
, а неосновных носителей (электронов) – 
. Концентрацию основных носителей (электронов) и неосновных носителей (дырок в n-области) обозначим, соответственно, как 
и 
. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителей р-области, соответственно, равны концентрациям основных и неосновных носителей n-области, то есть
= 
и 
= 
.
вых 
