Материал: EL_MAG_KNiIT (1)

n-тип

Валентная зона р-п

Диффузионный поток электронов в контакте будет направлен в область p-типа. В узком слое контакта произойдет рекомбинация электронов и дырок. Этот слой будет обеднён носителями обоих знаков и станет собственным полупроводником (i-слой) с относительно большим сопротивлением.

При этом не скомпенсированные заряды создадут в контакте электрическое поле, которое будет препятствовать переходу основных носителей через переход:

Односторонняя проводимость p-n перехода.

Если к внешним контактам полупроводников подключить источник таким образом, что напряжённость поля источника

и поля в p-n переходе направлены навстречу (), то высота потенциального барьера уменьшится и через переход потечёт ток:

Подключим источник переменного напряжения . Его поле будет так же меняться .

U(t)

Ток через переход будет пульсирующий, но одного направления

i(t)

Чтобы не терять половину периода, создают двух полупериодные выпрямители следующего вида:

n p

p n

Тогда получим ток одного направления, который легко преобразовать в постоянный по величине.

i(t)

Таким образом, P-nобладает свойствами выпрямителя тока.

В вольт-амперной характеристике перехода существует довольно большой участок, где ток не меняется при изменении напряжения . Это свойство используется для создания приборов-стабилитронов.

P-n контакты п/п с разной шириной запрещённых зон называют –гетеропереходы. Особо важны для оптоэлектроники.

Пробой p-n перехода.

Резкое возрастание тока при напряжении на переходе больше критического – пробой.

Различают пробой : электрический и тепловой. Электрические могут возникать на ограниченном участке перехода вследствие резкого локального роста напряженности электрического поля:

. При малых r могу возникать большие напряжённости локального поля , способствующая генерации

новых носителей. Локальные поля могут разгонять электроны, которые при ударе об узлы вызывают ударную ионизацию носителей с более низких уровней. На этом принципе работает ЛПД – лавинно-пролётный диод. Как правило электрические пробои обратимы и не приводят к выходу из строя прибора.

. Небольшие локальные нагревания п/п могут вызвать также генерацию носителей с низких уровней, но они практически не управляемы и могу привести перегреву кристалла (вплоть до расплава).

Диоды, (диод Ганна, ЛПД). Контакт металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). Транзисторы: биполярные и униполярные.

Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные (малой, средней и большой мощности), стабилитроны, фотодиоды, усилительные и генераторные.

Выпрямительные диоды. Основные (рабочие) параметры: выпрямительный ток, заданный диапазон температур, максимальное обратное напряжения (напряжение пробоя).

Диоды малой мощности: прямой ток до 300 мА; напряжение пробоя до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10А

Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 100 - 100 000 А и обратные напряжения до 6000 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

Лавинно-пролётный диод. (ЛПД).

В ЛПД для получения носителей заряда используется ударная ионизация в области перехода при подаче на диод отрицательного смещения. При этом можно создать условия получения отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать ЛПД и как генератор, и как усилитель СВЧ сигналов.

Лавинное умножение носителей заряда в переходе.

Если кинетическая энергия заряда, приобретаемая на «ширине» запрещенной зоны, превышает энергию ионизации данного п/п, то при ударе о нейтральный атом такой заряд вызывает рождение пары электрон–дырка. При этом сам заряд остаётся свободным. Введём коэффициент ионизации число электронно-дырочных пар, созданных на единице длины пути (1см) электроном и дыркой (в рамках электронно-дырочной модели). Коэффициент ионизации сильно зависят от напряжённости электрического поля. Увеличение в 2-3 раза может привести к росту на 4-5 порядков.

Практически ударная ионизация наблюдается () при напряжённости поля .B|m

В переходе наблюдается ударная ионизация при обратном напряжении Ударными частицами выступают неосновные носители, образующие обратный ток в переходе Напряжённости поля при наступлении лавинного пробоя достаточно большие.

Генерация СВЧколебаний при лавинном пробое была открыта А.С. Тагером в 1959 году. Ток через переход при обратном смещении может быть сделан пульсирующим, если наряду с постоянным отрицательным смещением подать синусоидальное напряжение.

+. В этом случае лавинный пробой (сгусток электронов) будет образовываться лишь за часть периода синусоиды, когда + Такой ток наведёт в колебательной системе ВЧ колебания электромагнитного поля.

Генераторные диоды. Диод Ганна.

Эффект Ганна заключается в том, что в объёме полупроводникового кристалла возникает ВЧ электрические колебания при приложении к электродам диода постоянного напряжения достаточно большой величины.

Диод Ганна представляет собой кристалл арсенида галлия малых размеров, на торцевые грани которого нанесена металлизация, представляющая электроды диода: катод и анод. Возникновение ВЧ электрических колебаний связывают с наличием в объёме кристалла неоднородного участка с отрицательным сопротивлением.

3.1. Физический механизм возникновения колебаний в диоде Ганна.

Известно, что общим условием усиления или генерации колебаний является наличие отрицательного

локального отрицательного сопротивления связывают с отрицательной дифференциальной подвижностью электронов в зоне проводимости арсенида галлия: д dv dE 0 . Подвижность связана с проводимостью:

чтобы с ростом поля проводимость не просто уменьшалась, а уменьшалась «быстрее», чем растет поле!

Для арсенида галлия удалось объяснить эффект Ганна, благодаря уникальности энергетического строения зоны проводимости.

Зависимость энергии W в зоне проводимости от импульса (mv) частицы имеет два

(двух долинная модель) минимума, «долины». Эффективная масса электрона во второй, верхней долине больше, чем в первой (главной): здесь

электрона. При одинаковом значении напряжённости электрического поля скорость электронов второй

приложенном к диоду напряжении, при котором начинается интенсивный переход электронов из первой долины во вторую. Рис.4. Если бы этот процесс происходил в всём кристалле, то удалось бы получить экспериментальную вольтамперную характеристику с падающим участком (отрицательным сопротивлением). Однако это не удаётся получить. Можно объяснить донное явление локальным характером эффекта.

Доменная неустойчивость.

Пусть отрицательная дифференциальная проводимость имеет место в некоторой области образца , напряжённость поля в которой отличается от напряжённости в остальном объёме. Пусть далее в области

концентрация донорной примеси несколько меньше, чем в остальной части образца. Экспериментально установлено, что область с отрицательным сопротивлением возникает на каких либо неоднородностях кристалла, если таковых нет, то на границе металл – кристалл.

Увеличение сопротивления на участке приведет к росту падения напряжения и росту напряжённости электрического поля. Если приложенная напряжённость к диоду достаточно высока, то на участке начнется переход электронов из нижней долины в верхнюю, сопровождающийся понижением дрейфовой скоростью. Эти электроны начинают отставать от электронов первой долины, которые уходят далеко вперёд. Таким образам, справа от них будет избыток положительных зарядов. Иначе обстоит дело слева от медленных электронов: электроны первой долины догоняют их образуется избыточный отрицательный заряд. Образовавшийся двойной электрический слой объёмного заряда (рис.5) называют электрическим доменом.

Образование домена означает увеличение напряжённости поля в нём и разности потенциалов на участке, занимаемом доменом. При постоянном приложенном к диоду напряжении, это вызовет снижение падения напряжения вне домена, в том числе и на неоднородности, от которой домен ушел. Образование нового домена, таким образом , не происходит до тех пор, пока домен не дойдёт до анода Электроны домена уходят во внешнюю цепь, поле в кристалле принимает прежнее значение и процесс повторяется .

Время движения домена от катода к аноду (частота следования импульсов тока) зависит от длины образца, расположения неоднородности, скорости движения домена.

Заметим , что скорость домена определяется процессами в образце и не зависит от внешнего напряжения. Пример: скорость домена=107см/с; длина образца =50мкм; время пролета домена =5·10–10 с. Получим частоту следования импульсов тока f=2ГГц.

Таким образом, при коротких образцах полупроводников из арсенида галлия можно получить электрические СВЧ–колебания.

Генераторы на диодах Ганна перестраиваются по частоте настройкой резонаторов в широких пределах, позволяют в процессе перестройки переходить с одного режима на другой.

Транзисторы : биполярные и униполярные

Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор - электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Устройство биполярного транзистора. Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Работа биполярного транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие во время работы биполярного транзистора. Для примера возьмем модель NPN. Принцип работы транзистора PNP аналогичен, только полярность напряжения между коллектором и эмиттером будет противоположной.

При прямом включении эмиттерного перехода (переход открыт) происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. Одновременно происходит инжекция дырок с базы в эмиттер. Так формируется ток эмиттера . Инжектированные электроны проходят базу, частично рекомбинируя с дырками, подходят к

коллекторному переходу. Он закрыт для основных носителей, а электроны в базе таковыми не являются, поэтому втягиваются полем в коллектор. Ширина базы мала и ток эмиттера почти не изменяется, проходя через неё, да и концентрация электронов в области N (эмиттер) значительно превышает концентрацию дырок в области P базы. Ток базы нежелателен, так как он уменьшает ток коллектора

Если увеличить напряжение на базе, то ток эмиттера возрастёт. В результате немного усилится ток базы, и значительно усилится ток коллектора. Таким образом, при небольшом изменении тока базы IБ, сильно меняется ток коллектора IК. Так и происходит усиление сигнала в биполярном транзисторе. Отношение тока коллектора IК к току базы IБ называется коэффициентом усиления по току: . β = IК / IБ .

Заметим, что сопротивление закрытого перехода много больше открытого, тогда

IК RК =. Отношение -коэффициент усиления по напряжению

Контакт металл-окисел-полупроводник (МОП, МДП) МОП-структура (металл — оксид — полупроводник)

—наиболее широко используемый контакт в полевых транзисторов. Структура состоит из металла и полупроводника, разделённых слоем оксида кремния SiO2. В общем случае структуру называют МДП (металл

—диэлектрик — полупроводник). Транзисторы на основе МОП-структур, в отличие от биполярных, управляются напряжением, а не током и называются униполярными транзисторами, так как для их работы необходимо наличие носителей заряда только одного типа.

Физические процессы в контакте.

ПОЛЯ ЭФФЕКТ - изменение проводимости полупроводника при наложении электрического поля, перпендикулярного его поверхности. Если одной из обкладок плоскопараллельного конденсатора является