Что такое полупроводник с латеральной диффузией молекул

Что такое RF LDMOS-транзистор

Существует два основных типа DMOS: вертикальный металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор с двойным диффузором VDMOSFET (вертикальный двухдиффузионный MOSFET) и боковой металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор с двойным диффузором LDMOSFET (боковой двухдиффузный MOSFET). LDMOS широко применяется, потому что его легче совместить с технологией CMOS. LDMOS

LDMOS (полупроводник с латеральной диффузией на основе оксида металла)
LDMOS — это силовой прибор с двойной диффузной структурой. Этот метод заключается в двойной имплантации в одной и той же области истока / стока, одной имплантации мышьяка (As) с большей концентрацией (типичная доза имплантации 1015 см-2) и другой имплантации бора (с меньшей концентрацией (типичная доза имплантации составляет 1013см-2)). Б). После имплантации выполняется высокотемпературный пропульсивный процесс. Поскольку бор диффундирует быстрее, чем мышьяк, он будет диффундировать дальше в боковом направлении под границей затвора (P-образная лунка на рисунке), образуя канал с градиентом концентрации, длина которого определяется разницей между двумя расстояниями боковой диффузии. . Для увеличения напряжения пробоя между активной областью и областью стока имеется дрейфовая область. Область дрейфа в LDMOS является ключом к конструкции этого типа устройства. Концентрация примеси в дрейфовой области относительно невелика. Следовательно, когда LDMOS подключен к высокому напряжению, область дрейфа может выдерживать более высокое напряжение из-за своего высокого сопротивления. Поликристаллический LDMOS, показанный на рис. 1, простирается до полевого кислорода в области дрейфа и действует как пластина поля, которая ослабляет поверхностное электрическое поле в области дрейфа и способствует увеличению напряжения пробоя. Размер полевой пластины тесно связан с длиной полевой пластины [6]. Чтобы сделать полевую пластину полностью функциональной, необходимо рассчитать толщину слоя SiO2 и, во-вторых, длину полевой пластины.

Устройство LDMOS имеет подложку, и в подложке сформированы область истока и область стока. Изолирующий слой предусмотрен на части подложки между областями истока и стока, чтобы обеспечить плоскую границу раздела между изолирующим слоем и поверхностью подложки. Затем изолирующий элемент формируется на части изолирующего слоя, а слой затвора формируется на части изолирующего элемента и изолирующего слоя. Используя эту структуру, было обнаружено, что существует прямой путь тока, который может уменьшить сопротивление в открытом состоянии при сохранении высокого напряжения пробоя.

Есть два основных различия между LDMOS и обычными MOS транзисторами: 1. Он использует структуру LDD (или называется дрейфовой областью); 2. Канал контролируется глубиной бокового сочленения двух диффузоров.

1. Преимущества LDMOS

• Превосходная эффективность, позволяющая снизить энергопотребление и затраты на охлаждение.

• Превосходная линейность, которая может свести к минимуму необходимость предварительной коррекции сигнала.

• Оптимизация сверхнизкого теплового импеданса, что может уменьшить размер усилителя и требования к охлаждению, а также повысить надежность.

• Отличная пиковая мощность, высокая скорость передачи данных 3G с минимальным количеством ошибок данных.

• Высокая плотность мощности при использовании меньшего количества корпусов транзисторов.

• Сверхнизкая индуктивность, емкость обратной связи и импеданс затвора цепочки, что в настоящее время позволяет транзисторам LDMOS обеспечивать улучшение усиления на 7 bB на биполярных устройствах.

• Прямое заземление источника улучшает коэффициент усиления мощности и устраняет необходимость в изоляционных материалах BeO или AIN.

• Высокое усиление мощности на частоте ГГц, что приводит к меньшему количеству этапов проектирования, более простому и экономичному дизайну (с использованием недорогих управляющих транзисторов с низким энергопотреблением)

• Превосходная стабильность благодаря постоянной температуре отрицательного тока стока, поэтому на нее не влияют тепловые потери.

• Он может выдерживать более высокое рассогласование нагрузки (КСВН) лучше, чем двойные несущие, что повышает надежность полевых приложений.

• Превосходная ВЧ-стабильность благодаря встроенному изоляционному слою между затвором и стоком, который может уменьшить емкость обратной связи.

• Очень хорошая надежность в среднем наработке на отказ (MTTF)

2. Основные недостатки LDMOS

1) Низкая удельная мощность;

2) Он легко повреждается статическим электричеством. Когда выходная мощность аналогична, площадь устройства LDMOS больше, чем у биполярного типа. Таким образом, количество кристаллов на одной пластине меньше, что увеличивает стоимость устройств MOSFET (LDMOS). Большая площадь также ограничивает максимальную эффективную мощность данного пакета. Статическое электричество обычно может достигать нескольких сотен вольт, что может повредить затвор LDMOS-устройства от источника до канала, поэтому необходимы антистатические меры.

Таким образом, устройства LDMOS особенно подходят для приложений, требующих широкого диапазона частот, высокой линейности и высокого срока службы, таких как CDMA, W-CDMA, TETRA и цифровое наземное телевидение.

Процессы диффузии и дрейфа в полупроводниках

Общая характеристика полупроводников, их строения и принципа действия. Определение понятий диффузионного и дрейфового токов. Построение соотношения Эйнштейна. Определение диффузии и дрейфа неравновесных носителей заряда с разными вариантами проводимости.

Рубрика	Физика и энергетика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	05.11.2017
Размер файла	303,1 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Уравнение непрерывности

2. Диффузионный и дрейфовый токи

3. Соотношение Эйнштейна

4. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в случае монополярной проводимости

5. Диффузия и дрейф неосновных избыточных носителей заряда в примесном полупроводнике

6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике с проводимостью, близкой к собственной

Введение

Исторические сведения

Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаружены:

1. эффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник

Были построены первые приборы на их основе.

О. В. Лосев (1923) доказал возможность использования контактов полупроводник-металл для усиления и генерации колебаний (кристаллический детектор). Однако в последующие годы кристаллические детекторы были вытеснены электронными лампами и лишь в начале 50 — х годов с открытием транзисторов (США 1949 год) началось широкое применение полупроводников (главным образом германия и кремния в радиоэлектронике. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей). В СССР изучение полупроводников начались в конце 20 — х годов под руководством А.Ф. Иоффе в Физико-техническом институте АН СССР. Интерес к оптическим свойствам полупроводников возрос в связи с открытием вынужденного излучения в полупроводниках, что привело к созданию полупроводниковых лазеров вначале на p — n — переходе, а затем на гетеропереходах.

В последнее время большее распространение получили приборы, основанные на действии полупроводников. Эти вещества стали изучать сравнительно недавно, однако без них уже не может обойтись ни современная электроника, ни медицина, ни многие другие науки.

Свойства полупроводников

Полупроводники — широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности , лежащей в диапазоне между удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоляторами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов. Полупроводники долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе. Он выяснил что полупроводники — особый класс кристаллов со многими замечательными свойствами:

1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально:

где а — так называемая энергия активации проводимости,

_о — коэффициент зависящий от температуры

Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшатся при воздействии света или сильных электронных полей.

2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.

3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото -э.д.с. или, соответственно, термо -э.д.с.

Строение полупроводников и принцип их действия.

Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения). Так же как и в непроводниках электроны в полупроводниках связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении температуры ( T > 0 K) ,освещении или облучении электронные связи могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома. Такой электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников при нагревании обусловлено увеличением концентрации носителей тока в нем. В отличии от проводников носителями тока в полупроводниковых веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере электрона одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка» при воздействии электрическим поле на кристалл «дырка » как положительный заряд перемещается в сторону вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку» условно можно считать частицей , несущей положительный заряд. полупроводник диффузия дрейф заряд

Примесная проводимость.

Один и тот же полупроводник обладает либо электронной ,либо дырочной проводимостью — это зависит от химического состава введенных примесей. Примеси оказывают сильное воздействие на электропроводимость полупроводников: так, например , тысячные доли процентов примесей могут в сотни тысяч раз уменьшить их сопротивление . Этот факт, с одной стороны , указывает на возможность изменение свойств полупроводников, с другой стороны, он свидетельствует о трудностях технологии при изготовлении полупроводниковых материалов с заданными характеристиками.

Рассматривая механизм влияния примесей на электропроводимость полупроводников, следует рассматривать два случая:

Электронная проводимость .

Добавка в германий примесей, богатых электронами , например мышьяка или сурьмы , позволяет получить полупроводник с электронной проводимостью или полупроводник n — типа ( от латинского слова «негативус» — «отрицательный»).

Примеси создающие такую электропроводимсть называют донорнями.

Дырочная проводимость

Добавка в тот же германий алюминия, галлия или индия создает в кристалле избыток дырок. Тогда полупроводник будет обладать дырочной проводимостью — полупроводник p — типа.

Дырочная примесная электропроводимость создется атомами имеющими меньшее количество валентных электронов, чем основные атомы. Подобные примеси называются акцепторными.

Жидкие полупроводники

Плавление многих кристалических полупроводников сопроводается резким увеличением их электропроводности Q до значений типичныхдля металлов. Однако для ряда полупроводников (например HgSe, HgTe и. т. д.) характерно сохранение или уменьшение Q при плавлении и сохранение полупроводниками характера температурной зависимости Q. Некоторые Жидкие полупроводники при дальнейшем повышении температуры теряют полупроводниковые свойства и приобретают металлические (например сплавы Te — Se, ботатые Te). Сплавы же Te — Se, богатые Se ведут себя иначе, их электропроводность имеет чисто полупроводниковый характер.

В Жидких полупроводниках роль запрещенной зоны играет область энергии вблизи минимума плотности состояний в энергетическом спектре электронов.

При достаточно глубоком минимуме в его окрестности появляется зона почти локализованных состояний носителей зарядов с малой подвижностью (псевдощель). Если при повышении температуры происходит «схлопывание» псевдощелей, жидкий полупроводник превращается в металл.

Использование полупроводников.

Наиболее важные для техники полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, тиристоры основаны на использовании замечательных материалов с электронной или дырочной проводимостью.

Широкое применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сейчас они получили очень широкое применение. Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают тепло и холод. Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе — лазере, в крошечной атомной батарее и в микропроцессорах.

Инженеры не могут обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.

1. Уравнение непрерывности

Рассмотрим полупроводник, в котором в результате воздействия каких-либо внешних возбуждающих факторов возникли неравновесные носители заряда. В этом случае концентрации неравновесных электронов и дырок являются функциями пространственных координат и времени п (х, у, z, t) и р (х, у, z, t) и скорости их изменения могут быть выражены с помощью уравнения непрерывности.

Вывод уравнения непрерывности проведем для одномерного однородного образца, в котором концентрация электронов изменяется только в направлении оси х, как это представлено на рис.1. Выделим в полупроводнике слой толщиной dx и сечением 1 см 2 . Объем этого слоя будет численно равен dx. Допустим, что в момент времени t концентрация электронов была п (х, t), в объеме dx соответственно п (х, t) dx, а в момент времени t + dt будет п (х, t + dt) dx и изменение концентрации электронов за время dt в объеме dx составит:

п(х, t + dt)dx — n(x, t)dx=dxdt.

Это изменение концентрации электронов может происходить в результате процессов генерации, рекомбинации, диффузии и дрейфа носителей заряда. Рассмотрим эти процессы.

1. Под процессами генерации понимаются все

механизмы, посредством которых электроны,

находящиеся в валентной зоне, на уровнях примеси

или уровнях прилипания, могут

быть переведены в зону проводимости.

Во всех этих случаях нужно учитывать генерацию

свободных носителей заряда в результате, как

тепловых процессов, так и внешних воздействий. К внешним воздействиям относятся: действие света, ядерных частиц неравновесного излучения, испускаемого самим полупроводником, в его объеме, и т.п. Обозначим скорость этих двух

типов генерации соответственно через G₀ и G. Тогда полная скорость генерации носителей заряда будет равна G₀ + G.

Будем считать, что в рассматриваемом случае возбуждение электронов происходит за счет поглощения света полупроводником и в 1 см 3 за 1 с возникает G пар электрон—дырка. Тогда в объеме dx за время dt будет создано электронов в количестве Gdxdt.

2. Изменение концентрации носителей заряда в объеме dx происходит также и в результате рекомбинации. Полную скорость рекомбинации можно представить в виде R₀ + R, где R₀ — скорость рекомбинации при тепловом равновесии, R — скорость рекомбинации при наличии внешнего воздействия. В случае линейной рекомбинации, когда время жизни неравновесных электронов t_n не зависит от концентрации электронов, изменение количества электронов вследствие рекомбинации R в объеме dx за время dt составит:

3. Изменение количества носителей заряда в объеме dx может быть обусловлено, кроме того, процессами диффузии и дрейфа. Если I_п (х, t) — поток электронов, проходящих через 1 см 2 поверхности за 1 с, то за время dt через границу слоя х в объем dx войдут электроны в количестве I_n (х, t) dt, a через границу х + dx выйдет I_n (х + dx, t) dt электронов. Следовательно, изменение числа электронов за время dt в объеме dx вследствие разности этих потоков будет

I_п (х, t) dt — I_n(x + dx, t)dt =— dx dt

Полное изменение концентрации электронов в объеме dx за время dt составит величину

dxdt=Gdxdt — dxdt — dxdt

Уравнение (1) называют уравнением непрерывности для электронов.

Аналогично уравнение непрерывности для дырок запишется в виде

Потоки электронов I_n и дырок I_Р можно выразить через плотности тока, которые с учетом знака носителя равны:

Когда концентрации носителей заряда являются функциями координат (х, у, z), уравнения непрерывности запишутся через соответствующие плотности токов следующим образом:

Пусть в точке х = 0 имеется источник неравновесных носителей заряда. Рассмотрим стационарный случай. Поскольку концентрации электронов п и дырок р не изменяются во времени, т. е. dn/dt = dp/dt = 0, то уравнения непрерывности в одномерном случае принимают вид:

Уравнения (2) и (3) выражают собой условия сохранения количества носителей заряда. Следовательно, в стационарном состоянии поток носителей заряда, вытекающих из объема, равен количеству носителей заряда, созданных внешним возбуждением, за вычетом носителей заряда, прорекомбинировавших в этом объеме.

2. Диффузионный и дрейфовый токи

Рассмотрим теперь неоднородный полупроводник, в котором концентрации электронов п(r) и дырок р(r) изменяются от точки к точке. По этой причине в неоднородном полупроводнике должен возникнуть диффузионный ток электронов и дырок, который будет определяться диффузией носителей заряда из областей, где их концентрация больше, в области с меньшей концентрацией. Предположим, что в полупроводнике концентрация носителей заряда возрастает в направлении оси х, как это изображено на рис. 2. Проведем через точку х плоскость, перпендикулярную оси х, и рассмотрим движение носителей заряда в слоях 1 и 2 толщиной dx, расположенных — справа и слева от этой плоскости. В результате хаотического движения носители заряда уйдут из слоя 1, но поскольку каждый электрон может с равной вероятностью двигаться вправо и влево, половина их уйдет из слоя 1 в слой 2. Однако за это время в слой 1 придут носители заряда из слоя 2. Так как их количество в слое 2 больше, чем в 1, то обратный поток электронов будет больше прямого. Если п(х — dx/2) — средняя концентрация электронов в слое 1, а п(x + dx/2) в слое 2, то разность концентрации электронов в этих слоях будет равна:

n(x — dx/2) — n(x + dx/2) = — dx (4)

Согласно (4) разность концентраций электронов пропорциональна градиенту их концентрации, поэтому и поток электронов I_n возникающий в результате их диффузии в направлении х, будет пропорционален градиенту концентрации электронов в этом направлении. Его можно записать

где D_n — коэффициент диффузии электронов.

Аналогично диффузионный поток дырок

где D_p — коэффициент диффузии дырок.

Потоки электронов и дырок, как следует из уравнений (5) и (6), текут в сторону меньших концентраций носителей заряда.

Диффузионным потоком носителей заряда соответствуют диффузионные токи электронов J_{n диф} и дырок J_{p диф}

В том случае, если пир являются функциями координат (х, у, z), диффузионный ток в векторной форме имеет вид для электронов

Диффузионный ток, возникший из-за наличия градиента концентрации носителей заряда, приведет к пространственному разделению зарядов, что вызовет появление статического электрического поля, которое создаст дрейфовые токи электронов и дырок. При термодинамическом равновесии в каждой точке полупроводника дрейфовый ток будет уравновешивать диффузионный ток, поэтому суммарный ток будет равен нулю.

Допустим, что неоднородный полупроводник находится во внешнем постоянном электрическом поле напряженностью E. Под действием этого поля электроны и дырки приобретут направленное движение, в результате чего появятся электронные и дырочные токи проводимости. Если внешнее электрическое поле слабое и не изменяет характера движения носителей заряда, то дрейфовые составляющие плотности тока запишутся на основании закона Ома в виде

Полный ток будет складываться из диффузионного и дрейфового токов. Для электронов и дырок он будет равен:

Таким образом, плотность общего тока J в любой точке не однородного полупроводника в любой момент времени будет определяться уравнением

Необходимо отметить, что диффузионный ток существенен только в полупроводниках. Это происходит потому, что в полупроводниках концентрации электронов и дырок могут изменяться в широких пределах при постоянной суммарной концентрации зарядов. В металлах концентрация электронов практически постоянна.

3. Соотношение Эйнштейна

В неоднородном полупроводнике при термодинамическом равновесии ток равен нулю, т. е. J = J_n + J_p = 0. В этом случае токи проводимости уравновешивают диффузионные токи и на основании (7) для электронов можно записать:

Поскольку в полупроводнике имеется статическое электрическое поле E_СТ, то электроны, находящиеся в, этом поле, будут обладать потенциальной энергией U = -ef. Поэтому при отсутствии вырождения концентрация электронов в зоне проводимости будет удовлетворять соотношению Больцмана вида.

n = N_ce — ( E с + U — F )/ kT = n₀e ef / kT

где n₀ = N_ce — ( E с + U — F )/ kT — равновесная концентрация электронов; f — электростатический потенциал.

Учитывая, что E_ст = — , и подставляя значения п и в уравнение (9), получаем:

откуда для электронов будем иметь:

аналогично для дырок

Уравнение, связывающее коэффициент диффузии носителей заряда, подчиняющихся статистике Максвелла, с их дрейфовой подвижностью в условиях термодинамического равновесия носит название соотношения Эйнштейна.

Как показал эксперимент, соотношение Эйнштейна применимо и к неравновесным носителям заряда. Это вполне закономерно, так как неравновесные носители заряда за малое время, намного меньше их времени жизни, обмениваясь энергией с решеткой, приходят в тепловое равновесие с решеткой, и их распределение по энергиям при отсутствии вырождения не отличается oт распределения равновесных носителей заряда.

4. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в случае монополярной проводимости

Рассмотрим диффузию и дрейф неравновесных носителей заряда в случае монополярной проводимости, когда свободные носители заряда возникают только в результате возбуждения их с уровней примеси. Предположим, что часть достаточно длинного однородного полупроводника, например n-типа, освещается слабопоглощающимся светом. В освещенной части, полупроводника при х < 0 (рис. 3, а) имеет место однородная генерация электронов, в результате перевода их светом с донорных уровней в зону проводимости. В этом случае концентрация неравновесных электронов n определяется концентрацией равновесных n₀ и избыточных электронов n, возбужденных с уровней донорной примеси. И если нет центров захвата, то число избыточных электронов Dn равно количеству положительных ионов донорной примеси DN + _d, т. е.

Это равенство выражает собой условие электронейтральности в случае монополярной проводимости.

Поскольку концентрация электронов в освещенной части образца больше, чем в неосвещенной, то неравновесные электроны из освещенной части образца будут диффундировать в неосвещенную (рис. 3, б). Вследствие этого нарушится электронейтральность в некоторой области полупроводника и возникнет объемный заряд, а, следовательно, и электрическое поле. В неосвещенной части образца, куда в результате диффузии пришли избыточные электроны, объемный заряд r будет отрицательным, а в освещенной области, откуда они ушли, — положительным, обусловленным ионами донорной примеси (рис. 3, в). Эти заряды создадут статическое электрическое поле напряженностью E_ст, направленное так, что оно будет препятствовать диффузии неравновесных электронов (рис.3,г). Таким образом, возникновение диффузионного тока J_диф=eD_ndn/dx приводит к появлению статического электрического поля напряженностью E_ст, а следовательно, и тока проводимости J_пр=enm_nE_CT, направленного против тока диффузии. В стационарном состоянии плотность полного тока равна нулю:

Из (10) можно определить напряженность статического электрического поля. Расчет E_ст проведем для случая малого уровня оптического возбуждения, когда концентрация избыточных электронов мала по сравнению с равновесной, т. е. Dn n n₀. Используя соотношение Эйнштейна, будем иметь:

Продифференцировав (11), получим:

dE_ст /dx = — (12)

Величину dE_ст /dx можно найти, воспользовавшись уравнением Пуассона:

dE_ст /dx = (13)

где r = — еDn — объемный заряд в неосвещенной части образца. Из равенств (12) и (13) следует, что

если ввести величину

то (13) запишется следующим образом:

Общее решение этого уравнения имеет вид:

Dn = C₁e a 1 x + C₂e a 2 x

где С₁ и С₂ — постоянные, определяемые из граничных условий; a₁, a₂ — корни характеристического уравнения, равные:

Для неосвещенной области полупроводника, в которой концентрация избыточных электронов уменьшается по мере удаления от освещенной части образца, имеет смысл только член решения с отрицательным показателем степени, поэтому

Dn = Dn(0)e — x / l э (16)

Таким образом, в случае монополярной проводимости концентрация избыточных носителей заряда в неосвещенной части образца по мере удаления от освещенной области уменьшается по экспоненциальному закону с постоянной спада l_э, называемой радиусом (длиной) экранирования или дебаевским радиусом. Длина экранирования, как следует из (15), зависит от концентрации основных носителей заряда, поэтому ее значение может изменяться в широких пределах в зависимости от удельной проводимости полупроводника. Например, для невырожденных полупроводников, таких как германий и кремний, радиус экранирования в зависимости от степени легирования может составлять 10 -4 — 10 -6 см.

Объемный заряд, введенный в полупроводник, после выключения возбуждающего света в результате тока проводимости существует в среднем в течение времени t_m , т. е.

Если плотность объемного заряда поделить на единичный заряд, то получим изменение концентрации избыточных носителей заряда во времени:

Dn = Dn(0)e- t / tm (17)

Из сравнения (16) и (17) следует, что распространение носителей заряда в монополярном случае на расстояние длины экранирования l_э осуществляется в течение максвелловского времени релаксации t_m, которое в данном случае является эффективным временем установления диффузионно-дрейфового равновесия.

5. Диффузия и дрейф неосновных избыточных носителей заряда в примесном полупроводнике

Рассмотрим диффузию и дрейф неосновных избыточных носителей заряда в примесном полупроводнике при наличии внешнего однородного электрического поля напряженностью E.

Допустим, что имеется полупроводник n-типа (р₀ n n₀), поперечные размеры которого значительно меньше его длины. Очень узкая область полупроводника

(-l m х m 0) освещается светом, так что во всем объеме освещенной области образца происходит равномерная генерация электронов и дырок (рис. 4). Пусть концентрация основных носителей заряда n₀ велика по сравнению с избыточной концентрацией неосновных носителей заряда Dr, время жизни которых t_p . В освещенной области электронного полупроводника, где возбуждаются в равном количестве избыточные электроны и дырки Dn=Dр, концентрация неравновесных дырок р=р₀+Dр будет значительно больше, чем их концентрация р₀ в неосвещенной части образца. Благодаря наличию градиента концентрации дырок возникает их диффузия. В неосвещенной части образца, куда продиффундируют дырки, появится объемный положительный заряд и электронейтральность образца нарушится. Этот объемный заряд создает статическое электрическое поле, которое вызовет перераспределение носителей заряда, так что в эту область из освещенной части образца в течение максвелловского времени релаксации будут подтянуты электроны, и заряд избыточных дырок будет скомпенсирован. Полная компенсация объемного заряда будет в том случае, если концентрация избыточных электронов будет равна концентрации избыточных дырок в любой точке образца. Таким образом, избыточные неосновные носители заряда—дырки, диффундируя в глубь электронного полупроводника, увлекают за собой равное количество основных носителей заряда — электронов, так что объемный заряд не создается, а их диффузия происходит как диффузия квазинейтрального облака неравновесных носителей, заряд в котором Dn = Dр. По мере продвижения в глубь полупроводника избыточные дырки и электроны будут рекомбинировать и их концентрации с расстоянием будут убывать.

Если к такому полупроводнику приложить однородное электрическое поле E, то при ускоряющем поле дырки будут затягивать за собой и электроны в равном количестве, а если поле будет замедлять движение дырок, то соответствующим образом произойдет и перераспределение основных носителей заряда. Следовательно, и во внешнем электрическом поле в n-материале квазинейтральное облако неравновесных носителей заряда движется в направлении движения избыточных дырок со скоростью дрейфа неосновных носителей.

Проведем решение этого уравнения для стационарного случая, когда dp/dt = 0 в неосвещенной части полупроводника (G = 0). Для этого, продифференцировав выражение для плотности дырочного тока (8) и подставив его в (18), получим:

Это равенство справедливо для такого внешнего электрического поля, когда D_p, m_p и t_р не зависят от поля.

Разделив обе части (19) на D_p и введя обозначения

преобразуем (19) к виду

Общим решением этого уравнения будет:

Dp = C₁e a 1 x + C₂e a 2 x ,

где C₁ и С₂ — постоянные, определяемые из граничных условий;

Размещено на http://www.allbest.ru/

а при х;T р 0; a₁, a₂ — корни характеристического уравнения:

Учитывая уменьшение концентрации неосновных неравновесных носителей заряда по мере удаления от освещенной области образца, окончательно получаем: при х l 0

а при х m —l

Dp = C₂e x / L 2 = Dp(0)e x / L 2 (22)

Таким образом, по обе стороны от освещенной области образца концентрация избыточных неосновных носителей заряда снижается по экспоненциальному закону с постоянными спада L₁ и L₂, которые называют длиной затягивания.

Проведем анализ полученных выражений. Пусть внешнее электрическое поле отсутствует (E = 0). В отсутствие внешнего электрического поля имеет место только диффузия избыточных дырок.

Так как L_E = t_pm_pE = 0, то избыточная концентрация неосновных носителей заряда — дырок в результате рекомбинации будет изменяться с расстоянием по закону

Dр = Dр(0)е -х / L р . (23)

Из этого выражения следует, что экспоненциальный спад концентрации избыточных неосновных носителей заряда, обусловленный рекомбинацией, будет симметричным по обе стороны от освещенной части образца (рис. 5, а) и

определяется величиной L_p, называемой диффузионной длиной неосновных носителей заряда — в данном случае дырок. L_p — это то среднее расстояние, на которое смещаются неравновесные дырки при диффузии за время жизни. Следовательно, в отсутствие внешнего электрического поля избыточная концентрация дырок в результате рекомбинации будет изменяться с расстоянием по экспоненциальному закону (23). Это распределение справедливо и для неравновесных электронов, так как при решении задачи предполагалось выполнение электронейтральности, по которому Dn = Dp.

Поскольку имеет место только диффузия избыточных носителей заряда, то ток является диффузионным током, для которого будем иметь:

т. е. диффузионный ток избыточных носителей заряда изменяется с координатой по тому же закону, по которому изменяется избыточная концентрация дырок. Величину v_d, равную:

называют диффузионной скоростью. Численно она равна скорости, с которой неравновесные дырки за время жизни проходят путь, равный диффузионной длине.

Рассмотрим теперь случай, когда E 0. Если L_E n 2L_P, или eL_pEn2kT , то L₁ = L₂ = L_P, Следовательно, в слабом электрическом поле, когда E n E_с, где E_с = 2kT/eL_p — критическое поле, распределение избыточной концентрации неосновных носителей заряда определяется диффузией и описывается уравнением (23). При наличии сильного внешнего электрического поля, когда | L_E | > 2L_P, постоянные спада L₁ и L₂ отличаются от диффузионной длины L_p. В зависимости от направления электрического поля (E > 0 и E <0) они будут больше или меньше L_p. Например, при E > 0 в неосвещенной части для областей

х < —l и x > 0

Отсюда следует, что внешнее электрическое поле искажает симметрию в распределении избыточной концентрации носителей заряда.

Рассмотрим теперь случай таких больших полей E.E_c, для которых выполняется неравенство L 2 _E . 4L 2 _p .Это условие согласно (20) и (24) можно записать следующим образом:

L 2 _E / 4L 2 _p = (t_pm_pE) / 4L 2 _p = t 2 _pv 2 / 4L 2 _p = v 2 /4v 2 _D,

где v = m_pE — скорость дрейфа,

Величина L_E численно равная пути, проходимому неравновесным носителем заряда во время жизни со скоростью дрейфа, называется длиной дрейфа. Следовательно, напряженность поля E будет большой, если длина дрейфа намного превосходит диффузионную длину.

Определим длины затягивания L₁ и L₂ в случае, когда E > 0. Для области х > 0 из выражения (21) можно записать:

т. е. длина затягивания равна длине дрейфа

и распределение избыточной концентрации дырок определяется выражением

Dp1 = Dp(0)e -x / L1 = Dp(0)e- x / tpmpE (25)

т. е. так же, как и в случае только диффузии, избыточная концентрация дырок спадает с ростом х экспоненциально, но только теперь с постоянной спада L₁ = L_E. Поскольку постоянная спада L₁ > L_p то L₁ называется также «диффузионной длиной по пол ю».

Из сравнений (23) и (25) следует, что при L_E 2 . 4L 2 _p в области полупроводника при х > 0 избыточная концентрация носителей заряда больше (правая часть рис. 5, б), чем в отсутствие внешнего электрического поля. Следовательно, при прохождении тока, вызванного сильным электрическим полем, т. е. когда скорость дрейфа намного больше диффузионной скорости (v . v_d), при E > 0 избыточные дырки в электронном полупроводнике затягиваются полем в область полупроводника х > 0 и полупроводник обогащается неосновными носителями заряда в большем количестве, чём при наличии только диффузии в отсутствие внешнего электрического поля (E =0). Это явление носит название инжекции неосновных носителей заряда.

Для дырочного полупроводника инжекция электронов будет наблюдаться при E < 0.

Рассмотрим теперь распределение избыточных дырок для области х < —l в случае E > 0. Теперь длина затягивания

и на основании (22) получим:

Dр₂ = Dр (0)e — x / L 1 = Dр (0) e — LE / L 2 P .

Очевидно, что с ростом напряженности поля L_E увеличивается, a L₂ уменьшается. Поскольку L₂ < L_Р, то L₂ называют «диффузионной длиной против поля» и для области х < — l во всех точках полупроводника, например, на расстоянии

2L_P Dр₂ < Dр . Это значит, что при E > 0 с ростом напряженности электрического поля объем электронного полупроводника для области х < — l обедняется неосновными носителями заряда (левая часть рис. 5, б). Это явление носит название эксклюзии неосновных носителей заряда.

Для дырочного полупроводника эксклюзия электронов будет иметь место при E <0.

При изменении направления внешнего электрического поля E < 0 в области полупроводника х > 0 будет иметь место уменьшение концентрации избыточных носителей заряда, а в области х <-l — их увеличение (рис. 5, в). Эти явления соответственно называются экстракцией и аккумуляцией неравновесных носителей заряда. В дырочном полупроводнике они будут наблюдаться при E > 0.

6. Диффузия и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике с проводимостью, близкой к собственной

Рассмотрим теперь диффузию и дрейф неравновесных носителей заряда в полупроводнике, в котором имеется сравнимое количество равновесных электронов и дырок, т. е. в полупроводнике с проводимостью, близкой к собственной. Будем считать, что неравновесные носители заряда возбуждаются в результате переходов «зона — зона». И если нет захвата ловушками электронов и дырок, то Dn = Dр.

Допустим, что в таком однородном полупроводнике существует неоднородное вдоль оси х распределение неравновесных носителей заряда n(х) = n₀ + Dn(x) и р(х) = р₀ + Dр(х), вызванное, например, локальным освещением образца. Будем считать, что уровень возбуждения низкий, так что Dn = Dр n (n₀ + р₀). Благодаря наличию внешнего электрического поля и градиента концентраций носителей заряда возникнут диффузионные и дрейфовые токи электронов и дырок, которые будут описываться (7) и (8), и плотность тока будет равна

В изолированном полупроводнике в стационарном состоянии полный ток равен нулю (J=0). При этом в каждой точке образца диффузионные токи уравновешиваются дрейфовыми токами, обусловленными статическим электрическим полем напряженностью E_ст, которую найдем из (26), если положить J = 0:

Из (27) следует, что при отсутствии электрического тока (J = 0) возникающее в результате диффузии носителей заряда статическое электрическое поле E_ст будет тем меньше, чем больше равновесные концентрации электронов n₀ и дырок р₀. Если удельная электрическая проводимость полупроводника достаточно велика и концентрации избыточных носителей заряда Dn и Dр значительно меньше концентрации равновесных носителей заряда, т.е. Dn n n₀ и Dр n p₀, то в первом приближении можно считать, что статическое электрическое поле отсутствует и имеет место условие электронейтральности, которое обеспечивается тем, что в каждой точке полупроводника Dn = Dр. Это значит, что диффундирующие носители заряда увлекают с собой в процессе диффузии и носители заряда противоположного знака в равном количестве. В этом случае процесс диффузии избыточных электронов и дырок происходит свободно, как диффузия избыточных нейтральных пар электрон—дырка, характеризующихся одним временем жизни t.

Предположим, что образец, в котором созданы неравновесные электронно-дырочные пары, находится во внешнем однородном электрическом поле E, значительно превосходящем внутреннее статическое поле, т. е. E . E_ст. Для простоты ограничимся одномерным случаем и будем считать, что градиент концентрации и внешнее электрическое поле направлены вдоль оси х. Тогда уравнения непрерывности и уравнение для плотности токов должны быть записаны как для электронов, так и для дырок:

где s_п = enm_n и s_р = ерm_р — электронная и дырочная составляющие удельной проводимости.

Под воздействием внешнего электрического поля пары электрон-дырка будут дрейфовать с постоянной скоростью. При этом совместная диффузия и дрейф электронов и дырок при условии электронейтральности образца будут характеризоваться эффективной дрейфовой подвижностью m_E и эффективным коэффициентом диффузии D, одинаковым для электронов и дырок. Величины m_E и D называют также амбиполярной дрейфовой подвижностью и коэффициентом амбиполярной диффузии.

Для того чтобы определить m_E и D, запишем уравнения непрерывности (28), подставив в них значения J_n и J_p из (29):

Умножим (30) соответственно на _р и _п и сложим оба уравнения. В результате, учитывая, что Dn = Dp, и используя соотношение Эйнштейна, получаем:

Для стационарного случая, когда , (31) запишется в виде

E (32)

Уравнение (32) по форме совпадает с выражением (19) для диффузии и дрейфа неосновных избыточных носителей заряда. Разница между ними лишь в том, что вместо коэффициента диффузии при второй производной и подвижности при первой производной в (32) стоят сложные величины, которые соответственно могут быть обозначены через D и m_E .

Учитывая, что при n d n₀ р d р₀, а это справедливо, когда Dn n n₀ и Dp n p₀, и используя соотношение Эйнштейна для электронов, и дырок (m_n/D_n = m_р/D_р = e/kT), коэффициент амбиполярной диффузии можно записать в виде

а амбиполярную дрейфовую подвижность в виде

Если воспользоваться соотношением Эйнштейна, то коэффициент амбиполярной диффузии D можно представить в виде

Из сопоставления с равенством (35) следует, что в (33) роль подвижности играет величина, равная:

и называемая амбиполярной диффузионной подвижностью.

Из (34) следует, что m_E может изменять знак в зависимости от соотношения n₀ и р₀. Это определяется тем, что во внешнем электрическом поле m_E характеризует скорость дрейфа квазинейтрального облака неравновесных носителей заряда, которое движется в направлении движения неосновных носителей. В электронном полупроводнике m_E > 0 и облако движется в направлении движения дырок, а в p-материале облако движется в противоположном направлении — в направлении движения электронов.

Для собственного полупроводника, у которого n₀ =р₀ = n_i имеем:

Из (36) и (37) следует, что для собственного полупроводника величина коэффициента амбиполярной диффузии зависит только от коэффициентов диффузии (или подвижностей) электронов и дырок. Равенство нулю амбиполярной дрейфовой подвижности свидетельствует о том, что внешнее электрическое поле в собственном полупроводнике, когда Dn = Dр, не влияет на пространственное распределение носителей заряда.

Для примесных полупроводников, у которых концентрация основных носителей заряда значительно превышает концентрацию неосновных носителей заряда (n₀ . р₀ или р₀ . n₀), коэффициент амбиполярной диффузии D, амбиполярная диффузионная подвижность m_D и амбиполярная дрейфовая подвижность m_E равны соответственно коэффициенту диффузии и подвижности неосновных носителей заряда. Например, для полупроводника п-типа (n₀ . р₀)

Следовательно, в примесном полупроводнике диффузия и дрейф избыточных носителей заряда определяются соответственно коэффициентом диффузии и подвижностью неосновных носителей заряда.

Список литературы

1.Шалимова К.В. Физика полупроводников.- М.: Энергоатомиздат, 1985

2.Ансельм А.И. Введение в теорию полупроводнтков.- М.: Наука, 1978

3.Бонч-Бруевич В.Л., Калашников С.Г. Физика полупроводников. — М.: Наука, 1977

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Сущность внутреннего фотоэффекта. Фотопроводимость при наличии поверхностной рекомбинации и диффузии носителей заряда. Эффект Дембера. Измерение фотоэлектромагнитного эффекта. Особенности p-n переходов в полупроводниках, барьер Шоттки для электронов.

курсовая работа [788,8 K], добавлен 27.11.2013

Поглощение света свободными носителями заряда. Электрография и фотопроводимость полупроводников. Влияние сильных электрических попей на электропроводность полупроводников. Подвижность носителей в ионных кристаллах и полупроводниках с атомной решеткой.

реферат [1,6 M], добавлен 28.03.2012

Расчет профиля диффузии сурьмы в кремнии, определение основных параметров этого процесса. Использование феноменологической модели диффузии. Влияние параметров на глубину залегания примеси. Численное решение уравнения диффузии по неявной разностной схеме.

курсовая работа [4,7 M], добавлен 28.08.2010

Удельное сопротивление полупроводников. Строение кристаллической решетки кремния. Дефекты точечного типа и дислокации. Носители заряда и их движение в электрическом поле. Энергетические уровни и зоны атома. Распределение носителей в зонах проводимости.

презентация [150,3 K], добавлен 27.11.2015

Классификация веществ по электропроводности. Расчёт эффективной массы плотности состояний электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, концентраций свободных носителей заряда. Определение зависимости энергии уровня Ферми от температуры.

курсовая работа [913,5 K], добавлен 14.02.2013

Исследование формирования катодолюминесцентного излучения, генерации, движения и рекомбинации неравновесных носителей заряда. Характеристика кинетики процессов возгорания и гашения люминесценции, концентрации легирующих примесей в ряде полупроводников.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 10.06.2011

Сущность и особенности явления диффузии как беспорядочного хаотического движения молекул. Исследование зависимости скорости диффузии от температуры в твердых веществах, сущность явления капиллярности. Проявление диффузии в природе и ее применение.

ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электроника – наука о формировании и управлении потоками электронов в устройствах приема, передачи, обработки и хранения информации.

Понятие информации является одним из основополагающих в обществе.

Можно утверждать, что прогресс и само существование общества возможны лишь при условии непрерывного накопления, обобщения и обмена информации.

Обращение к истории человечества показывает, что развитие производительных сил общества, а с ними и производственных отношений тесно связано с развитием средств информатики. Переход людей от жеста и мимики к звуковой речи, затем к письменности, к книгопечатанию и далее сопровождала непрерывным ростом возможностей общества, как в материальной, так и в духовной сфере. В настоящее время все способы обработки информации интенсивно используются человеком, причем переход к каждому новому способу передачи информации примерно на порядок расширял возможности общения между людьми, что закономерно приводило к резкому увеличению производительных сил общества. Поэтому потребность в совершенствовании систем обработки информации будет сохраняться, пока существует цивилизация.

Непосредственно эти операции выполняют различные информационные системы. Примерами таких систем служат все виды связи, вещания, телеметрия, локация, передача данных и команд автоматического управления, вычислительная техника и др.

Для всех ИС характерно то, что информация в них представлена в виде сигналов.

Сигналом называется физический процесс, параметры которого меняются в соответствии с передаваемой информацией. Следует различать информационные и неинформационные параметры сигнала. Причем информация заключена не в самом сигнале или его параметрах, а в изменении (приращении) информационного параметра.

В принципе информация может быть заложена в изменение любого параметра любого физического процесса. Такими процессами могут быть электрический ток (напряжение); электромагнитное излучение (радиоволны и свет), механическое движение твердых тел, жидкостей, газов и т. д. Однако, наиболее часто применяются первые два, так как они обеспечивают max скорость обработки информации (физический предел – скорость света) и max дальность передачи (в настоящее время – в пределах солнечной системы).

В процессе обработки информации аппаратура системы обработки должна выполнять ряд функций: генерация, модуляция, усиления, преобразование частоты, детектирование, распределение во времени (задержка) и пространстве (коммутация). Для всех этих функций характерно преобразование сигнала, причем выделяется 2 вида преобразований:

1. Изменения параметров физического процесса.

2. Изменения физической сущности процесса.

В современных информационных системах эти преобразования выполняются с помощью электронных приборов (ЭП).

ЭП – это прибор, основанный на использовании электронных явлений в различных средах: вакууме, газе, жидкости, полупроводнике.

Все многообразие ЭП основано на определенных физических явлениях которые называются электронными:

1. Испускание электронов нагретым телом – термоэлектрическая эмиссия.

2. Зависимость электрической проводимости цепи из катода, вакуумного промежутка и анода от направления тока.

3. Обмен энергией между потоком электронов в вакуумном промежутке и электромагнитным полем в этом промежутке.

4. Ионизация газа при прохождении потока быстродвижущихся электронов, приводящая к 1 электрической проводимости среды.

5. Наличие двух типов электропроводности полупроводников (электронной и дырочной).

6. Существование на границе электронного и дырочного полупроводника переходного слоя, обладающего электрической проводимостью, зависящей от направления тока.

7. Инжекция (проникновение) носителей заряда в глубь полупроводника при прохождении электрического тока.

8. Испускание электронов веществом под действием фотонов (фотоэффект).

9. Испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция).

На основе этих и многих других электронных явлений созданы и работают ЭП.

Приступая к изучению конкретного ЭП, следует прежде всего четко представлять возможности этого прибора как элемента информационной радиотехнической аппаратуры.

ЭП относятся к изделиям, которые не имеют самостоятельного независимого применения. Их используют в качестве составных частей или элементов РЭА и ЭВА, которые подлежат сборке, разборке и ремонту в процессе эксплуатации. Для успешного функционирования в составе ЭВА и РЭА ЭП должны соответствовать ряду требований, определяющих свойства и качество элементов.

1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ЭП РЭА

Активные – ЭП – генераторы, усилители выпрямления, преобразователи частоты.

Пассивные элементы РЭА – R, C, L, транзисторы.

ЭП, используемый в конкретной ИС, должен обладать определенными свойствами в зависимости от назначения системы. Основным свойством ЭП является его способность осуществлять необходимый вид преобразования сигнала. (Например, электрический сигнал ® изображение). (Система связи – расстояние ® уменьшается мощность сигнала ® усиление ® необходимы мощные ЭП в передающих чувствительных ЭП в приемных устройствах). Под мощностью ЭП подразумевается его способность преобразовывать мощные входные сигналы, а под чувствительностью – способность преобразовывать слабые сигналы. Скоростная передача информации связана с быстрыми изменениями параметров сигнала. Поэтому ЭП должны обладать определенными частотными свойствами – способность ЭП без искажений преобразовывать высокочастотные сигналы или сигналы с широким спектром частот. В процессе передачи и обработки информации сигналы подвергаются воздействию помех, что может снизить достоверность информации. Одним из видов помех являются собственные шумы ЭП, таким образом, случайные флуктуации, возникающие в самих ЭП. Собственные шумы вредны, так как уменьшается чувствительность и понижается помехоустойчивость ЭП. Поэтому следует учитывать и шумовые свойства ЭП, то есть уровень собственных шумов.

Таким образом, ЭП характеризуются:

1. Вид преобразования сигнала.

2. Maксимальное значение преобразуемого сигнала (мощность).

3. Mинимальное значение преобразуемого сигнала (чувствитель- ность).

4. Частотные свойства.

5. Шумовые свойства.

Эти требования к ЭП выдвигает системотехника. Но свойства ЭП определяются также требованиями схемотехники, технологии производства, экономики и условиями эксплуатации. К числу этих требований относится:

1. Возможность согласования с источником входного сигнала и нагрузкой

3. Малый разброс параметров у идентичных приборов (Параметры должны иметь определенные номинальные значения (номиналы)) – средние значения, около которых сосредоточены значения параметров отдельных однотипных приборов. Указывают также допуски на параметры, то есть допустимые отклонения от номиналов. Например, +10< V₀ <-10.

4. Температурная стабильность параметров – способность сохранять значения параметров в заданных пределах при заданных изменениях t 0 окружающей среды TKH, TKR, TKC – для пассивных элементов.

5. Радиационная устойчивость – возможность работать под действием светового или ионизирующего излучения.

6. Устойчивость к механическим воздействиям – способность сохранять рабочее состояние при воздействии вибрации и перегрузок.

7. Технологичность – возможность механизации и автоматизации изготовления.

8. Низкая стоимость в производстве и эксплуатации.

9. Ремонтопригодность (так как ЭП относятся к невосстанавливаемым элементам РЭА, под ремонтопригодностью понимается удобство контроля и замены ЭП).

10. Надежность и долговечность. Долговечность определяется сроком службы ЭП. А надежность характеризуется интенсивностью отказов ЭП l.

где n – число ЭП, отказавших в течение времени t, N – общее число работавших приборов.

11. Малые габариты и вес.

12. Электрическая прочность – предельные значения напряжения тока, мощности, выделяющейся на ЭП, при которых сохраняется работоспособность ЭП и так далее. (Нагрево-, холодо-, влаго-, тропикостойкость).

Многие из этих требований противоречивы и предпочтение тому или иному требованию к ЭП должно отдаваться исходя из назначения прибора и условий эксплуатации.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭП

Следствием многообразия требований, предъявляемых к ЭП, являются и многообразие самих ЭП, отличающихся своими параметрами, технологией изготовления и принципом действия. Современные ЭП используют принципиально разные физические эффекты. Непрерывное развитие науки открывает все новые и новые физические эффекты, которые становятся базой для создания новых ЭП. Один только фонд физических явлений, созданный в нашем институте, содержит описания более 800 физических эффектов. Для объяснения и описания этих эффектов приходится привлекать теоретические из самых разнообразных отраслей науки.

Дадим классификацию ЭП. В качестве основных признаков классификации примем:

1. Вид преобразования сигнала;

2. Вид рабочей среды и тип носителей заряда;

3. Число полюсов и электродов;

4. Способ управления.

Особую группу приборов составляют приборы сверхвысоких частот, изучению которых посвящен отдельный курс.

1.3. ВИД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА

По этому признаку ЭП можно разбить на две большие группы:

1. Преобразователи физической основы сигнала;

2. Преобразователи параметров сигнала.

В первой группе входной и выходной сигналы отличаются по виду энергии, например, входной сигнал электрический, а выходной – световой.

Во второй группе вид энергии остается неизменным, например, входной и выходной сигналы – электрические, но различаются своими параметрами – амплитудой, частотой, фазой или формой.

К преобразователям физической основы относятся:

— электросветовые ЭП, преобразующие электрический сигнал в световой (лампы накаливания, неоновые лампы, светодиоды);

— фотоэлектрические ЭП, преобразующие световой сигнал в электрический (фоторезисторы, фотодиоды);

— оптроны, в которых электрический сигнал преобразуется в световой, а затем опять в электрический. Это позволяет исключить гальваническую связь выходной цепи с входной;

— электромеханические приборы, преобразующие электрический сигнал в механический (телефон, громкоговоритель, электрический магнит);

— механоэлектрические, механический сигнал – в электрический (микрофон, механотроны – специальные электрические лампы с механическим перемещением электродов);

— термоэлектронные приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую.

Вторая группа преобразователей – преобразователи параметров в основном используют электрический сигнал. Эти приборы называют электропреобразовательными. Существуют также световые и механические преобразователи (световолоконная аппаратура).

Наиболее важными ЭП являются электропреобразователи, электросветовые и фотоэлектрические приборы, а также оптроны. Широкое применение этих приборов объясняется удобством обработки электрических сигналов. Не случайно то, что созданные природой информационные системы – живые организмы также используют преобразование внешних сигналов в электрические с помощью органов чувств или датчиков.

1.4. РАБОЧАЯ СРЕДА И ТИП НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА

Преобразование входного сигнала в выходной осуществляется благодаря физическим процессам, протекающим внутри ЭП, в его рабочей среде. По виду рабочей среды различают следующие классы приборов:

— электровакуумные приборы (рабочая среда – вакуум, носители заряда – электроны);

— газоразрядные приборы (рабочая среда – разреженный газ, носители заряда электроны и ионы);

— полупроводниковые приборы (рабочая среда – кристал полупроводника, носители заряда электроны и дырки);

— хематронные приборы (рабочая среда – жидкость, носители заряда – ионы и электроны) (жидкие кристаллы).

Наибольшее применение находят полупроводниковые, электровакуумные и газоразрядные приборы.

Электровакуумные приборы обеспечивают обработку сигналов очень большой мощности и менее других подвержены воздействию проникающей радиации. Их основное применение – мощная радиовещательная и связная аппаратура, а также аппаратура для работы в условиях повышенной радиации.

Достоинством полупроводниковых приборов является возможность микроминиатюризации, малая потребляемая мощность, возможность изготовления сложных схем в едином технологическом цикле (ИС), большая надежность. К их недостаткам относятся низкая температурная стабильность (от – 40 0 до 125 0 С) и малая радиационная стойкость.

Газоразрядные приборы относятся к низкочастотным приборам, что объясняется малой подвижностью ионов в сравнении с электронами. Однако эти приборы имеют большие рабочие токи и вследствие эффектов свечения газа могут использоваться в целях индикации.

1.5. ЧИСЛО ПОЛЮСОВ

Число полюсов ЭП наряду с видом преобразования сигнала в значительной мере определяет функции, которые ЭП может выполнять в аппаратуре.

Полюсами ЭП называют отводами от электродов прибора, предназначенные для присоединения источников входных сигналов и нагрузки, на которой “выделяется” выходной сигнал. Не следует путать понятия полюса и электродов прибора – это разные понятия. Например, электровакуумный диод относится к двухполюсным приборам, хотя количество электродов у него четыре. Нить накаливания не является полюсом, так как она находится вне рабочего пространства.

По этому признаку ЭП подразделяют на:

5.Двухполюсные и трехполюсные с дополнительным неэлектрическим (световым или механическим) входом или выходом.

К двухполюсным элементам относят диоды.

Типичные представители трехполюсных ЭП – вакуумные триоды и транзисторы. Как правило, один из полюсов такого прибора является управляющим.

Четырехполюсный прибор обладает двумя управляющими электродами, его выходной сигнал является функцией от двух входных сигналов. Типичными представителями этого вида приборов являются частотнопреобразовательные электронные лампы.

1.6. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ

ЭП подразделяются на управляемые и неуправляемые.

Неуправляемым ЭП называют прибор, физические свойства которого отображаются одной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

ВАХ управляемых приборов дополнительно зависит от управляющего фактора, воздействующего на прибор. Для учета этого обычно изображают семейство ВАХ, снятых при нескольких постоянных значениях управляющего воздействия. В зависимости от вида преобразования, используемого в приборе, управление может быть электрическим, световым, механическим или тепловым.

Примеры неуправляемых ЭП — двухполюсные приборы. Однако, полупроводниковый диод может быть и управляемым, если используется внешнее неэлектрическое воздействие, например, световые – это фотоэлектронные полупроводниковые приборы, ток в которых зависит от величины падающего светового потока.

Трехполюсные приборы всегда управляемые.

Для управления током в ЭП необходимо изменять число носителей заряда, проходящих через поперечное сечение проводящего канала рабочей среды. Это осуществляется следующими методами:

1. Изменением концентрации носителей – используется в электровакуумных лампах (триодах, тетродах, пентодах, гептодах и т.д.) и биполярных транзисторах;

2. Изменением площади сечения проводящего канала – используется в разновидности полевого транзистора – полевом транзисторе с управляющим электронно-дырочным переходом;

3. Одновременным изменением концентрации и площади сечения проводящего канала – используется в полевом транзисторе с изолированным затвором.

1.7. ПОНЯТИЕ О РЕЖИМАХ, ХАРАКТЕРИСТИКАХ И ПАРАМЕТРАХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

Режимом ЭП называют совокупность условий определяющих его состояние или работу. Режим, установленный нормативно-технической документацией (ОСТ, ТУ) называется типовым или номинальным режимом. Этот режим определяет оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытания или измерения параметров ЭП.

Параметром режима называют любую величину, характеризующую режим. Можно говорить об электрических параметрах режима (напряжения, токи электродов).

Существуют также параметры ЭП – величины, характеризующие свойства прибора. Например, есть электрические параметры прибора (коэффициент усиления, крутизна характеристики, межэлектродные емкости) и механические параметры прибора. Значения параметров называются номинальными, если они соответствуют номинальному режиму работы прибора.

В справочниках обычно параметры режима и параметры ЭП объединяют общим названием “Параметры”.

Если ЭП работает с неизменными во времени напряжениями и/или токами на электродах, то режим его работы называют статическим. Итак, в статическом режиме все параметры режима не изменяются во времени.

Если хотя бы один из параметров режима изменяется во времени – режим называется динамическим. Это основной режим работы ЭП.

В динамическом режиме поведение прибора существенно зависит от частоты изменения меняющегося параметра. Эта зависимость обусловлена конечной подвижностью носителей заряда в рабочем пространстве прибора. При этом величины токов и напряжений на электродах зависят не только от их значений в текущий момент времени, но и от предыстории, то есть значений токов и напряжений в предыдущие моменты времени.

Однако, если подвижность носителей велика и, следовательно, мало время прохождения носителя заряда через рабочую среду прибора t, а период T изменения меняющегося параметра большой, то есть то, связь токов и t<<T напряжений сохраняется такой же, как и в статическом режиме. Такая разновидность динамического режима носит название квазистатического режима.

Зависимость любого параметра ЭП (или параметра режима) от другого параметра ЭП (или параметра режима) при неизменных других параметрах называют характеристикой ЭП.

Совокупность характеристик, полученных при нескольких значениях независимого параметра режима, называют семейством характеристик ЭП.

Если характеристика получена в статическом режиме, то говорят о статических характеристиках.

Названия статических характеристик часто связывают с названием электродов. Например, анодно-сеточная характеристика показывает зависимость анодного тока от напряжения на сетке лампы. Статическая характеристика, определяющая зависимость тока от напряжения, называется ВАХ.

Для всех ЭП характерны такие обобщенные названия семейств статических характеристик: входные характеристики, выходные характеристики, характеристики передачи.

Параметры ЭП можно разделить на параметры, определяемые по статическим характеристикам, и специальные параметры.

К группе первых параметров относятся:

1. Статические параметры – характеризуют связь постоянных электрических величин (токов, напряжений) для режима, заданного точкой на статической характеристике, например, отношение напряжения к току для диода называют сопротивлением постоянному току или статистическим сопротивлением R_ст = V₀/I₀ при режиме работы, характеризуемом заданной точкой ВАХ.

В другой точке ВАХ значение R_ст будет другим, так как ВАХ диода не линейна. Величина 1/R_ст называется статической проводимостью.

2. Дифференциальные параметры определяют связь изменений (приращений) электрических величин при движении вдоль статической характеристики или переходе к соседней характеристике одного семейства характеристик.

Отношение приращений DV и DI называется дифференциальным сопротивлением.

В пределе r_д = DV/DI дифференциальное сопротивление определяется выражением r_д=dV/dI. Обратная величина – дифференциальная проводимость.

Дифференциальные параметры используют и для многополюсных элементов (транзисторы, триоды и так далее). Многие из них являются безразмерными.

3. Предельные параметры характеризуют предельно-допустимые режимы работы ЭП. Например, предельно допустимый ток электрода или напряжение или мощность, рассеиваемую электродом.

4. Дополнительные параметры описывают особые точки статических характеристик ЭП. Например, ВАХ туннельного диода указывают токи и напряжения в точках max и min ВАХ.

Вторая группа параметров – специальные параметры характеризуют ЭП с экономической, эксплуатационной, технологической и других точек зрения. К ним относятся срок службы, максимальное ускорение ударной нагрузки (характеристика механической прочности), мощность накала, допустимая температура окружающей среды и другие параметры. Их значения приводятся в справочниках.

Характеристики и параметры ЭП дают необходимые сведения о свойствах ЭП и, в частности, позволяют судить о возможности применения ЭП в РЭА информационных систем.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

2.1. СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Значения удельной электропроводности лежат в следующих пределах:

проводники от 10 4 ом/см до 10 -4 ом/см;

полупроводники от 10 4 – 10 -10 до 10 -4 – 10 10 ;

диэлектрики от <10 -10 до >10 10 .

Разделение веществ на проводники и полупроводники определяется не только их электропроводностью. Этим двум классам материалов свойственны и более глубокие качественные различия:

Для проводников характерно увеличение удельного сопротивления с увеличением температуры:

где r₀ – удельное сопротивление при Т₀ = 300 0 К.

Для полупроводников свойственна обратная зависимость:

где b – угол наклона кривой характеризующей количество носителей от Т.

Для полупроводников также свойственна большая чувствительность проводимости к наличию примесей, ионизирующих излучений.

Разделение материалов на полупроводники и диэлектрики более условно. Для обеих групп характерно наличие запрещенной зоны (ЗЗ) между валентной (ВЗ) и зоной проводимости (ЗП). Причем к полупроводникам относятся вещества с шириной запрещенной зоны <3 эВ.

К полупроводникам относится широкий круг веществ:

— химические элементы: бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, теллур, йод;

— химические соединения: CuCl, GaAs, CuO, PbS и другие.

Однако, в полупроводниковой технологии, широкое применение получили Ge, Si, GaAs, Se.

Для получения ЭП со специальными свойствами иногда используют высоколегированные полупроводники, характеризующиеся концентрацией примесей порядка 10 -2 – 1%. При этом атомы примесей вступают во взаимодействие и уровни примесей расщепляются в зону, образующую энергетическую диаграмму свойственную проводникам.

Электрические свойства высоколегированных полупроводников приближаются к свойствам проводников. Поэтому их называют полуметаллами.

2.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Согласно зонной теории, электроны входящие в состав атома, занимают определенные энергетические уровни, характеризующиеся определенным количеством энергии.

В твердом теле энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близлежащих уровней. Энергетические зоны разделяются на три основные части – разрешенные: валентная зона (ВЗ) и зона проводимости (ЗП) и зона запрещенная (ЗЗ), значение энергии которой не могут принимать электроны.

Для полупроводника наиболее важное значение имеет ЗЗ, разделяющая ЗП и ВЗ. Она характеризуется шириной DW_зз

Для температуры 0 0 К ширина ЗЗ для полупроводников имеет следующие значения: Si – DW_зз = 1,12 эВ, Ge – DW_зз = 0,75 эВ, GaAs – DW_зз = 1,43 эВ. Для диэлектриков DW_зз > 3 эВ. Для проводников DW_зз » 0 (частично есть перекрытие ЗП и ВЗ), поэтому проводники обладают электропроводностью.

ЗП характеризуется тем, что электроны находящиеся в ней, обладают энергией позволяющей им передвигаться внутри твердого тела, то есть определяют наличие электропроводности вещества.

В ВЗ электроны связаны в атомах.

В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от 0, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Они становятся свободными, а полупроводник – электропроводным.

Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня, который называется дыркой. Валентные электроны соседних атомов могут занимать эти свободные уровни, создавая дырки в других местах. Такое перемещение электронов рассматривают как движение положительно заряженных зарядов – дырок (условность).

Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов (в ЗП) – называют электронной; а электропроводность, обусловленную движением дырок (в ВЗ) – дырочной.

В идеальном полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно. Электропроводность в таком полупроводнике называется собственной.

Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием не только теплового воздействия (тепловая генерация), но и ударной генерации (кинетической энергии движущихся частиц), энергии электрического поля, светового облучения.

Электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника, пока электрон не будет захвачен дыркой, а энергетический уровень дырки не будет занят электроном из ЗП.

При этом электрон и дырка исчезают и восстанавливаются валентные связи. Этот процесс называют рекомбинацией.

Промежуток времени с момента генерации носителя заряда до его рекомбинации – называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за это время – диффузионной длиной. Величины – время жизни и диффузионная длина для каждого полупроводника выбираются усредненные (среднестатистические).

Диффузионная длина и время жизни для электронов и дырок определяются выражением.

L_n и L_p – дифференциальная длина электронов и дырок;

t_n и t_p – время жизни электронов и дырок;

D _n и D_p – коэффициент диффузии электронов и дырок.

При помещении полупроводника в электрическое поле дырки и электроны начинают двигаться в противоположных направлениях. Движение дырок совпадает с направлением электрического поля. То есть возникает два встречных потока носителей заряда, плотности тока которых определяются выражениями:

где q – заряд электрона: n и p – число электронов и дырок в единице объема (концентрация носителей), m_n и m_p – подвижность носителей, E – напряженность электрического поля.

Подвижность носителей определяется выражением:

где V – средняя скорость носителя.

Удельная проводимость полупроводника определяется:

где r – удельное сопротивление полупроводника.

Результирующая плотность тока равна:

Движение и ток носителей заряда в полупроводнике, вызванное приложенным электрическим полем называют дрейфовым.

ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Диффузия не связана с электрическим зарядом, а определяется только градиентом концентрации носителей. Теоретически диффузия описывается законом Фика по которому плотность потока носителей П (см -2 /ом -1 ) пропорциональна градиенту концентрации, взятому с обратным знаком, поскольку диффузионный ток направлен в сторону меньшей концентрации. То есть:

где dn/dx – градиент, D_n – коэффициент диффузии электронов (см 2 /с), n – концентрация электронов.

Плотность диффузионного тока электронов и дырок получим, умножив плотность потока носителей П на заряд электрона (отрицательный) и дырки (положительный):

где D_p – коэффициент диффузии дырок, p – концентрация дырок.

2.4. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.

Электропроводность полупроводников в значительной степени определяется содержанием в них примесей: донорных и акцепторных.

Донорные примеси имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром, которые могут легко перейти в ЗП основного материала.

Если в собственный полупроводник ввести донорную примесь, то число свободных электронов будет превышать число дырок. Такой полупроводник обладает преимущественно электронной проводимостью j_n>j_g и называют электронным или n-типа.

Донорные атомы образуют в ЗЗ разрешенные уровни Wg, расположенные вблизи дна ЗП. При ионизации донорного атома электрон (1) переходит с донорного уровня Wg в ЗП. DWg = Wп-Wg – энергия ионизации донора.

Акцепторные примеси способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион.

Если в полупроводник ввести акцепторную примесь, то возникают дополнительные дырки при ионизации акцепторных атомов – электроны присоединяются к примесным атомам, отрываясь от атомов полупроводника.

Энергетический уровень акцепторных примесей расположен вблизи потолка ВЗ, и электроны из ВЗ (2) переходят на акцепторный уровень Wa. В результате образуются дырки в ВЗ. Разность Wа-Wв = DWа энергия ионизации акцепторов.

В этом случае, при приложении к полупроводнику электрического поля будет преобладать дырочная составляющая тока j_n > j_p, то есть будет преобладать дырочная проводимость. Такой полупроводник называют дырочным или p-типа. Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводниках, называют основными носителями заряда, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводниках меньше, чем основных – неосновными носителями.

При значительном увеличении концентрации примесей уровни акцепторных или донорных примесей могут расщепляться, образуя зоны, которые могут сливаться либо с зоной валентной, либо ЗП. В обоих случаях полупроводники называют вырожденными. В таком полупроводнике концентрация носителей собственной электропроводности значительно меньше примесной.

В примесных полупроводниках при низких температурах преобладает примесная электропроводность. Но с увеличением температуры повышается собственная электропроводность, в то время как примесная имеет предел увеличения, соответствующий ионизации всех атомов примесей. Поэтому при достаточно высоких температурах проводимость полупроводников всегда собственная.

2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЗОНАХ ПОЛУПРОВОДНИКА.

В собственном полупроводнике при Т = 0 0 К все электроны находятся в ВЗ. При повышении температуры часть электронов из ВЗ переходит в ЗП. Вероятность нахождения электрона или дырки на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно оценить с помощью распределения Ферми-Дирака

EXP [-(W-W_F)/(kT)], где W – энергия данного уровня (дж),

k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, W_F – энергия соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которой при Т ¹ 0 0 К равна ½ и называется уровнем Ферми.

При Т = 0 0 К F_n изменяется скачкообразно. Для всех энергетических уровней лежащих ниже уровня Ферми (W<W_F) функция F_n = 1, то есть вероятность заполнения электронами валентной зоны (2) равна 1; для всех уровней выше W_F функция F_n = 0 то есть электроны в ЗП отсутствуют. При Т ¹ 0 0 К кривая F_n имеет плавный вид.

В примесных полупроводниках n-типа уровень Ферми смещается к ЗП тем выше, чем выше концентрация донорной примеси.

В полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается от середины ЗЗ к ВЗ и находится тем ближе к валентной зоне, чем выше концентрация акцепторных примесей. Уменьшение температуры смещает уровень Ферми аналогично примесям (в n-типа к ЗП; p-типа к ВЗ).

3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

3.1.ПОЛУПРОВОДНИКИ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Рассмотрим систему проводник-диэлектрик-полупроводник. Пусть проводник подключен к отрицательному полюсу, а полупроводник – к положительному полюсу источника напряжения. Тогда на поверхности проводника и полупроводника образуются поверхностные заряды- отрицательный на поверхности проводника и положительный на поверхности полупроводника. Эти заряды создают электрическое поле напряженностью Е и уравновешивают друг друга. Аналогическая картина наблюдается на обкладках электрического конденсатора.

Однако, если в проводнике вследствие чрезвычайно высокой концентрации свободных электронов, нейтрализация

положительного заряда полупро-

Рис. 3.1 водника происходит в чрезвычайно

тонком слое и поле Е практически не проникает в толщу проводника, то в полупроводник область приповерхностного положительного заряда простирается на значительную глубину ().

Обычно ее принимают равной дебаевской длине экранирования Ld.

Для собственного полупроводника:

где ε, ε₀ – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика, n_i – концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике, q – заряд электрона, — температурный потенциал, n_i = N – концентрация примесей для примесных полупроводников.

На рисунке изображено распределение потенциала пола φ(х) вдоль оси Х. Длина экранирования определяет расстояние, на протяжении которого потенциал поля в веществе уменьшается в е =2,72 раз. Считается, что поле Е проникает в приповерхностный слой для примесных полупроводников на расстояние Ld.

Величина L_D для чистого кремния равна 14 мкм, а для кремния n-типа L_D может достигать 0,04мкм при Т=300 0 К.

Появление положительного заряда в приповерхностном слое полупроводника свидетельствует об избыточной концентрации положительных носителей заряда. В этом случае приповерхностный слой обогащается дырками. С другой стороны, в приповерхностном слое полупроводника L_D под действием поля Е происходит выталкивание электронов вглубь полупроводника. Поэтому приповерхностный слой обедняется электронами.

Обратная картина наблюдается при изменении полярности U.

3.2.ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ

Все энергетические уровни, разрешенные в полупроводниковом кристалле бесконечных размеров, разрешены и в ограниченном кристалле. Однако, обрыв регулярной структуры решетки на поверхности кристалла приводит к тому, что вблизи поверхности появляются дополнительные разрешенные дискретные энергетические уровни или зоны, которые запрещены в толще кристалла. Такие уровни энергии называются поверхностными или уровнями Тамма. Поверхностные уровни могут служить донорами (вблизи Wg), акцепторами (вблизи Wa), или центрами прилипания (вблизи середины ΔWз). Заполнение акцепторных поверхностных уровней означает локализацию электронов вблизи поверхности, удаление электронов с донорных уровней локализует дырки вблизи поверхности кристалла. Локализация на поверхности дырок или электронов приводит к образованию поверхностного заряда.

В соответствии с условием электронейтральности полупроводников поверхностный заряд уравновешивается приповерхностным зарядом. Уравновешивание происходит вследствие притяжения свободных носителей противоположного знака и отталкиванием свободных носителей с совпадающим знаком.

Заряд на поверхности полупроводника вызывает возникновение разности потенциалов между его поверхностью и объемом. Вследствие этого искривляются и энергетические зоны у поверхности.

Изгиб простирается вглубь полупроводника на длину экранирования L_D.

Вследствие изгиба энергетических зон в приповерхностном слое может наблюдаться три процесса:

1. При малой плотности отрицательных поверхностных зарядов на поверхности полупроводника n-типа образуется обедненный слой, т.к. основные носители электроны отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом вглубь (1).

Снижается концентрация основных носителей в приповерхностном слое. Аналогичный процесс происходит на поверхности полупроводника p-типа, но при другом знаке поверхностного заряда (2).

2. При большой плотности отрицательных поверхностных зарядов у поверхности полупроводника n-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности – инверсный слой (3). Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми Wf пересекает середину ЗЗ Wi. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой.

(4) аналогично для полупроводника p-типа и положительных поверхностных зарядов.

3. Если на поверхности полупроводника n-типа преобладает положительные поверхностные заряды, то поверхность полупроводника обогащается электронами основными носителями заряда, т.е. образуется обогащенный слой (5). Граница этого слоя определяется глубиной проникновения электростатического поля Ld.

Рис. 3.4

(6) – для полупроводника p-типа и отрицательных поверхностных зарядов.

4. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДОВ

Большинство изделий полупроводниковых технологий представляют собой неоднородные структуры, основными активными элементами которых являются контакты между двумя областями с различными типами и величинами электропроводности или электрические переходы.

— электронно-дырочный или p-n переход, образованный контактом двух полупроводников с различным типом проводимости,

— электронно-электронный (n + -n) и дырочно-дырочный (p + -p) переходы, образованные полупроводниками одного типа, но с различными удельными электропроводностями,

— частный случай – n-n_i и p-p_i, где n_i, p_i – собственные полупроводники,

— переход проводник — полупроводник, образованный контактом проводника и полупроводника,

— гетеропереходы – переходы, образованные разнородными полупроводниками с различной шириной ЗЗ – Ge – AsGa.

Электрические переходы нельзя получить при простом механическом соединении кристаллов полупроводника, т.к. их поверхности загрязнены.

Для получения переходов используются специальные технологические приемы. Наибольшее распространение получили: метод вплавления и метод диффузии примесей.

В первом случае – переход сплавной (нагрев и вплавление), во втором переход диффузионный (диффузия примесей и газа).

Наиболее распространенный метод диффузии – планарный – формирование на поверхности полупроводника областей с различным типом электропроводности через шаблоны.

Также широко используется метод эпитаксиального наращивания – наращивание монокристаллов полупроводника на поверхности подложки того же полупроводника. В зависимости от примесей можно получить эпитаксиальный слой с тем же типом электропроводности, что и исходный полупроводник, но с другим удельным сопротивлением, а можно получить эпитаксиальный слой с другим типом электропроводности – эпитаксиальный p-n переход.

Перспективным методом является метод ионной имплантации – бомбардировка полупроводника ионами примесей, ускоренных в электрическом поле. Основным в этом методе является проведение управляемого легирования поверхностных и приповерхностных слоев полупроводника точно дозированным количеством примесей.

По характеру распределения концентрации примесей различают резкие и плавные p-n переходы. Переход, в котором концентрация легирующих примесей N_a и N_д в области контакта меняется скачком, называется резким. Резкий переход получается обычно методом вплавления примеси. В плавных переходах концентрации N_a и N_д изменяются плавно (метод диффузии).

P-n переходы могут быть симметричными, когда концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу p и n областях приблизительно равны (p_p ≈ n_n). Для несимметричных p-n переходов p_p и n_n не равны. Эти переходы обычно используются в полупроводниковой технике.

Если концентрации основных носителей отличаются более чем на порядок, то переход односторонний.

4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В P-N ПЕРЕХОДАХ

4.2.1. КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ P- И N- ТИПА

При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности и различной концентрацией основных носителей (несимметричный переход) из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в область с противоположным типом электропроводности через плоскость контакта (плоскость, где изменяются типы примесей). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность контактируемых частей полупроводников. В p-области вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в области n-типа – нескомпенсированные ионизированные доноры (положительный неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области, называется диффузионным электрическим полем (рис. 4.1, а). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт – устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов – контактная разность потенциалов.

Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n перехода. В ней понижена концентрация основных носителей заряда, и, следовательно, выше сопротивление.

Наличие диффузионного электрического поля не препятствует движению через переход неосновных носителей заряда, имеющихся в p- и n-областях. Эти носители заряда собственной электропроводности.

Переход неосновных носителей заряда приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе, что вызывает дополнительную диффузию основных носителей, в результате электрическое поле принимает исходное значение.

Таким образом, через p-n переход в равновесном состоянии движутся два встречных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.

Суммарная плотность токов равна 0.

Контактная разность потенциалов или потенциальный барьер (qU_K) определяется выражением:

где Nn₀ и Pp₀ – концентрация основных носителей в равновесном состоянии в областях n и p, n_i – собственная концентрация.

Для германиевых полупроводниковых приборов U_K = 0,3-0,4В для нормальной температуры.

Для кремниевых – U_K = 0,7-0,8В.

Энергетическая диаграмма p-n перехода имеет вид (рис. 4.1, б).

Так как напряженность диффузионного электрического поля в p-n переходе направлена от n полупроводника к p полупроводнику, энергетические зоны для n-области расположены ниже чем для p-области. Сдвиг зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми Wf должен быть расположен на одной высоте энергетической диаграммы всей системы.

4.2.2. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА

Если нарушить равновесие в p-n переходе внешним электрическим полем, т.е. приложить напряжение U плюсом к p-области, а минусом к n-области (напряженность поля Е противоположна диффузионной напряженности E_диф), то суммарная напряженность уменьшится, контактная разность уменьшится U₁=U_K-U_пр (рис. 4.2, б).

Уменьшится и ширина p-n перехода. В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор пока |U_K|>|U_пр|, обедненный носителями заряда p-n переход имеет высокое сопротивление и ток мал.

Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера (рис. 4.2, г). Часть основных носителей с наибольшим значением энергии может преодолевать пониженный потенциальный барьер.

При |U_K|=|U_пр| через p-n переход протекает большой ток, толщина p-n перехода стремится к нулю (уменьшается глубина проникновения поля в область полупроводника). Напряжение такой полярности (+ к p, а – к n) называют прямым, и протекающий ток называют также прямым.

Преодолевшие потенциальный барьер основные носители становятся в соседней области неосновными. Такой процесс называется инжекцией неосновных носителей. Область, в которую ин-

Рис. 4.2 жектируются неосновные носители,

называют базой, а инжектирующую область называют эмиттером.

4.2.3. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА

Если к p-n переходу приложено обратное напряжение (+ к n-области, а – к p-области), то напряженность электрического поля будет совпадать по направлению с диффузионным электрическим полем (рис. 4.3, д) и высота потенциального барьера увеличивается (рис. 4.3, е).

Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и для электронов в p-области, потенциальный барьер в p-n переходе вообще отсутствует. Неосновные носители втягиваются электрическим полем в p-n переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция. При этом через p-n переход течет обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей.

Математически ток через p-n переход определяется выражением:

для J_пр – U имеет знак (+), для J_обр – U имеет знак (-).

J₀ – обратный ток насыщения, ток всех неосновных носителей, генерируемых в объеме, ограниченном диффузионной длиной и площадью p-n перехода.

Идеальный p-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. при приложении к нему прямого напряжения протекает ток, который при увеличении U_пр, увеличивается по экспоненциальному закону.

Если приложить обратное напряжение, то сопротивление p-n перехода возрастает. В цепи протекает малый обратный (тепловой) ток, который практически не зависит от приложенного напряжения и увеличивается по экспоненциальному закону при

Рис. 4.3 возрастании температуры T o .

В реальных p-n переходах наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Такое явление объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в областях p-n перехода и существованием канальных токов.

Канальные токи обусловлены наличием поверхностных состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

Полупроводниковая электроника

Полупроводниковая электроника существенно изменила мир. Многие вещи, которые долгое время не сходили со страниц произведений фантастов стали возможны. Чтобы знать, как работают и чем уникальны полупроводниковые приборы, необходимо понимание различных физических процессов, протекающих внутри.

В статье разобраны принципы работы основных полупроводниковых устройств. Описание функционирования изложено с позиции физики. Статья содержит вводное описание терминов, необходимых для понимания материала широкому кругу читателей.

Иллюстраций: 34, символов: 51 609.

На Хабре в последнее время появилось большое количество тематических статей по различным полупроводниковым устройствам и их параметрам. Не удивительно, что данный материал особенно интересен новичкам в области электроники, поскольку современное изобилие различных устройств обязано именно полупроводниковой электронике. Данный материал следует расценивать как некоторое дополнение к прекрасным статьям AveNat, Dooez и IIIa66uMEM6eP, опубликованным в этом блоге. Описание, приведённое в статье, изложено с целью рассказать больше о физической стороне вопроса, хотя некоторые технические особенности также указаны. Помимо всего прочего материал частично перекликается с уже опубликованными статьями, что также является плюсом для изучающих материал, поскольку информация об одном и том же из разных уст продвигает ближе к истине. Традиционно материал рассчитан на широкий круг читателей, поэтому изложение достаточно подробное. Быстро можно ознакомиться с содержанием по резюмирующим абзацам, которые находятся в конце каждого раздела. В конце статьи для интересующихся размещён список дополнительных источников знаний.

Современные электрические приборы являются очень сложными устройствами. Физические детали их функционирования не всегда легко поддаются пониманию. Для того, чтобы ясно представлять принцип работы того или иного устройства, необходимо знать базовые физические явления, лежащие в их основе. Поэтому, для того чтобы далее вести разговор на одном языке, ниже представлено краткое описание таких понятий как электрическое поле, электрический ток и диффузия.

Шаг 1. Электрическое поле

С позиции физики электрическое поле — это некоторая материя, которая существует «рядом» с заряженными телами. Следует отметить, что такие термины как материя, тело и заряд обсуждаться здесь не будут, т.к. это темы дискуссий на грани физики и философии. Следует лишь уяснить, что это всё связано с явлением электричества и соответственно под зарядом понимается электрический заряд. Для большей наглядности можно взглянуть на рисунок ниже.

На картинке размещено два объекта — шарики. Каждый шарик обладает особой характеристикой — зарядом. Данный заряд может быть либо положительным, либо отрицательным. Эти два шарика взаимодействуют друг с другом через электрическое поле, которое находится «вокруг» них. В этом и проявляется сущность электрического поля: оно обусловлено существованием определённых электрических сил между заряженными телами. Данные силы таковы, что если у шариков заряды одинакового знака, то они друг от друга будут отдаляться, если разного, то наоборот — приближаться. Более подробно вопрос можно изучить в физических учебниках по тематике закона Кулона и электростатического поля.

Для удобства, электрическое поле характеризуют специальной величиной — напряжённостью. Она нужна для того, чтобы сравнивать какое поле «сильнее», а какое «слабее». То, по каким формулами рассчитывается и в каких единицах измеряется в данном случае не важно. Главное то, что чем больше напряжённость электрического поля, тем «сильнее» оно действует на заряженное тело. Также данная характеристика поля имеет направление. В этом случае говорят, что напряжённость — векторная величина, поскольку вектор обычно имеет какое-то направление. Направление необходимо знать, чтобы определить в какую сторону будет поле «толкать» заряженное тело. Прояснить ситуацию можно с помощью рисунка и одной формулы.

На картинке один шарик, помещённый в электрическое поле. В данном случае не важно какими заряженными телами поле было образовано. Поле характеризуется напряжённостью, которая имеет определённое направление. Шарик имеет определённый заряд какого-то знака. Формула, приведённая на рисунке, говорит о том, что если заряд шарика положителен, то поле его «толкает» вперёд (говорят по полю), если отрицателен, то против поля.

Простейшим примером реальных заряженных тел является электрон. Который, являясь чисто квантовым объектом и «живя» по «волшебным» законам, в некотором приближении можно считать шариком, для которого справедливы все рассуждения выше. Заряд у электрона отрицательный, поэтому он «летит» против поля.

Помимо всего прочего, кроме напряжённости, которая описывает силовые характеристики электрического поля, вводят ещё одну характеристику — потенциал. Потенциал является энергетической характеристикой. Энергия в физике вообще штука интересная и её понимание тоже относится к разряду философско-физических дискуссий. Из-за своих свойств она очень удобна для математических расчётов. Останавливаться на этом вопросе здесь не будем.

Потенциал описывает энергетические свойства каждой точки, где есть поле и в общем случае для каждой точки он разный. Особый интерес представляет разность потенциалов. Между разностью потенциалов и напряжённостью поля есть связь. Суть данного понятия можно уяснить из рисунка ниже. Разность потенциалов обычно именуют напряжением (не путать с напряжённостью). Это не совсем то напряжение, которое меряют в электрических цепях с помощью вольтметра, хотя некоторая связь есть. Опять-таки все тонкости можно извлечь из учебников по физике.

В физике любое движение заряженных тел, имеющее чёткое направление, называют током. В данном случае — электрическим током. Очень важно, что движение заряженных тел может происходить не только из-за действия поля на них. По причине того, что существует выделенное направление, ток также имеет какое-то направление. Исторически сложилось, что для движения заряженных отрицательно частиц ток считают направленным в обратную сторону. Подробнее об этом на рисунке.

На практике, обычно используют величину — сила тока, которую просто называют ток, и которая измеряется в Амперах. Эта величина описывает то, как много заряженных тел «пролетает» в единицу времени через определённую область (сечение материала). Связь между током (силой тока) и напряжением определяется законом Ома (формула на картинке). Эти две величины связывает коэффициент, который называют сопротивлением. Данный коэффициент характеризует материал и различные физические явления, которые сопровождают течение тока в этом материале. Обычно сопротивление это просто какое-то число, хотя бывают и более сложные случаи. Об этом можно почитать в учебниках. Иногда для удобства используют вместо сопротивления другую величину — проводимость. Разница между ними ясна из названия: чем больше сопротивление у материала, тем у него хуже (меньше) проводимость.

Среди электрических явлений ещё одной очень интересной особенностью является то, что если имеются какие-либо скопления разноимённых зарядов, то между ними возникает электрическое поле (напряжение), это указывает на то, что такая система хранит энергию электрического поля. Данные системы численно характеризуются параметром — электрическая ёмкость. На данном принципе работают популярные электрические устройства — конденсаторы. Не будем вдаваться в нюансы.

Также нужно понимать, что электрические явления есть частный случай проявление электромагнетизма, о котором можно подробнее почитать в литературе, которая приведена в конце статьи.

Резюме

В основе электроники лежат различные физические явления электрической природы. Наиболее важными понятиями являются электрическое поле заряженных частиц и их электрический ток. Электрическое поле характеризуется напряжённостью и распределением потенциала. Наличие разности потенциалов говорит о наличии электрического поля и наоборот. Под действием каких-либо сил, в том числе и со стороны электрического поля, возникает электрический ток (упорядоченное движение зарядов). Скопления разноимённых зарядов хранят энергию электрического поля и характеризуются электрической ёмкостью (конденсаторы).

Шаг 2. Диффузия

У энергии, существует одна особенность, она всегда стремится быть минимально возможной в любой ситуации. Это закон природы. В некотором роде вообще всё, что происходит вокруг нас можно объяснить именно этим законом. Его иногда называют принципом наименьшей энергии. Собственно поэтому после прыжка мы всегда падаем вниз, кофе всегда остывает, дует куда-нибудь ветер и т.д. Этим же принципом объясняется явление диффузии. Для наглядного представления можно посмотреть, что будет, если кусочек сахара поместить в стакан с водой и не размешивать.

Растворившись, частички сахара будут находиться в одном месте, допустим на дне стакана. Через некоторое время можно будет заметить, что вся вода в стакане стала сладкая, т.е. частички сахара разместились полностью по всему объёму стакана. Это показано схематично на рисунке ниже.

Вот такое поведение частичек какого-нибудь вещества называют диффузией. Поэтому можно сказать, что раз все объекты состоят из молекул и атомов, то при наличии области, где частиц (молекул или атомов) больше, чем в других областях, то возникает перенос из области большей концентрации в меньшую. Другими словами природа стремится всё уровнять, чтобы минимизировать энергию, привести к состоянию равновесия (иногда говорят в равновесное состояние).

Резюме

Благодаря законам природы частички вещества, если их где-то много, всегда будут стремиться туда, где их мало. Это явление называется диффузией.

Шаг 3. Твёрдые тела

Представление о том, как устроены различные материалы очень и очень сложно. Существуют различные направления в физике, которые изучают те или иные вопросы, касающиеся веществ. Для понимания полупроводниковой электроники основной интерес представляют твёрдые тела. Различные тонкости этого вопроса можно изучить в учебниках по физике твёрдого тела или материаловедению. Основная (поверхностная) идея же заключается в том, что все твёрдые тела можно представить в виде решёток. Это определённые структуры, которые состоят из атомов. На картинке ниже представлены некоторые типы моделей решёток. Чёрные точки на рисунке — это атомы.

Свойства различных материалов определяются типами их решёток, видами атомов, а также рядом других факторов. Любое рассуждение о структуре вещества, в конечном счёте, приведёт к вопросам квантовой физики с её «волшебными» явлениями.

Для описания «внутренностей» материалов хорошо подходит зонная теория твёрдого тела. Данная теория неразрывно связана с понятием энергии. Выше уже говорилось о специфичности термина «энергия». Здесь и в дальнейшем не будем углублять данное понятие. Узнать о том, какую роль играет энергия, можно из обыкновенной модели атома, взглянув на рисунок ниже.

На картинке представлена грубая модель атома в виде слоёной структуры. В центре размещено ядро атома, которое окружено электронными облаками. Электронные облака — это и есть собственно электроны. Такое представление электрона больше похоже на правду, нежели представление в виде шариков с точки зрения квантовой физики. Электронный слой ещё именуют электронным уровнем. Дело в том, что на каждом уровне электроны обладают какой-то энергией. Чем «дальше» от ядра — тем больше энергия. Также такую структуру удобно изображать в виде энергетической диаграммы, которая также приведена на рисунке выше. Такую диаграмму часто можно встретить в учебниках по физике. Энергия обозначается буквой Е. Самый верхний энергетический уровень называют валентным.

Когда атомы «соединяются» друг с другом, образуя решётку, т.е. формируют некоторое тело (материал) энергетические уровни у них меняются из-за того, что атомы действуют друг на друга. И среди энергетических уровней наблюдается определённый порядок: энергетические уровни делятся на так называемые зоны. Отсюда и название — зонная теория. На рисунке ниже представлены возможные случаи распределения зон. Следует отметить, что это характеристики всего материала.

Нижняя зона называется валентной зоной. Электроны, которые находятся там, относятся к атомам. Электроны, которые находятся в верхней зоне, являются «общими». Эти электроны очень хорошо реагируют на электрическое поле и непосредственно отвечают за формирование электрического тока в веществе, т.е. за его электрические свойства. Такая зона называется зоной проводимости. Между ними находится запрещённая зона. На картинке также видно, как зависят от ширины запрещённой зоны свойства материалов и принадлежность к тому или иному классу веществ. Видно, что у металлов зоны перекрываются, поэтому у них электроны легко становятся «общими» и соответственно их в зоне проводимости много и течёт хороший заметный ток. У полупроводников зоны находятся на некотором расстояние, но не значительном. Это значит, что электрон может «перепрыгнуть» через эту зону, если получит извне достаточно энергии. У диэлектриков зона шире, поэтому «перекинуть» электроны в зону проводимости трудно, в результате чего токи там текут очень маленькие. И вообще говорят, что диэлектрики токи не проводят.

Есть ещё ряд не менее важных моментов, но здесь рассмотрение их будет опущено и для начального понимания сути физической природы, достаточно будет и этих данных.

Резюме

Для описания свойств твёрдых тел используется зонная теория. Суть теории заключается в том, что внутри материала существуют электроны, которые могут учувствовать в образование электрического тока, остальные же принадлежат атомам. Если подавать на материал энергию (свет, тепло, электрическое поле), то можно «отрывать» электроны от атома для того, чтобы они проводили ток. Есть материалы, где это легко сделать, а есть где сложно. «Золотую середину» занимает класс материалов — полупроводники. В действительности все свойства веществ описываются квантовой физикой.

Шаг 4. Полупроводники

Чем же так особенны полупроводниковые материалы, что они совершили революционный переворот в технике? Весь секрет кроется именно в достаточно узкой запрещённой зоне. Давая электронам какую-нибудь энергию, можно регулировать проводимость материала. Это может быть
электрическое поле, свет (электромагнитные волны), температура и т.д. Это и объясняет колоссально широкое применение полупроводниковых приборов.

Для более детального рассмотрения следует ввести некоторые термины, используемые в теории. В первую очередь «дырки». Дело вот в чём. Если из валентной зоны «улетит» электрон, то там останется свободное место. На это место может «прилететь» другой электрон. Т.к. электрон имеет отрицательный электрический заряд, то «улетая» от атома, он уносит собой этот кусочек общего заряда атома и атом становится чуть-чуть положительней. Конечно рассуждения грубы, но это наводит на мысль о том, что можно представить, что на месте электрона образовалась дырка, которая «несёт» положительный заряд. Это настолько удачная мысль, что в теории полупроводников эти «дырки» называют даже частицами. Хотя на самом деле это никакая не частица, а просто вот такой трюк. Этот трюк удобен для теории, поэтому останавливаться подробно не будем на этом, но терминологию такую использовать будем. Также «дырки» и электроны в теории полупроводников называют p и n частицами от positive и negativе соответственно.

Теперь уже с новой терминологией можно говорить, что когда подаётся на полупроводник энергия, которой хватает для «перескока» электрона, то образуется пара p и n. При температуре больше 0 Кельвина (это в человеческих единицах -273 по Цельсию) всегда есть какое-то количество энергии, которое подаётся на полупроводник из-за температуры. Поэтому если взять какой-нибудь кусок полупроводника, то можно с полной уверенностью говорить, что в нём постоянно генерируются и исчезают (рекомбинируют) пары p и n частиц. Этот процесс идёт постоянно и в таком материале есть всегда какое-то количество электронов и дырок, которые уже создались, но не успели ещё рекомбинировать. Их количество одинаковое, раз они образуются парами. Но этого мало. Для того, чтобы полупроводники применять в практических целях, создают специальные материалы с заведомо установленными параметрами. В данном случае вносят в чистый полупроводник какое-нибудь дополнительное вещество, которое увеличивает или количество электронов или «дырок». Такие полупроводники называют примесными (потому что в них примешали что-то). Одни называют полупроводниками n-типа, другие p-типа. Физические тонкости трогать не будем, об этом можно почитать в дополнительной литературе.

Раз в полупроводниках существует два типа частиц с зарядом, способных упорядоченно двигаться, то существует в полупроводниках два типа тока: электронный и дырочный. Кроме того, двигаться частицы эти могут либо из-за электрического поля, либо из-за диффузии. Соответственно токи ещё могут быть или диффузионными или дрейфовыми.

Наиболее популярными полупроводниковыми материалами на данный момент являются кремний, германий и соединение арсенид галлия.

Сложной и самой важной конструкцией в полупроводниковых приложениях является контакт полупроводников p-типа и n-типа, так называемый pn-переход.

Резюме

Полупроводниковые материалы обладают относительно узкой запрещённой зоной, что делает их гибкими в электрических применениях. В терминологии теории применяется понятие «дырка», которая интерпретируется как частица и может создавать электрической ток. «Дырка» является свободным местом под электрон и «имеет» положительный заряд. В чистом полупроводнике равное количество электронов и «дырок». Для технических применений создают специальные материалы с большим количеством или «дырок» (p-тип) или электронов (n-тип).

Шаг 5. PN-переход

Если взять два полупроводниковых материала и соединить их так, как показано на рисунке ниже, то можно получить pn-переход. На самом деле так не делают, потому что невозможно получить общую кристаллическую решётку просто приложив два материала, но для общих представлений достаточно и такой модели.

Напомню, что в чистый полупроводник добавили примесь, благодаря которой, материал стал обладать повышенной концентрацией зарядов, в одном случае «дырок», в другом — электронов.

Как только два материала «соединили», образовав единый кусок вещества, возникает явление диффузии, которое стремится уровнять концентрации частиц по всему объёму. Самое интересное здесь будет происходить на границе, где рекомбинируют (уничтожаются) электроны и «дырки». В конечном счёте около границы двух материалов возникнет тонкий слой без «дырок» и электронов, т.е. весь заряд скомпенсировался. Однако, примеси, которые были добавлены в материалы, здесь вносят свой вклад. Эти примеси представляют собой ионы (атомы), которые имеют также какой-то заряд. Этот слой показан на рисунке.

Тот факт, что имеются заряженные ионы, и предотвращает дальнейший рост слоя рекомбинированных пар электронов и «дырок». Дело в том, что между двумя противоположно заряженными областями образуется электрическое поле, напряжённость которого направлена от положительной области к отрицательной. В итоге возникает равновесие в материале: при определённой толщине слоя, поле будет на столько сильным, чтобы отправлять обратно заряженные частицы (p и n), которые будут стремиться перетекать под действие диффузии в другую область. Противоборство электрического поля и диффузии и образуют pn-переход. На рисунке ниже это представлено более наглядно.

На рисунке квадратиками обозначены ионы, а кружочками частицы (p и n). Следует отметить, что если проводник n-типа — это ещё не значит что там только электроны, там также есть и дырки, но их очень мало. Это видно по диаграмме, которая нарисована на листочке. Можно догадаться, что для тех частиц, которых мало в той или иной области поле будет их ускорять, т.е. пропускать. Это так называемый ток неосновных носителей заряда. Если pn-переход никак не трогать, то данные токи равны и соответственно общий ток равен нулю.

Самые интересные свойства pn-перехода проявляются если на него воздействовать какой-нибудь энергией, например, электрической.

Ситуация №1. На концы куска материала, где присутствует pn-переход, подключены провода, которые создают разность потенциалов, в результате чего можно говорить о том, что внешним источником энергии создаётся некоторое поле с напряжённостью E. Его обычно так и называют — внешним полем. Конструкция показана на рисунке ниже.

В области контакта отсутствуют основные носители заряда, т.к. они все рекомбинировали. Соответственно это можно интерпретировать, как участок с большим сопротивлением. По крайней мере большим, чем остальной объём полупроводника. Также в виду того, что там присутствует поле, можно говорить, что имеется некоторая разность потенциалов, которую обычно называют контактной. Также говорят, что эта разность потенциалов формирует потенциальный барьер. Углубляться в этот вопрос не будем. Однако с этим связаны не менее интересные вещи, к примеру, именно этот потенциальный барьер определяет то, какое напряжение будет на переходе, если рассматривать pn-переход включённым в некоторую электрическую цепь. Вообще величина данного барьера зависит от типа материала. Поэтому различные полупроводниковые приборы, сделанные из разных материалов, отличаются рядом параметров, в том числе и падающим напряжением на переходе.

В инженерной и научной практике обычно, для наглядности отображения свойств каких-нибудь сложных физических структур, используют специальные диаграммы зависимостей различных величин от других. В электротехнике часто это бывают зависимости тока и напряжения друг от друга. Для pn-перехода, где определяющим является ток, протекающий через переход, очень удобны зависимости тока от напряжения. Такая зависимость приведена на рисунке ниже. Её также называют вольт-амперной характеристикой или сокращённо ВАХ.

Знание ВАХ позволяет не держать в голове все физические процессы в материале, а опираясь на такие зависимости проектировать устройства. На рисунке эта зависимость нарисована оранжевым фломастером. Можно заметить, что если увеличивать напряжение в обратном смещение, то после некоторого значения резко растёт ток. Физически это своеобразное поведение электронов, похожее на лавину. Говорят, что происходит лавинный пробой. Обычно после такого pn-переход своими свойствами больше не походит на pn-переход. Подробно не будем рассматривать эту тему. Отметим, лишь, что иногда, но в меру лавинный пробой бывает полезным.

Ещё одной особенностью pn-перехода является то, что тот обеднённый слой на месте контакта двух проводников, который создаёт внутреннее поле, очень похож на конденсатор. Поэтому говорят, что внутри перехода имеет ёмкость. Её именуют барьерной, чтобы подчеркнуть способ её образования. Также существует ещё одна ёмкость, которая наблюдается при прямом включение перехода и она объясняется динамическими процессами в полупроводниках. Её называют диффузионной. Подробно касаться этого тоже не будем. Ёмкости нужно время для того, чтобы зарядится и разрядится, поэтому если возникает желание быстро менять местами напряжение на концах pn-перехода, то из одного режима в другой переход перейдёт не мгновенно. Для того, чтобы подчеркнуть, что ёмкость очень важна даже рисуют вот такие эквивалентные схемы для pn-перехода.

Ёмкость pn-перехода также интересна для использования на практике. Дело в том, что при обратном смещении от напряжения зависит толщина обеднённого слоя, а соответственно и количество заряда, которое находится по обе стороны перехода. В таком случае можно говорить, что напряжение изменяет ёмкость перехода.

Резюме

Самой популярной конструкцией в полупроводниковой электронике является pn-переход, который представляет собой соединение двух полупроводников разного типа (p и n). Данный переход обладает уникальными свойствами, что определяет его широкое применение. Основной особенностью данного контакта можно считать пропускание электрического тока только в одну сторону. Кроме того, pn-переход может генерировать свет и реагировать на него.

Шаг 6. Переход полупроводник-металл

Кратко можно упомянуть ещё об одном виде контактных явлений: между металлом и полупроводником. При определённых условиях в таком контакте может появиться также потенциальный барьер. Очень часто можно встретить название — барьер Шоттки. По имени изобретателя. Для наглядности посмотрим как это происходит, если соединить металл с полупроводником n-типа. Рассуждения для полупроводника p-типа похожи.

При таком контакте основные носители заряда (электроны) из полупроводника будут перетекать в металл. Что приведёт к схожей ситуации с pn-переходом. Возникнет область с полем, которое будет тормозить дальнейшее увеличение объёма необогащённого слоя. Процессы внутри материала отличаются, конечно, от pn-перехода, но в некоторой степени схожи. ВАХ имеет похожую структуру.

Основным отличием от pn-перехода является то, что данный переход является более быстрым в виду того, что за ток отвечают только электроны (подвижность электронов выше, чем у «дырок»). Также ёмкость перехода намного меньше. Также следует отметить, что на переходе падает меньше напряжение, чем при контакте двух полупроводников.

Резюме

Помимо pn-перехода существуют другие типы соединений. Интересным с практической точки зрения является контакт металл-полупроводник, который обладает схожими свойствами с pn-переходом.

Шаг 7. Диод

Простейшим среди полупроводниковых устройств является диод. Название такое от того, что у него два вывода (вход и выход). В основе всех диодов лежат свойства pn-перехода, обыгрывая какой-нибудь из параметров, получаются разные диоды. Простейший диод, на основе pn-перехода выглядит и обозначается вот так:

Ниже приведено краткое описание других типов диодов. Диоды Шоттки основаны на использовании барьера Шоттки; варикапы используют ёмкостные эффекты pn-перехода; стабилитроны используют особенности обратной ветки ВАХ диода (показано на рисунке) для стабилизации напряжения; туннельные диоды используются при проектировании генераторов; фотодиоды и светодиоды применяются для детектирования и излучения света (возможна модификации для излучения когерентного света — лазеры).

Также существует класс устройств с тремя выводами, но по функциональности они ближе к диодам. Это так называемые тиристоры. Они часто применяются для электрических приложений с большими мощностями. В каком-то отдалённом смысле принцип работы можно сравнить с ещё одним сложным устройством, но более популярным — транзистором. В тиристорах также один pn-переход управляет другим. Более подробно можно почитать о тиристорах, динисторах и других устройствах из этого класса в дополнительной литературе. Кроме всего прочего, существует большое разнообразие других видов, таких как лавинные фотодиоды (очень чувствительные, используются в экспериментах с квантовыми компьютерами и криптографией), pin-диоды, оптроны, импульсные диоды и т.д.

Широкое разнообразие разновидностей диодов говорит об очень больших областях применения. Более популярными (с академической позиции) являются использование диодов для выпрямления сигнала (из переменного в постоянный), для стабилизации напряжения, для подстройки частоты (через изменение ёмкости) колебательного контуры. И многое другое. Необходимо отметить, что полупроводниковая электроника развивается большими темпами и сейчас диод именно как чистый pn-переход внедрён повсеместно. Подробности будут сказаны ниже.

Резюме

Полупроводниковый диод является простейшим конечным устройством, использующим pn-переход. Существуют различные модификации диодов, которые используют те или иные параметры pn-перехода. Полупроводниковые диоды очень широко распространены.

Шаг 8. Транзистор

Не менее популярными и значимыми устройствами в классе полупроводниковых приборов являются транзисторы. Это устройства обычно с тремя выводами, которые можно разделить на два больших класса: биполярные и полевые.

Полевой транзистор представляет собой некоторую полупроводниковую структуру, в которой имеется чётко выраженная область либо p, либо n-типа. Такую область называют каналом. Данный канал имеет какую-то определённую проводимость (сопротивление). Суть работы полевого транзистора состоит в том, что дополнительные полупроводниковые конструкции в виде pn-переходов в нём позволяют управлять проводимостью (сопротивлением) этого канала. Другими словами, полевой транзистор — это переменное сопротивление, которое полезно использовать в различных схемах. Само слово транзистор, в принципе, расшифровывается как переменное сопротивление. На рисунке ниже показана структура типичного полевого транзистора.

Как видно канал имеет два вывода, обладающие особой терминологией: исток и сток. Эти выводы подключают к участку цепи, где нужно переменное сопротивление. Третий вывод транзистора являет управляющим. На него подаётся сигнал, который изменяет проводимость (сопротивление) канала. Этот вывод именуют затвором. Существуют различные способы организации данного эффекта управления, по которым полевые транзисторы ещё делятся на несколько подклассов.

На рисунке выше изображён полевой транзистор с управляющим pn-переходом. Принцип его работы основан на рассмотренных выше свойствах pn-перехода. В данном случае pn-переход включают в обратном направлении и под действие внешнего электрического поля переход либо увеличивается (в размере) или уменьшается. Таким образом, регулируется площадь канала. Чем меньше площадь (поперечного сечения) материала, по которому течёт ток, тем меньше его сила (при прочих равных условиях). Дальнейшие тонкости рассматривать не будем. Имеет место аналогия с вентилями на трубах, работа которых аналогична. Как уже выше отмечалось, удобно перейти к различным зависимостям, которые будут отражать суть эффекта для технической реализации. На картинке представлены такие зависимости для изображённого транзистора. Это два совмещённых графика: выходная характеристика (правый) и характеристика прямой передачи (левый). Через pn-переход в обратном включении течёт маленький ток, поэтому неудобно говорить об управляющем токе. В основном рассматривают управляющее напряжение, поэтому на характеристике прямой передачи (зависимости выходного тока) рассматривается зависимость от напряжения. Видно, что с увеличением напряжения, уменьшается выходной ток (растёт переход и перекрывается канал). На правом графике приведено несколько зависимостей. Они отличаются друг от друга только входным напряжением. По данному графику тоже хорошо видно, что чем больше сопротивление, тем меньше ток на выходе.

На следующем рисунке представлен другой подкласс полевых транзисторов — транзисторы с изолированным затвором. По их структуре их ещё называют МДП (метал-диэлектрик-полупроводник), чтобы подчеркнуть изолированность металлического затвора диэлектриком от полупроводникового канала. Также встречается название МОП (вместо слово диэлектрик подставляют более конкретно — оксид). Изоляция тут нужна для того, чтобы не создавать сложных контактных структур, потому, что нужно только электрическое поле, которое и создаётся затвором (между затвором и другим контактом-подложкой, как в конденсаторе).

На рисунке схематично изображена конструкция такого полевого транзистора. Когда на затвор подают потенциал больше, чем на подложке, то напряжённость поля будет направлена в сторону подложки и все те немногочисленные электроны, что есть в p-полупроводнике будут «примагничиваться» к затвору. Через некоторое время образуется тонкий слой электронов, который создаёт «мостик» между стоком и истоком и выступает в качестве канала. Говорят, что канал индуцировался (образовался). Поэтому такие транзисторы называют «с индуцированным каналом». Существует также немного другая модификация, когда принцип тот же самый, но изначально делают очень тонкий канал, для того, чтобы можно было что-нибудь проводить и без подачи потенциала на затвор. Такой полевой транзистор называют со встроенным каналом.

Как можно заметить, сила тока варьируется от двух параметров: от площади поперечного сечения проводника и от количества зарядов, «протекающих» через это сечение. Полевые транзисторы для управления током используют оба эти параметра, регулируя в одном случае концентрацию зарядов (изолированный затвор), а в другом случае площадь поперечного сечения (управляющий pn-переход).

Другим классом транзисторов, являются биполярные транзисторы, которые в отличии от полевых (поле), состоят из двух pn-переходов и управление током через один переход производится с помощью другого. На рисунке показано обозначение биполярных транзисторов и их принцип работы.

Можно выделить основные части биполярного транзистора: база, эмиттер и коллектор. На рисунке они изображены одинакового размера, хотя на самом деле базу стараются сделать уже. Дальше будет понятно почему.

Если подключить провода к двум концам такого транзистора (эмиттеру и коллектору) и подать напряжение, то через него не будет течь ток вообще ни в каком направлении. Это объясняется структурой. Можно заметить, что в любом случае какой-нибудь из pn-переходов будет в обратном смещении. Однако, если на базовый контакт подать соответствующее напряжение, то можно заметить увеличение тока. Секрет кроется в том, что при подаче напряжения, например как на рисунке, один переход будет в прямом смещении, в другой в обратном. Прямое смещение первого перехода создаёт хороший поток «дырок» из эмиттера в базу, где они, конечно же, рекомбинируют с огромным количеством электронов. Если величина тока достаточная, то часть «дырок» не будет успевать рекомбинировать и их количество будет накапливаться. По действием диффузии они потекут к коллекторному переходу, а там уже переход в обратном смещении, который для неосновных носителей является ускоряющим, т.е. поле перехода «выкинет» «подлетевшую» к нему «дырку», что и создаёт ток коллектора. Заметим, что «дырок» в этом случае в n-полупроводнике больше, чем обычно, поэтому будет течь существенный ток. такой режим работы биполярного транзистора называют активным (один переход открыт, другой закрыт). Также существуют и другие режимы, в зависимости от направления смещения pn-переходов. Особенности эти трогать не будем, о них можно почитать в дополнительной литературе.

Для биполярных транзисторов также используют описание с помощью всевозможных характеристик, обычно это входные (входной ток) и выходные (выходной ток). На рисунке ниже представлены наиболее популярные способы использования биполярных транзисторов и их характеристики.

Дело в том, что и полевые и биполярные транзисторы можно подключать к электрической цепи по-разному, основное отличие состоит в том, куда подавать управляющий сигнал (по правде немного по-другому: какой выход будет общим для управляющей цепи и для управляемой). Для полевых транзисторов данное описание было опущено, а вот для биполярных в виду существенной разницы приведено для двух более популярных случаев (бывает ещё с общим коллектором).

Для того, чтобы не запутаться где рисовать и какие стрелки на обозначениях транзисторов, запомните, что стрелка как у компаса указывает на N (n-тип полупроводника).

Это актуально и для биполярных и для полевых транзисторов (там бывает канал разного типа). У одних она всегда рисуется на эмиттере, у других на затворе.

В радиотехнике существует много разных подходов для описания устройств и их параметров. Один из них — это представление устройства в виде чёрного ящика с несколькими выводами. Каждый вывод соответствует физическому выводу устройства. Такой подход позволяет также абстрагироваться от физики и использовать лишь непосредственно свойства устройства. Для транзисторов типична схема включения, когда один из её выводов является общим для управляющей и для управляемой цепи. В итоге получается, что транзистор как бы имеет 4 вывода. В этом случае называют чёрный ящик четырёхполюсником. Между входом и выходом устройства есть очевидно связь и эту связь можно описать разными коэффициентами, которые называют параметрами. Для транзисторов наибольший интерес представляют h-параметры (H-параметры). Значения их приведено на рисунке ниже.

Среди них наиболее интересный это h₂₁ параметр, который часто можно встретить в документации на транзисторы, что он значит будет сказано ниже.

Вопросы работы с транзисторами достаточно сложны, как и с любыми полупроводниковыми устройствами, поскольку включают в себя также различные зависимости от температуры, от частоты сигнала, различные шумы и т.д. Касаться всего этого не будем, ниже лишь немного рассмотрим два наверно наиболее популярных применения транзисторов, в качестве усилителей сигналов и в качестве ключей.

Резюме

Самым интересным устройством среди полупроводниковых приборов является транзистор. Транзисторы позволяют реализовывать различные цифровые и аналоговые устройства. Различают два класса: биполярные (ток) и полевые (поле) транзисторы.

Шаг 9. Транзистор-усилитель

Когда говорят об усилительных свойствах какого-нибудь устройства, обычно рисуют графики, как на рисунке ниже. На графиках показывается как меняется выходной сигнал в зависимости от входного.

Взглянув на рисунок, можно заметить схему, это самая простая схема включения транзистора (в данном случае биполярного), которая позволяет ему усиливать сигнал. Самое сложное тут, это «передвинуть» входной сигнал так (по входной характеристике), чтобы он начал усиливаться, да ещё и без искажений. Для этого, нужно, чтобы «центр» сигнала был в такой точке, от которой по обе стороны одинаково меняется кривая. Это нужно, чтобы не было искажений. Такую точку называют рабочей. Для этого на схеме есть специальный резистор, который к входному сигналу даёт постоянное смещение. По графикам можно проследить, что сигнал усилился. Видно, что усиление происходит по току, ну и как следствие по напряжению тоже. Поэтому для характеристики усилительных свойств транзисторов вводят специальные коэффициенты, которые показывают во сколько раз выходной ток, напряжение или мощность больше входного. Параметр h₂₁, о котором говорилось выше, является приблизительно равным коэффициенту усиления по току. На этом следует остановиться, ибо вопросы, касаемые усилителей и усилительных каскадов сложны и являются вообще отдельной веткой электроники. Поэтому об этом или говорить всё или лучше ничего или почти ничего, здесь рассмотрены лишь основы. Вершиной совершенства полупроводниковых усилителей являются специальные каскады, которые называются операционные усилители, которые сейчас представляют целое полупроводниковое аналоговое устройство с наисложнейшей архитектурой

Резюме

В аналоговой электроники самое популярное применение транзисторов — это усилительные каскады. Усиление происходит за счёт особенностей работы транзистора. Для того, чтобы сигнал усиливался без искажений нужно правильно подбирать напряжение смещения.

Шаг 10. Транзистор-ключ

Другим направлением развития применения транзисторов, которое стало также очень популярным и положило начало всей современной цифровой электронике, является применение транзисторов в качестве ключей. Ключом называют обычный переключатель между двумя состояниями. На рисунке представлен пример такого обычного переключателя.

Для того, чтобы сделать из транзистора ключ, необходимо также выбрать два состояния транзистора, между которыми производить переключение. Обычно это когда транзистор проводит большой ток и когда маленький, говорят транзистор «открыт» или «закрыт». С позиции цифровых применений, это соответствует «1» и «0». Проектирование цифровых ключей тоже имеет много подводных камней и схемы во много раз сложнее тех, что изображены на рисунке, но основа та же. Дело в том, что для ключей критическим является скорость переключения, а также различимость двух состояний. Поэтому требуются расчёты и модернизации, чтобы оптимальным образом работать с характеристиками транзистора.

Основная идея заключается в том, что имеется некоторая электрическая цепь с одним постоянным сопротивлением и одним переменным, в качестве которого выступает транзистор. Если сопротивление транзистора намного больше постоянного сопротивления, то всё напряжение падает на нём, а на резисторе оставшееся. Если же, у транзистора на много меньше сопротивление постоянного, то ситуация противоположная. Суммарно напряжение на транзисторе и постоянном сопротивление всегда равно напряжению питания. Это закон, который ещё называют законом Кирхгофа №2. Отсюда становится понятна идея, что при подаче сигнала (тока, напряжения) на вход транзистора, он открывается и всё падает на постоянном сопротивлении, если убрать сигнал, то он «закрыт» и всё падает на транзисторе. Если мерить напряжение на транзисторе, то зависимость между входом и выходом будет похожа на логическую операцию инверсия: когда на входе «1», на выходе «0» и т.д.

Большую популярность сейчас имеют схемы, на подобие той что приведена в правом верхнем углу рисунка. Это так называемая комплементарная пара. Тут всё просто: подавая один и тот же сигнал на транзисторы с разным типом канала, всегда будет открыт только один из транзисторов. Это позволяет уменьшить энергетическое потребление схемы.

Цифровые транзисторные ключи позволяют создавать сложные логические схемы, которые уже способны производить наисложнейшие вычисления.

Резюме

В цифровой электроники самое популярное применение транзисторов — это ключи. Транзисторы переключаются между двумя состояниями, за счёт чего и проявляется эффект «ключа». Реальные ключи являются сложными каскадами с дополнительными элементами для улучшения параметров. На транзисторных ключах формируются логические элементы.

Шаг 11. Логические элементы

Рассмотренные в предыдущем разделе транзисторные ключи в первую очередь нашли своё применение в цифровой электроники. Можно даже говорить, что они её сформировали. При помощи только одного ключа можно сформировать все нужные конструкции, чтобы рассчитывать логические функции. В математике доказывается, что для это не нужно реализовывать все возможные функции, достаточно того, чтобы можно было сделать только несколько основных (базис), через которые уже можно выразить все остальные. Например, это может быть операция инверсии и конъюнкция (2И-Не), а может быть исключающее или и инверсия. Простой ключ уже сам по себе реализует инверсию. А конструкции, которые показаны ниже на рисунке, позволяют реализовать операцию 2И-Не (такой каскад называют вентиль).

На картинке изображены две схемы, одна для биполярного транзистора, другая для полевого, причём полевой транзистор использует комплементарные пары. Существует огромное количество различных модификаций данных типов соединений. Но эти являются самыми основными. Причём КМДП логика на данный момент является самой популярной, правда, не в чистом виде. Все технологические новинки являются коммерческой тайной производителей электроники.

Рассмотрим для примера работу ТТЛ (транзистор-транзисторная логика). Тот интересный транзистор, который расположен на входе, на самом деле не является конкретным устройством, это всё реализуется интегральными методами, но об этом позже. Пусть, к примеру, напряжение питания 5 вольт, а на входах A и B сигналы «0», т.е. примерно 0.1 вольт. Это говорит о том, что эмиттерные переходы смещены в прямом направлении. Если устройство делается из кремния, то на таком переходе будет примерно 0.7 вольт (это факт, связанный с потенциальным барьером). Тогда, опираясь на закон Кирхгофа №2, можно говорить, что между базой входного транзистора и землёй, которая у выходного транзистора падает примерно около 0.8 вольт. Точность тут не важна, главное понимать, что этого мало, поскольку для того, чтобы по этой цепи протекал электрический ток, нужно как минимум 0.7 + 0.7, поскольку в цепи два pn-перехода (один коллекторный — от первого транзистора, второй эмиттерный — от второго). Тогда транзистор на выходе закрыт, и на выходе ключа «1». Ситуация, когда A и B «1» и «0» (или «0» и «1») ничего не меняет, поскольку разные потенциалы на входе будут замыкаться, и pn-переход также будет в прямом смещении. Однако, если подать на вход «1» и «1» т.е. по 5 вольт, тогда между базой и эмиттерами переходы будут в обратном смещении. Т.е. на них будут маленькие напряжения, что говорит о том, что на базе почти 5 вольт. Тут тоже точность не нужна. Важно то, что этого напряжения уже достаточно и спокойно открываются оба pn-перехода. Это приводит к тому, что начинает течь ток и открывается выходной транзистор, на выходе которого «0». Вот такая зависимость между A, B и Y называется 2И-Не, поскольку это операция логическое умножение и затем инверсия.

Также очень интересной является И2Л (интегрально-инжекционная логика), которая тут не представлена на картинке, т.к. не очень популярна, однако в СССР были значительные успехи в её применении. Уникальность её заключается в сверхмалой потребляемой мощности (можно работать с напряжениями до 1 вольта), устойчивости к шуму и очень компактные размеры (связано с планарной технологией). О принципах её работы также здесь не будет сказано, поскольку говорить нужно о многом.

Резюме

Транзисторные ключи позволяют формировать универсальные логические каскады — вентили, которые могут формировать путём каскадных соединений более сложные логические функции. Все современные цифровые устройства состоят из такого рода вентилей. Сейчас при проектировании микросхем (о них в следующем разделе) редко пользуются транзисторным масштабом, всё сводится к описанию соединений между уже готовыми логическими модулями (часто для это применяют языки HDL).

Шаг 12. Где в процессоре транзисторы?

Яркими представителями современных полупроводниковых устройств являются процессоры и иные микросхемы. Все эти устройства построены на pn-переходах. Миллионы транзисторов образуют ключи, которые в свою очередь образуют логические элементы, реализующие разнообразные операции: сложение, вычитание, умножение, деление и т.д. О том, как на элементе 2И-Не всё это можно реализовать следует почитать в дополнительной литературе по алгебре логики.

Современные сложные машины могут «засунуть» такое огромное количество транзисторов в такие маленькие размеры при помощи так называемой планарной технологии. Суть её состоит в том, что берётся чистый кусок полупроводника (тонкая пластинка) и на него наслаивают различные уровни примесей через специальную маску, чтобы разместить примесь в нужном месте. И так поочерёдно образовывая сложные соединения. Это действительно высокие технологии, которые не стоят на месте. Конечно, сейчас операции намного сложнее, чем тут описано, однако принцип остаётся тем же. Более подробно о производстве полупроводниковых микросхем можно почитать в литературе, а также посмотреть интересные статьи от компании Intel.

Резюме

В данной статье сжато (где это возможно) рассказано об очень важной области электроники. Рассмотренные темы действительно можно считать наиболее ключевыми для общего понимания принципов функционирования полупроводниковых устройств. Найти ответы на появившиеся вопросы поможет список книг и статей ниже. Безусловно отрасль полупроводниковой электроники ещё долгое время будет задавать темп научно-технического развития общества. Недаром процессоры, как представители этого направления, включили в тренды технологий 2012 года по версии EE Times.