М.Х. Джонс - Электроника практический курс, страница 3

На самом деле, конечно, при этом происходят перескоки валентных электронов, но результат заключается в том, что дырка переходит от атома к атому. Трехвалентные примеси„подобные бору, называют акцелторными, поскольку они, будучи введены в кристалл, способны принимать электроны. Так как теперь прово- 14 Усиление и транзисторы димость обусловлена положительными дырками, этот легированный лолу- проводник носит название полупроводника р-типа. -Я-Я=Я=Я~~Я Ов~~Я~~Я~~ =О=О=О О= дырка -О=О=О=О= Рис. 1.8.

Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом бора. Здесь имеется свободная дырка, способствуюшая проводимости (полупроводник ртипа). Важно понимать, что образец полупроводника как р-типа, так и п-типа, сам по себе не обладает в целом электрическим зарядом. В любом случае обшее число электронов уравновешивается таким же числом протонов в ядрах атомов.

Обозначения р- и и- относятся только к типу зарядов, ответственных за проводимость внутри кристалла. 1.3.5 Основные и неоснавные носители Несмотря на то, что наличие примеси в легированных полупроводниках является основной причиной проводимости, все же остается и собственная проводимость чистого полупроводника, вызванная нарушением ковалентных связей из-за тепловых колебаний. Таким образом, в материале п-типа кроме свободных электронов, обусловленных донорной примесью, имеется небольшое количество дырок, образовавшихся в результате тепловой генерации пар электрон-дырка. Аналогично в материале р-типа имеется немного электронов теплового происхождения. Носители зарядов, намеренно введенные путем легирования, называют основными носителями, тогда как носители зарядов (противоположного знака — Прим.

перев.), возникаюшие в результате тепловых колебаний, называются неосновными. Введение в твердотельную электронику 15 1.3.6 Компенсация Существует возможность преобразовать материал л-типа в материал р-типа и наоборот просто путем добавления соответствующей примеси в количестве, превышающем количество первоначальной примеси.

Свободные электроны, присутствующие в материале н-типа, заполняют дырки в материале р-типа и исчезают. Этот способ, называемый компенсацией, широко используется при изготовлении транзисторов, где различные примеси диффундируют в кристалл на различных этапах производства. 1.3. 7 р-и переход Работа полупроводникового прибора, такого как транзистор, определяется эффектами, имеющими место на ~рамине между материалами р- и н-типа. На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представляет собой изменение материала с р-тнпа на и-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки.

При простом соединении образцов материала р-типа и материала н-типа не возникает р-л переход. На рис. 1.9 показан диод, представляющий собой р-и переход с металлическими контактами с каждой стороны. Под изображением перехода приведен график изменения потенциала на р-л переходе. Кдк только переход образован, часть свободных электронов из области л-типа вблизи границы переходит в область р-типа и заполняет часть дырок в р-области. На месте электронов остается область с некомпенсированным положительным зарядом.

То же самое происходит в области р-типа, где возникает отрицатель- 1 оасанен- ~,а най ююй ! а в о Рис. 1 9. Услад нее обозначение полупроаодни коаого диода, р-а переход с обедненным слоем и изменение потенциала. 16 Усиление и транзисторы иый заряд. Эти заряды образуют потеициальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению электронов через переход, благодаря чему наступает равновесие. В результате такого начального перемешеиия дырок и свободных электронов вблизи р-и перехода практически ие остается свободиых носителей. Эта область, шириной менее одного микрона, называется обедненным слоем.

1.3.8 Смещенный р-л переход Если к р-и переходу подключен внешний источник постоянного иапряжеиия, то потенциальный барьер обедненного слоя увеличивается или умень- ян гы з в В Рисд.! О. Поведение обедненного слоя (с) при обратном смешении и (Ь) при прямом смешении. Введение в твердотельную электронику 17 шается в зависимости от полярности поданного напряжения или сиен!ения. На рис. 1.!О показаны оба случая: (а) обратное смешение, когда потенциальный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и (Ь) прямое смешение, когда барьер уменьшается, а обедненный слой сужается. В случае обратного смешения через переход течет очень маленький ток, связанный с тепловым разрушением ковалентных связей в обеих областях.

Неосновные носители имеют такую полярность, которая способствует их прохождению через переход. Однако при комнатной температуре этот обратный ток у кремниевого перехода настолько мал (порядка 1 нА), что на практике им часто пренебрегают. Когда же переход смещен в прямом направлении, потенциальный барьер понижается, нарушается равновесие и часть электронов из и-области и дырок из р-области теперь способны пересечь переход.

Чем больше напряжение прямого смешения, тем ниже потенциальный барьер, тем большее число электронов и дырок проходит сквозь обедненный слой и, следовательно, возникает ток, текущий через переход. Следует отметить, что при увеличении э.д.с. прямого смещения, эффективное сопротивление перехода уменьшается из-за понижения потенциального барьера. В результате небольшое увеличение напряжения, приложенного в прямом направлении, вызывает значительное увеличение тока. Обычно у маломощных кремниевых диодов напряжение прямого смешения 0,6 В вызывает ток около 1 мА, а при напряжении 0„8 В ток возрастает до 100 мА.

Прямая и обратная характеристики типичного маломощного кремниевого диода показаны на графике зависимости тока от приложенной э.д.с. на рис. 1.!1. Из графика видно, что кремниевый переход практически не проводит ток, пока э.д.с. прямого смешения не превышает 0,5 В. У германиевых переходов эта величина меньше и составляет 0,2 В. Подробнее характеристики диода рассматриваются в главе 6. Рис. !.11. Прямая я обратная характеристики аояупуоводникояого кремниевого диода.

2 Зяя. я729. 18 Усиление и транзисторы Из сказанного следует, что ток может свободно протекать через диод в олпом направлении, а в другом направлении диод представляет собой почти бесконечное сопротивление. Такая односторонняя характеристика указывает на важное применение диодов: выпрямление, преобразование переменного напряжения в постоянное. Эти вопросы обсуждаются в главе 9. 1.3.9 Лавинный пробой Хотя прн обратном смешении диод ведет себя как изолятор, дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда переход вдруг начинает проводить 1рис. 1.12). Происходит это из-за электронов теплового происхождения, приобретающих за счет электрического поля в обедненном слое энергию, достаточную для образования новых пар электрон- дырка при соударении с атомами кремния.

Эти вновь образовавшиеся носители затем сами создают свободные носители и лавина нарастает. Процесс не приводит к разрушению перехода, если ограничить ток и тем самым не допустить его перегрева. Лавинный пробой может происходить при напряжениях от 5 В до 1000 В и выше. Напряжение пробоя зависит от конструкции диода и степени легирования кремния. Значением напряжения пробоя ограничивается обратное пиковое напряжение в выпрямителях. риис к исти рсктсристики Рис. 1 12.

Характеристика диода, смещенного в обратном направлении, с типичным лавинным пробоем. Выпускаются специальные диоды с низким напряжением пробоя, которые называются зенеровскими, по имени Карла Зенера, который в 1934 году открыл механизм электрического пробоя. Зенеровские диоды 1стабилитроны — Прим. перев.) обычно имеют очень высокую степень легирования, создающую большую концентрацию основных носителей и позволяющую обедненному слою оставаться тонким даже при обратном смещении перехола. В результате градиент потенциала становится настолько большим, что пробой может произойти при обратном напряжении менее 3 В.

Очень крутая характеристика пробоя, показанная на рис. 1.12, говорит о том, что падение напряжения на диоде в режиме пробоя остается почти постоянным Транзистор ! 9 при изменении обратного тока в широком диапазоне. Поэтому, стабилитроны используются для стабилизации выходного напряжения в источниках питания (глава 9). Строго говоря, понятие зенеровского пробоя включает в себя туннельный эффект при преодолении потенциального барьера и применимо только к диодам с напряжением пробоя менее 5 В, а при напряжении пробоя более 5 В диоды правильнее называть лавинными. 1.3.10 Емкость перехода и варакины Диод, смешенный в обратном направлении, ведет себя как небольшой конденсатор с типичным значением емкости 2 пФ для маломошного кремниевого диода.

Обедненный слой ведет себя как диэлектрический изолятор между проводяшими «пластинами» и- и р-тнпа. Кроме того, с ростом смешаюшего напряжения емкость немного падает, поскольку обедненный слой расширяется. Путем соответствуюшего легирования создакпся специальные диоды — варикапы, для которых типичным является изменение емкости от 10 пФ до 2 пФ при увеличении обратного напряжения от 2 В до 30 В.

Такие диоды широко используются при настройке радиоприемников и телевизоров в диапазоне метровых и дециметровых волн. Устройство для электронного управления емкостью конденсатора настройки часто представляет собой специальную схему (схема автоматической подстройки частоты), которая фиксирует настройку на желаемую станцию автоматически. 1.4 Транзистор 1.4. 1 Введение Биполярный транзистор состоит из двух р-и переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1.13 показана самая простая конструкция и-р-и транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупровод- »р си»ситор титтср Рнс.