Лекция 2

Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение

Диоды

В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называе­мый также           p-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентиль­ными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Это явление можно пояс­нить следующими положениями. Концентрация электронов в n-области во много раз больше, чем их концентрация в                p-области, где они служат неосновными носи­телями заряда. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации — p-область. Здесь они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный (объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не скомпенсированный положительным за­рядом дырок — основных носителей заряда в этой области.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается нескомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доноров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носи­телями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и            n-областями. Его называют потенциаль­ным барьером, а его величину — высотой потенциального барьера.

Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводи­мостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника. Такой двухслойный полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.

Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью полупроводникового диода, а отрицательный — с n-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой величины действие пространственных заря­дов — снижает   потенциальный   барьер диода,   вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через p-n-переход.   Такое   включение   полупроводникового   диода называется прямым.

При обратном включении полупровод­никового диода, когда с p-областью соединен минус источ­ника напряжения, а с n-областью — плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет  носители  заряда  с обеих сторон  перехода.  Через p-n-переход создается  в этом случае лишь весьма  малый ток,  обусловленный  движением   неосновных  носителей  за­ряда. Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.

Прямое включение:                        Обратное включение:

У диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток I_обр, который измеряют при опре­деленном значении обратного напряжения.

Закон изменения тока

Ста­билитроны

Полупроводни­ковые стабилитроны, назы­ваемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряже­ний. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном напра­влении.

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилит­ронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное элек­трическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

U  - напряжение стабилизации

В качестве примера на рисунке приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах, показано условное обозначение стабилитронов.

Варикапы

Варикап — это полупроводниковый прибор, предназначен­ный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением емкости. Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к p-n-переходу.

Емкость p-n-перехода диода с увеличе­нием обратного напряжения уменьшается. Максимальная емкость варикапа в за­висимости от его типа составляет 5-300 пФ. Отношение минимальной и мак­симальной емкостей равно 1:5. Благодаря достаточно высокой добротности варикапы используются для построения коле­бательных контуров с управляемой напря­жением резонансной частотой в области свч.

С =  - емкость зависит от площади         обкладок конденсатора, расстояния между ними, а также от диэлектрической проницаемости материала.

Светодиоды

Излучающий диод, работающий в видимом диапазоне волн, часто называют светоизлучающим, или светодиодом.

Излучение возникает при протекании прямого тока диода в результате рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода и в областях, примыкающих к ука­занной области. При рекомбинации излучаются фотоны.

Прохождение через p-n-переход тока в прямом на­правлении сопровождается инжекцией неосновных носителей: электронов в p-область и дырок в n-область. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителя­ми данной области полупроводника и их концентрация быстро падает по мере удаления от p-n-перехода в глубь полупроводника. У многих полупроводников рекомбинация носит безызлучательный характер: энергия, выделяющаяся при рекомби­нации, отдается решетке кристалла, т. е. превращается в конечном итоге в теплоту.

Схематическое изображение структуры излучающего диода,  его ус­ловное графическое обозначение (КПД ~ 10-70%). InAs, Sic, GAs.

Фоторезисторы

Фоторезистором называют полупроводниковый рези­стор, сопротивление которого чувствительно к электро­магнитному излучению в оптическом диапазоне спектра.

Схематическое изображение структуры фоторези­стора и его условное графическое обозначение

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводи­мость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока от освещенности при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характери­стика.

Люкс-амперная характери­стика фоторезистора

Фотоэлементы с p-n-переходом

При освещении p-n-перехода в нем возникает э. д. с. Это явление исполь­зуется в фотоэлементах с запирающим слоем, которые могут служить индикаторами лучистой энергии, не требующими внешнего питания, и преобразователями этой энергии в электрическую энергию.

Из p-полупроводника методом диффузии изготовляют тон­кий слой, обладающий        n-проводимостью. Между этим слоем и p-полупроводником образуется p-n-переход. При отсутствии света переход находится в равновесном состоянии и в нем устанавливается равно­весный потенциальный барьер. При облучении перехода в p-области генерируются электронно-дырочные пары. Электроны, образовавшиеся в p-области, диффундируют к       p-n-переходу и, подхватываясь контактным полем, перебрасываются в n-область. Дырки же преодолеть барьер не могут и остаются в p-области. Поэтому p-область заряжается положительно, n-область — отрица­тельно и в p-n-переходе появляется дополнительная разность потен­циалов, приложенная в прямом направлении. Ее называют фотоэлектродвижущей силой.

Принципиальная схема фотоэлемента (КПД ~15%)

Фотодиоды

Фотодиод, как и фотоэлемент с запирающим слоем, представляет собой p-n-переход, включенный в цепь в запорном направлении, последовательно с внешним источником питания. При отсутствии светового потока через фотодиод протекает незначительный так называемый темповой ток. При освещении p-n-перехода вследствие генерации избыточных носителей обратный ток увеличивается пропорционально потокe, вызывая увеличение падения напряжения на нагрузочном сопро­тивлении. От фотоэлементов с внешним фотоэффектом фотодиоды выгодно отличаются малыми габаритами и весом, высокой интеграль­ной чувствительностью и небольшим рабочим напряжением.

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим яв­лением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области р-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле р-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для кото­рых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в сво­ей области проводимости.

Упрощенная структура фотодиода и его ус­ловное графическое обозначение

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения между анодом и катодом при разомкнутой цепи.

Фотодиоды удобно ха­рактеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещенностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода. Пусть вначале световой поток ра­вен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область р-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электри­ческого поля р-n-перехода носители электрода движутся к электродам. В результате между электродами воз­никает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребля­ет, а вырабатывает энергию.

В настоящее время коэффициент полезно­го действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, при­мерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, не­фти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет сни­жаться.

Фотодиоды являются более быстродействующими при­борами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 10⁷—10¹⁰ Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод.

Термоэлектрогенераторы и термоэлектрохолодильники

Рассмотрим цепь из p-n-полупроводников. Пусть левые концы образцов n- и p-полупроводника находятся при температуре более высокой, чем правые. В горячей области образуются в большей концентрации электроны и дыр­ки. Путем диффузии они стремятся распространиться по всему объему. В результате горячая часть  n-полупроводника зарядит­ся положительно (частично ушли возбужденные электроны), а холодная - отрицательно; в р-полупроводнике горячая часть зарядится отрицательно (частично ушли возникшие дырки), а холодная — положительно.

В цепи, соединенной последовательно из разных материалов, появляется э. д. с., если места контактов поддерживаются при разных температурах. В этом сущность термоэлектрического эффекта Зеебека, используемого в термоэлектрогене­раторах (ТЭГ). При появлении тока в цепи, состоящей из раз­личных проводников, в местах контакта в дополне­ние к теплоте Джоуля выделяется или поглощается в зависимо­сти от направления тока некоторое количество тепла, пропорциональное прошедшему через контакт количеству электри­чества:

Термоэлектрогенераторы применяют для питания радиоаппа­ратуры. Так же как и термопарный эффект, эффект Пельтье в p-n-переходах проявляется более энергично, чем в металли­ческих парах. Если в лучших устройствах из металлических пар на контактах удавалось получать перепад темпера­тур 3—5° С, то в батареях из полупроводниковых          p-n-элементов удается его довести до 60—70° С. Эффект используется для охлаждения радиоаппаратуры и ее термостатирования.

Полупроводниковые термостаты применяют для стабилиза­ции температуры работы пьезокварцев и многих полупроводни­ковых радио- и вычислительных схем; холодильники - для по­вышения чувствительности схем с фоторезисторами.

Эффект Холла

Предположим, что по пластине проводника, имею­щей ширину a и толщину b, течет ток плотностью i. Выбе­рем на боковых сторонах пластины точки C и D, разность потенциалов между которыми равна нулю. Если эту пластину поместить в магнит­ное поле с индукцией B, то между точками C и D возникает разность потенциалов V_Х, называемая э. д. с. Холла. В не слишком сильных полях

V_x = r_h Bai

Коэффициент пропорциональности r_h называют постоянной Холла. Она имеет размерность L³/Q (L — длина, Q — электрический заряд) и измеряется в кубических метрах на кулон, (м³/Кл). Рассмотрим физическую природу эффекта  Холла.

На электрон, движущийся справа налево со скоростью v, действует сила Лоренца Fл: Fл = qvB

Под действием силы Лоренца электроны отклоняются к внешней грани пластины, заряжая ее отрицательно. На противоположной грани накапливаются нескомненсированные положительные заряды. Это приводит к возникновению электрического поля, направленного от C к D. Поле E_Х действует на электроны с силой f = qE_x, направленной против силы Лоренца. При f — F_л поперечное электрическое поле уравновешивает силу Лоренца и дальнейшее накопление электрических зарядов на боковых гранях пластины прекращается.

Эффект Холла получил наи­более широкое практическое применение из  всех гальваномагнитных явлений. По­мимо исследования электрических свойств материалов он послужил основой для устройства большого класса приборов: магнитометров, преобразователей постоянного тока в переменный и переменного в по­стоянный, усилителей постоянного и переменного тока, генерато­ров сигналов переменного тока, фазометров, микрофонов и т. д.

Полупроводниковые лазеры (КПД > 90%)

В последние годы интенсивно разви­ваются работы по созданию полупроводниковых источников когерент­ного излучения — полупроводниковых лазеров, которые открывают возможность непосредственного преобразования энергии электриче­ского тока в энергию когерентного излучения.

На рис. а сплошной линией показана кривая распределения электронов, отвечающая равновесному состоянию, пунктиром — неравновесному состоянию, при котором концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне выше равновесной. За­полнение зон электронами, соответствующее такому инверсионному состоянию, показано на рис. б. Особенность его заключена в том, что кванты света с энергией, равной ширине запрещенной зо­ны, поглощаться системой не могут. Поглощение та­кого кванта должно сопровождаться переводом электрона с верхнего уровня валентной зоны на нижний уровень зоны проводимости. Так как на верхнем уровне валентной зоны электронов практически нет, а на нижнем уровне зоны проводимости нет свободных мест, то вероят­ность подобного процесса весьма низка. Это создает благоприятные условия для протекания стимулированного излучения и нарастания фотонной лавины. Квант света стимулирует рекомби­нацию электрона и дырки (n-переход), сопровождающуюся рождением точно такого же кванта. Так как эти кванты практически не погло­щаются системой, то в дальнейшем они оба участвуют в возбуждении стимулированного излучения, порождая два новых кванта, и т. д. Для того чтобы заставить один и тот же фотон участвовать в возбуждении стимулированного излучения многократно, на противоположных стен­ках рабочего тела лазера помещают строго параллельные одно другому зеркала (рис. в), которые отражают падающие на них фото­ны и возвращают   их   в рабочий   объем лазера. Усилению подвергаются только те  фотоны,   ко­торые движутся практически строго вдоль  оси,  так   как   только эти фотоны испытывают многократные отражения   от зеркал. Все другие фотоны выбывают    из   рабочего объема либо сразу, либо после незначительного числа отражений.   В результате    возникает    остронаправленное излучение вдоль оси,   характеризующееся вы­сокой степенью монохроматичности.

Полупроводниковые лазеры обладают высоким к. п. д., который приближается к 100%. Другим  замечательным  свойством   полупроводниковых   лазеров является  возможность  прямой  модуляции   когерентного  излучения изменением тока, текущего через p-n-переход.   Это позволяет при­менять полупроводниковые лазеры для целей связи и телевидения.

Тензорезисторы

Рекомендуем посмотреть лекцию "Психометрические исследования половых различий в познавательных способностях".

Ряд полупроводниковых материалов достаточно резко изме­няет свое электросопротивление под влиянием механических на­пряжений. Этот эффект называется тензорезистивным, а материалы, в которых он имеет место, — тензорезисторами. Природа тензорезистивного эффекта у разных полупроводников может быть различной. У порошковых композиций, например у авиационных угольных регуляторов напряжения и в угольных микрофонах, она обусловливается преимущественно изменени­ем электросопротивления за счет изменения площади и качества поверхности контактов; в однородных монокристаллах — изме­нением ширины валентной зоны и анизотропии эффективных масс электронов при деформировании; в монокристаллах с p-n-переходами - за счет изменений ширины перехода и по­тенциалов на нем.

В простейшем случае этот эффект оценивается коэффициен­том тензочувствительности по напряжению:

характеризующему относительное изменение электросопротив­ления ΔR/R₀, приходящееся на единицу приложенного напряже­ния σ, или коэффициентом тензочувствительности по деформа­ции:

где ΔR – изменение сопротивления; σ – механическое напряжение; π – коэффициент тензочувствительности по напряжению; ε – механическая деформация; K – коэффициент тензочувствительности по деформации.