1629382485-048081f33d7067cb67d6bd3d4cee7eee (846428), страница 38
Текст из файла (страница 38)
Основойтранзистора служит монокристалл кремния с повышенной концентрацией дырок (р— 81). Эта часть монокристалла образует коллекторную область. В части монокристалла создана область с повышенной концентрацией электронов (п —— базовая область.Внутри базовой области образована область эмиттера с преобладающей концентрацией дырок (р — 81). Вблизи границ каждойпары областей образуются электрические переходы, которые в этомслучае называют электронно-дырочными переходами (на рисункеочерчены пунктиром).В большинстве случаев полупроводниковый прибор заключаетсяв корпус (металлический, стеклянный или пластмассовый), герметически изолирующий монокристалл от внешней среды (рис. 9-1, б).С помощью внешних выводов из тонкой проволоки, привариваемыхк электродам прибора, он соединяется с источниками питания идругими элементами радиоэлектронного устройства.Геометрические размеры монокристалла в маломощных приборах измеряются десятыми или сотыми долями кубических миллиметров, а в более мощных приборах — единицами или десятками кубических миллиметров.
Размеры корпуса прибора зависятот его назначения и значения допустимой рассеиваемой мощности.В маломощных приборах корпуса миниатюрны, их размеры непревышают нескольких миллиметров; мощные приборы заключаются в корпуса с размерами до нескольких сантиметров ииногда снабжаются специальными радиаторами для охлаждения(рис. 9-1, в).В последнее время ш ирокое распространение получили бескорпусные полупроводниковые приборы, в которых монокристаллпокрывается специальной защитной пленкой. Такие приборы,используемые в гибридно-пленочных интегральных микросхемах,*)Рис. 9-1.
Устройство транзистора.а — монокристалл кремния, содержащ ий электроды план арноготранзистора; б — сплавной транзистор в металлическом к о р пусе; в — мощный транзистор с радиатором охлаж дения к о л лектора; 1 — пластина полупроводн ика; г — кристаллодерж атель; з — эмиттер; 4 — кол лектор; 5 — ножка тран зистор а;6 _ корпус; 7 — изолятор; 8 — выводы; 9 — радиатор; 10 —область базы; и — электронно-дырочный п ереход.' отличаются еще меньшими размерами, нежели корпусные полупроводниковые приборы.Основы классификации.
В качестве классификационных признаков полупроводниковых приборов, число типов которы х в настоящее время исчисляется многими десятками,, м огут быть использованы различные характеристики и понятия.В качестве наиболее общ его классификационного признакапринято использовать характер процесса преобразования энергииодного вида в другой.
В соответствии с этим признаком полупроводниковые приборы подразделяются на электропреобразователъные, фотоэлектрические, излучающие, теплоэлектрические, тензоэлектрические, магнитоэлектрические и др. Наиболее многочисленна группа электропреобразовательных полупроводниковых приборов. К этой группе относится большинство полупроводниковыхдиодов, все виды транзисторов, тиристоры и др.В связи с развитием инфракрасной техники, лазерных системи оптоэлектроники все более расширяется группа фотоэлектрических и излучающих приборов ( фоторезисторы, фотодиоды,фототранзисторы, полупроводниковые фотоэлементы, солнечныебат ареи, светодиоды и др.).Не столь обширны группы приборов других типов, хотя использование различных физических эффектов ( пьезоэлектрический,эффект Х ол л а , эффект Зеебека и др.) находит все большее применение при разработке различных полупроводниковых датчиков,охлаждающих устройств и т.
п.Помимо рассмотренных в качестве классификационных признаков ш ироко используются и другие отличия: полупроводниковыйматериал ( кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые и другиеприборы ); область рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные и приборы диапазона С В Ч ); значение допустимой мощностирассеяния; конструктивно-технологические параметры ( сплавные,дифф узионные, мезатранзисторы, р-п-р и п-р-п приборы) и т. д.Термины и определения в области полупроводниковых приборов устанавливаются ГОСТ 15133-69.У словны е графические обозначения полупроводниковых приборов в схемах регламентируются ГОСТ 2.730-73, а система ихобозначений — ГОСТ 10862-72.9-2.
Э Н Е Р ГЕ Т И Ч Е С К И Е ЗОННЫЕ ДИАГРАМ МЫПОЛУПРОВОДНИКОВК ак известно из курса физики, энергетический спектр твердоготела имеет зонную структуру. Энергетические уровни атомов,объединенных в кристаллическую структуру, расщепляются,образуя зоны разрешенных энергетических состояний, отделенные друг от друга запрещенными зонами — энергетическими интервалами, состояния внутри которых не могут быть заняты частицами. Электрофизические свойства твердого тела определяютсяхарактером расположения двух верхних энергетических зон,образовавш ихся в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов (валентная зона) и уровней возбуждения и ионизации электронов атомов (зона проводимости). На энергетических диаграммах веществ, обладающих свойствами полупроводников, эти две зоны разделены относительно неширокой(не более 3 эВ) запрещенной зоной.
На рис. 9-2, а эти зоны показаны на потенциальной функции 17 (г) кристалла химически чистого полупроводника, а на рис. 9-2, 6 -— в виде одномерной энергетической диаграммы.В полупроводниковых приборах химически чистые полупроводники используются довольно редко. Обычно для изготовленияприборов применяют полупроводниковые материалы, электропроводность которых обусловлена преимущественной концентрациейподвижных носителей электрических зарядов того или иного знака:электронов или дырок.
С этой целью в предварительно химическиочищенный полупроводниковый материал вводятся специальныепримеси(материаллегируется).Локальные уровни примесей. Для германия и кремния — веществсвалентностью, равной четырем, —в качестве донорных примесей, обеспечивающих преимущественнуюэлектроннуюэлектропроводность, используются элементы пятой группы таблицы Д. И. Менделее Рпс. 9-2. Потенциальная (а) п энергетическая (б) диаграммы беспримесногова (Р, Аз, БЬ), а в качествеп олупроводника.акцепторных примесей, образующих преимущественнуюдырочнуюэлектропроводность, — веществатретьейгруппы(В, А1, Са, 1п). В полупроводниковой технике в качестве легирующих примесей используются также некоторые элементыпервой группы (Си, Аи и др.), обладающие свойствами как доноров, так и акцепторов.Атомы примесей обычно замещают в узлах кристаллическойрешетки атомы основного вещества, образуя дефекты замещения.Поскольку атом примеси имеет иное число электронов, нежелиатом основного вещества, п другую величину атомного _радиуса,периодическая потенциальная функция кристаллической структурывблизи примесного атома искажается и его энергетический уровеньрасполагается в запрещенной зоне (рис.
9-3, б и 9-4, б). Такоеизменение энергетической диаграммы можно объяснить следующим образом.В случае донорной примеси четыре валентных электрона примесного атома, например фосфора (рис. 9-3, а), образую т с валентными электронами четырех соседних атомов кремния парноэлектронные ковалентные связи. Поскольку ковалентная связь насыщенная, пятый валентный электрон не участвует ни в одной ковалентной связи; он связан с ядром атома фосфора кулоновскимвзаимодействием. Для определения его энергетического состоянияможно воспользоваться водородоподобной моделью атома, но приэтом следует иметь в виду, что на этот пятый валентный электронвоздействуют не только кулоновские силы атомного остатка, нои периодическое поле кристаллической структуры кристалла.Поэтому при использовании водородоподобной модели следуетучитывать эффективную массу электрона т*, а также диэлектрическую проницаемость среды е.Рис.
9-3. Примесныйатом фосфора в кристалле кремния (а),потенциальнаядиаграмма |вблизи примесного атома (б) иэнергетическаядиаграмма я-полупроводника (в).Решение амплитудного уравнения Шредингера для этого случая приводит к следующему выражению для собственной энергииЕ п электрона в атоме примеси [22]:Еп —ЕсЕ1Нг2т*е 2п2т'(9-3)Здесь Е 1а = -£рдг = 13,52 эВ — энергия ионизации атома водорода; Е с — энергия, соответствующая дну зоны проводимости;г — число единичных положительных зарядов в атомном остаткепримеси; п = 1, 2, 3 ...ВеличинаЕщгЬппЕп -82т(9-4)— это энергия основного (п = 1) состояния донорного атома,отсчитываемая от дна зоны проводимости. Отсюда следует, чтоэнергетический уровень примесного донорного атома лежит в запрещенной зоне, ниже дна зоны проводимости, а энергия его иона-зации А Е Л = Е 0 — Е д меньше энергии ионизации атома водородаE iH в е2 раз.Для кремния, например, е = 12, а т * — 0,33, следовательноэнергия А Е д составит сотые доли электронвольта.Вычисление радиуса боровской орбиты «лишнего») электронапятивалентной примеси показывает, что его величина примернов сто раз превышает г0 — постоянную решетки основного полупроводника и рис.
9-3, а лишь качественно иллюстрирует положениепримесного атома в кристаллической структуре кремния.Зона пробоВимостиЛокальныйуровеньакцепторовР и с. 9-4. Примесныйатом алюминия в кристалле кремния (а), потенциальная диаграмма вблизи примесного атома (б) и энергетическаядиаграммар-полупроводиика.При внесении в полупроводник акцепторной примеси одна извалентных связей с соседними атомами остается незаполненной(рис. 9-4, а).
Такое состояние не является дыркой, так как атомакцептора электрически нейтрален. П роцесс ионизации акцепторного атома заключается в присоединении к незаполненной■валентной связи электрона из валентной зоны:Е„г?*EiHz2 тп'■E v +Еа(9-5)Здесь Е к — энергия, соответствующая потолку валентнойзоны, а Е а — энергия основного состояния акцепторного атома.Таким образом, энергетический уровень примесного акцепторного атома лежит в запрещенной зоне, выше потолка валентнойзоны.Энергия ионизации трехвалентного акцепторного атома Д^а == Е а — Е к в кремнии также имеет величину порядка сотых д о лей электронвольта.Энергетический уровень, эВПримесьБорАлюминийИндийФосфорМышьякМедьГруппаIIIIIIIIIVVIЗолотоI'ГерманийКремний£ „ + 0,0104£ „ + 0,0102£ „ + 0,0112£ с - 0,0120£ с - 0,0127£ „ + 0,04£ „ + 0,33£ „ + 0,05£ „ + 0.16£ с — 0,20£ с — 0,04£ „ + 0,046£ „ + 0,067£ „ + 0,154£ с - 0,046Е с — 0,056£ „ + 0,49£ „ + 0,24£ „ + 0,35£ „ + 0,54——Такие энергетические уровни примесей, недалеко отстоящиеот уровнейи Е с, принято называть мелкими.В случае внесения примесей с валентностью, отличающейсяот валентности основного вещества больше чем па единицу, атомыпримеси могут быть дважды и трижды ионизированы.
В этом случае в запрещенной зоне располагаются два или три энергетических уровня примеси, причем энергия ионизации двух- и трехкратноионизированныхатомоввышеэнергииионизации однократноионизированного атома, что следует из соотношений (9-4) и (9-5),содержащих величину г2-.Энергетические уровни некоторых наиболее употребительныхпримесей даны в табл. 9-2.Концентрацияпримесей (Л^или УУа) в полупроводниковыхматериалахобычноневысока:Рис. 9-5. Расщ епление локального уровня примеси в примес10-4— 10~8% , иначе говоря,нан ую зон у .10е—108 атомов вещества приходится лишь один атом примеси.Это означает, что при равномерном распределении примесей пообъему полупроводника отдельные примесные атомы отделеныдруг от друга расстояниями в несколько сотен постоянных кристаллической структуры г0. При таких концентрациях волновыефункции соседних примесных атомов практически не перекрываются, и энергетические состояния всех атомов примеси характеризуются единым дискретным энергетическим уровнем.
Поскольку этот энергетический уровень существует лишь вблизиатома примеси, его часто называют локальным (рис. 9-3, в и 9-4, в).Энергетические зоны примесей. В ряде случаев концентрациюпримесей в полупроводниковых материалах доводят примернодо (10'?—1 )% . При этом волновые функции соседних атомов примеси уже нельзя считать неперекрывающимися. Примесные атомыобразуют систему взаимодействующих частиц, и дискретныйэнергетический уровень примеси превращается в энергетическуюпримесную зону. При мелкозалегающих уровнях примеси такаязона перекрывается с соседней зоной (валентной или зоной п р оводимости), образуя энергетическую диаграмму, характерную дляметаллов (рис. 9-5). Электрические свойства таких высоколегированных полупроводников приближаются к свойствам металлов.Поэтому такие полупроводники часто называют полуметаллами.9-3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
