книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

§ 1.2. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК

Применение в технике чистых полупроводниковых материа­ лов ограничено. Почти во всех полупроводниковых приборах используются материалы, легированные примесями. При введе­ нии в полупроводник различных ггримесей можно увеличить кон­ центрацию электронов, не увеличивая одновременно концентра­ ции дырок, или наоборот, увеличить концентрацию дырок, не увеличивая концентрации электронов, т. е. получать полупровод­ ники с электронной или дырочной проводимостью.

Для германия и кремния в качестве примесей обычно исполь­ зуют элементы третьей пли пятой группы периодической системы элементов. Элементы пятой группы служат для создания электронных полупроводников, их называют донорами *, по­ скольку они отдают в кристалл свободные электроны. В каче­ стве донорных примесей ис­ пользуют сурьму, мышьяк, фос­ фор.

Рассмотрим более подроб­ но, как влияют примеси на свойства полупроводников.

Электронный полупровод­ ник л-типа образуется при вве­ дении в чистый кристалл гер­ мания или кремния элементов пятой группы (доноров). Эле­ мент пятой группы имеет

в нейтральном состоянии пять валентных электронов и для него эффективный заряд атомного остатка равен +5. При введении атома донора в кристаллическую решетку германия (или крем­ ния, рис. 1.5) только четыре электрона от донорного атома мо­ гут участвовать в образовании ковалентных связей с соседними атомами. Пятый электрон при температурах, близких к абсолют­ ному нулю, будет вращаться вокруг атома донора и удерживать­ ся около него за счет сил электрического притяжения. Эффектив­ ный заряд для атома примеси, находящегося в кристаллической решетке, будет равен +1, причем сила притяжения будет значи­ тельно ослаблена за счет диэлектрической постоянной кристалла. Поэтому связь пятого электрона с атомом донора значительно слабее, чем у других валентных электронов.

При повышении температуры свободными за счет тепловой энергии становятся в первую очередь электроны доноров. Если донор отдал один электрон, то его атом уже не будет нейтраль-

* От слова donate (англ.) — отдавать, акцептор — от слова accept (англ.) — принимать.

11

ным и приобретет положительный заряд, т. е. ионизируется. Поскольку ион прочно связан валентными электронами с сосед­ ними атомами, он не может передвигаться по кристаллу и со­ здавать ток.

отрицательных зарядов остается равным числу положительных. Для донорного полупроводника образование свободного элек­ трона не сопровождается образованием дырки. Если в полупро­

ными носителями в отличие от дырок, которые в полупроводнике п-типа будут неосновными носителями.

§ 1. 3. ДЫРОЧНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК

Дырочный полупроводник p-типа образуется при введении в чистый кристалл германия или кремния элементов третьей группы. Эти примеси называют акцепторными, поскольку они

электрон, становится отрицательным. Однако в целом кристалл остается нейтральным. Образование дырки при введении акцеп­ торной примеси не сопровождается образованием электрона.

Заряд в полупроводниках, легированных акцепторами, пере­ носится в основном дырками, поэтому такие полупроводники

12

и называют дырочными, а дырки — основными носителями. Элек­ троны в полупроводниках p-типа являются неосновными носи­ телями.

§1 .4 . ДИФФУЗИОННЫЙ т о к в ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Вполупроводниках электрический ток может быть вызван двумя причинами: электрическим полем и неравномерным рас­ пределением носителей заряда (электронов или дырок) по объему.

Ток, образующийся при дрейфе носителей заряда в электри­ ческом поле, называют дрейфовым, или током проводимости.

Ток, возникающий при диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, называется диффузионным. Чтобы понять, что заставляет носители заряда перемещаться в область, где их меньше, рассмотрим элек­ трон (это может быть и дырка), для которого концентрация сосед­ них электронов с разных сторон неодинакова. Если концентрация электронов с одной стороны уве­ личивается, а с другой — умень­ шается, то там, где выше концен­

трация, будет больше и вероят­ ность столкновения электронов друг с другом. Поэтому электрон, совершая хаотическое тепловое движение, будет отклоняться

туда, где будет испытывать меньше столкновений. В результате носители заряда, совершающие тепловое движение, будут сме­ щаться в том направлений, в котором уменьшается их концентра­ ция, что приведет к протеканию диффузионного тока.

Таким образом, наличие неравномерной концентрации носи­ телей приводит к тому, что тепловое движение носителей стано­ вится направленным, поскольку вероятность столкновений в раз­ личных направлениях перестает быть одинаковой.

Степень неоднородности в распределении носителей обычно характеризуется градиентом концентрации (рис. 1.7)

, . дп grad ѣ—---- ,

Ах

аналогично для дырок

grad р

Ах

13

Глава II

п о л у п р о в о д н и к о в ы е ди оды

§ 2. 1. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Электронно-дырочный переход (сокращенно р—«-переход) — основной элемент современных диодов и транзисторов возникает на границе между дырочной и электронной областью одного кристалла. Р—«-переход получается в едином кристалле полу­ проводника, в котором при легировании донорами и акцепторами получена резкая граница между р- и «-областями.

Д иф ф узия Ф1—

-Ѳ п

Рис. 2.1. р—«-переход и распределение потенциалов в запорном слое

Электронно-дырочный переход обладает вентильными свойст­ вами, что позволяет создавать полупроводниковые диоды.

На рис. 2. 1 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную проводимость, а другая — электрон­ ную. В этом случае электроны и дырки могут переходить через границу. Слева от границы раздела электронов значительно меньше, чем справа, поэтому электроны стремятся диффундиро­ вать в /7-область.

Одиако, как только электроны попадают в p-область, они на­ чинают рекомбинировать с дырками, основными носителями

ЭКЗЕМПЛЯР

Уходя в другую область, свободные носители оставляют нескомпенсированный заряд ионизованных атомов примеси, свя­ занных с кристаллической решеткой. Причем, когда электроны уходят из /г-области, там остается положительный заряд ионизо­ ванных доноров, а когда дырки уходят из p-области, там остается отрицательный заряд ионизованных акцепторов (см. рис. 2.1).

Поскольку область пространственного заряда обедняется свободными носителями, ее сопротивление будет выше, чем со­ противление объема полупроводника. Таким образом, на гра­ нице областей образуются два слоя, противоположных по знаку заряда. Это приводит к возникновению электрического поля, на­ правленного от положительно заряженных доноров к отрица­ тельно заряженным акцепторам; т. е. от п-области к р-области. Между п- и p-областями устанавливается разность потенциалов, которая называется контактной. Поскольку электрическое поле препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область, то считают, что между р- и n-областями установился потенциаль­ ный барьер.

Продиффундировать через р—п-переход могут только те но­ сители, энергия которых достаточна, чтобы преодолеть дей­ ствие силы электрического поля, т. е. потенциальный барьер.

В /г-области наряду с электронами, концентрация которых определяется концентрацией донорной примеси, имеются не­ основные носители — дырки. Аналогично в p-области всегда имеется некоторое количество электронов.

Электрическое поле в р—/г-переходе способствует переходу

неосновных носителей и направленный навстречу диффузион­ ному току основных носителей. Через переход навстречу друг другу происходит непрерывное движение электронов и дырок. Заряды, движущиеся через переход против сил поля за счет соб­ ственной тепловой энергии, образуют диффузионный ток. Заряды, движущиеся через переход под действием поля, образуют дрей­ фовый ток. Если р—п-переход изолирован, то эти два тока равны и общий ток равен нулю.

Рассмотрим, какими характеристиками будет обладать р—п- переход в зависимости от полярности приложенного напряжения.

пространственного заряда много выше, чем сопротивление мате­ риала, то все напряжение батареи оказывается приложенным к р—п-переходу. Поле батареи складывается с контактным по-

16

током насыщения р—»-перехода пли тепловым током, поскольку он сильно зависит от температуры. Итак, зависимость тока от обратного напряжения принимает следующий вид:

и диффузионный ток возрастает с увеличением прямого смеще­ ния. Причем его зависимость от напряжения имеет тот же вид, что и при обратном включении, только напряжение батареи имеет другой знак:

т. е. с увеличением прямого смещения потенциальным барьер уменьшается и ток диффузии возрастает.

Так же как и для обратного включения, дрейфовый ток не будет зависеть от напряжения. Полный ток в прямом направ­ лении равен разности диффузионного и дрейфового, т. е.

18

Формула для вольт-амперной характеристики, р—«-перехода, включенного в прямом направлении, имеет такой же вид, что для перехода, включенного в обратном направлении, только из­ менился знак Uб. Это приводит к тому, что ток перехода в пря­ мом направлении будет быстро возрастать с напряжением. На рис. 2.4 сплошной линией показана вольт-амперная характери­ стика р—«-перехода, соответствующая формулам (2.5) и (2.8).

ема полупроводникового мате­ риала, падение напряжения на котором тем больше, чем больше ток через диод.

■В идеальном р—«-переходе, когда прямое напряжение ста­ новится равным величине контактной разности потенциалов UK, барьер исчезает и ток через переход стремится к бесконечности, В диодах при больших токах сопротивление р—«-перехода ста­ новится значительно меньше сопротивления объема материала, поэтому при больших токах последнее и определяет падение на­ пряжения на диоде.

Основную долю обратного тока диода составляет ток js, но помимо него в реальных приборах могут существовать токи утечки через различные сопротивления, шунтирующие р—п- переход.

Чаще всего токи утечки проходят через загрязнения, которые имеются на поверхности кристалла. '

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода начинает резко падать. Если не принимать специальных мер, то электронно-дырочный переход разрушится, и диод выйдет из строя. Поэтому для большинства полупроводниковых диодов работа при напряжениях, близких к пробивным, недопустима.

19