Электронно-дырочный переход

В большинстве полупроводниковых приборов применяют неоднородные по своим электрофизическим свойствам монокристаллы, в которых можно выделить области с донорными и акцепторными примесями и электронно-дырочные или рп переходы между двумя областями полупроводников, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая р-типа. На часть поверхности монокристалла каждой области наносится слой металла  электрод прибора, к которому привариваются или припаиваются выводы из тонкой проволоки. Большинство полупроводниковых кристаллов помещается в специальный герметический корпус (металлический, стеклянный или пластмассовый), изолирующий его от окружающей среды. В корпусе имеются специальные внешние выводы, с помощью которых электроды полупроводникового прибора могут быть соединены с соответствующими точками схемы.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование свойств рn-переходов. Однако рn переход не может быть создан путем простого соприкосновения двух полупроводниковых кристаллов с разными типами электропроводности, так как при этом между кристаллами всегда будет существовать некоторый промежуточный слой. Обычно рn переходы создают с помощью специальных технологических приемов. По технологии изготовления рn переходы могут быть разделены на сплавные, диффузионные, эпитаксиальнопланарные.

Для n и p справедливы неравенства n_n >>p_n и n_p <<p_p. После создания перехода на границе между полупроводниками с различными типами электропроводности возникают большие градиенты концентрации подвижных носителей зарядов. Это приводит к тому, что через границу между полупроводниками n и р типа проходят диффузионные токи (электронный из nобласти, дырочный из робласти). В результате ухода основных носителей на границе полупроводников с разными типами электропроводности создается обедненный слой, в котором в n-области будут

находиться положительно заряженные ионы донорных атомов, а в р-области  отрицательно заряженные ионы акцепторных атомов. Этот двойной слой (протяженностью в десятые доли микрометра) и является рn переходом (рис.6а). Выделяют два типа рn переходов: симметричный, для которого n_n=p_p и несимметричный, для которого n_n<>p_p.

Полупроводниковые приборы

П олупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним рn переходом и двумя выводами. Конструктивно такой диод представляет собой кристалл полупроводника, в котором одним из технологических приемов выполнен рn переход. Часть поверхностей двух различных областей кристалла, образующих переход, покрывают металлической, пленкой, к которой приваривают или припаивают внешние выводы.

Рис.7. Конструкции полупроводникового диода (а, б) и его вольтамперная характеристика (в)

Конструкция сплавного диода в стеклянном корпусе показана на рис.7а, а бескорпусного диффузного диода  на рис.7б.

Основным элементом полупроводникового диода является рn переход, поэтому вольт-амперные характеристики (ВАХ) реального диода и рn перехода близки (рис.6г). Однако механизм работы реального диода и его характеристики несколько отличаются от рn перехода, рассмотренного выше. Основные отличия обусловлены следующими причинами.

Во-первых, в реальных диодах, как правило, используются несимметричные рn переходы, для которых выполняются условия или . Резкое различие в концентрации основных носителей зарядов приводит к тому, что одна из областей полупроводникового кристалла (область с большей концентрацией основных носителей) становится низкоомной, а другая — высокоомной.

Низкоомная область является доминирующим источником подвижных носителей зарядов, и ток через диод при прямом включении рn перехода будет практически целиком определяться потоком ее основных носителей. Поэтому низкоомную область полупроводникового кристалла называют эмиттером. Различие в концентрации основных носителей зарядов сказывается и на расположении рn перехода на границе областей с различным типом электропроводности. В связи с большей концентрацией носителей в единице объема низкоомной области при образовании перехода «обнажится» большее количество ионов, чем в высокоомной области. Так как несимметричный рn переход в состоянии равновесия остается электрически нейтральным, ширина обедненного слоя в высокоомной области оказывается больше. Если различие в концентрации основных носителей зарядов велико, то рn переход будет расположен почти целиком в высокоомной области, которая получила название базы.

Во-вторых, сопротивление объема полупроводникового кристалла не равно нулю, и при больших прямых токах им нельзя пренебрегать. Так как в реальных диодах используются несимметричные рn переходы, в которых сопротивление эмиттера значительно меньше сопротивления базы, учитывают только сопротивление базы, которое оказывает влияние на прямую ветвь ВАХ диода.

В-третьих, реальный диод имеет конечные размеры, поэтому необходимо учитывать процессы, происходящие на поверхности кристалла. Наиболее важным является ток утечки, который влияет на обратную ветвь ВАХ диода.

Последние две причины приводят к тому, что прямой ток диода оказывается меньше, чем в рn переходе, а обратный ток не остается постоянным, а медленно возрастает (рис.7в).

При приложение к диоду переменного напряжения проявляются его инерционные свойств, близкие по свойствам к емкостным. Выделяют два типа емкостных свойств. При обратных напряжениях, когда диод заперт его инерционные свойства определяются барьерной емкость. Выражение для барьерной емкости в зависимости от типа рn перехода имеет вид

где - начальная емкость рn перехода, - обратное напряжение, - контактная разность потенциалов, - целое число, зависящее от типа рn перехода, для плавного рn перехода , для резкого рn перехода - , для сверхрезкого рn перехода .

При прямых напряжениях рn переход исчезает, и инерционные свойства диода описываются диффузионной емкостью

где - определяется через ток инжекции,  элементарный заряд.

Кроме рn переходов в полупроводниковых приборах используются и другие контакты, например, гетеропереход  контакт двух полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, барьер Шоттки  контакт металл  полупроводник. Гетеропереходы используются для создания светоизлучающих приборов светодиодов и полупроводниковых лазеров. Барьер Шоттки используется в быстродействующих выпрямительных диода, сверхбыстродействующих детекторных и смесительных диодах, а также сверхбыстродействующих полевых транзисторах.

Один из способов изготовления диода состоит в следующем. На пластинку полупроводника, например германия, обладающего электронной проводимостью, накладывают небольшой кусочек индия и помещают в печь. При высокой температуре (около 500⁰ С) индий вплавляется в пластинку германия, образуя в ней область дырочной проводимости. К самой пластине германия и к затвердевшей "капле" индия припаивают два проволочных вывода электродов и прибор заключают в герметический и непрозрачный корпус, чтобы защитить p -n переход от воздействия влаги и света.

Существует много разновидностей полупроводниковых диодов, обладающих специальными свойствами. Стабилитрон - диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется. Варикап - диод, емкость p - n перехода которого зависит от значения приложенного к нему напряжения.

Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых спешиал схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Вот простейшая схемка включения варикапа в колебательный контур:

Ф отодиод - полупроводниковый диод, в корпусе которого имеется окно для освещения p - n перехода. Под действием света изменяется сопротивление диода и, следовательно, сила тока в его цепи. Кроме того, под действием сета в диде возникает электродвижущая сила, так, что освещенный фотодиод является источником электрической энергии.

Полупроводниковые диоды применяют для выпрямления переменного тока, для детектирования слабых радиосигналов, например, в радиоприемниках, для выделения и обработки электрических сигналов в различных автоматических устройствах и электронных вычислительных машинах ( ЭВМ ).

Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника.

Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения.

Лавинно-пролетный диод (ЛПД, IMPATT-диод) — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. На вольт-амперной характеристике лавинно-пролетного диода, в отличие от туннельного диода, отсутствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя.

Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p+-n-n+, p+-n-i-n+, m-n-n+ (m-n — переход металл-полупроводник), n+-n-p-p+ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке. Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных).

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла п олупроводника с четырёхслойной структурой р-n-p-n-типа, обладающий в прямом направлении двумя устойчивыми состояниями — состоянием низкой проводимости (тиристор заперт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). В обратном направлении тиристор обладает только запирающими свойствами. Т.е тиристор — это управляемый диод. Тиристоры подразделяются на тринисторы, динисторы и симисторы. Перевод тиристора из закрытого состояния в открытое в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор: либо воздействие напряжением (током), либо светом (фототиристор).

У тиристоров важная работа: они переклюют электрические цепи, регулируют напряжение, преобразуют постоянный ток в переменный. Существует несколько видов тиристоров. Наиболее распространены динисторы - тиристоры с двумя выводами и тринисторы - приборы с тремя выводами.

Тринистор представляет собой пластинку полупроводника (обычно кремния) с четырьмя чередующимися слоями различной электропроводности, образующими три p - n перехода. Крайний слой пластинки с дырочной электропроводностью (p - типа) называют анодом, другой крайний слой, имеющий электронную электропроводность (n - типа), - катодом. Тринистор в отличие от динистора имеет еще один выход - от одного из средних слоев пластинки полупроводника (управляющего электрода).

Если на управляющий электрод на мгновение подать импульс напряжения, то тринистор откроется, и через него почти беспрепятственно сможет пройти ток от источника питания (электрической сети) к нагрузке (например, к электродвигателю). Чтобы тринистор перевести в закрытое, непроводящее состояние, достаточно лишь разомкнуть электрическую цепь, в которую он включен.

"Ключевой" характер действия тринистора позволяет использовать его для переключения электрических цепей там, где для этой цели до этого служили только электромагнитные реле. Полупроводниковые переключатели легче, компактнее и во много раз надежнее в работе, чем электромагнитные реле с механически замыкаемыми контактами. В отличие от таких реле они производят переключение с очень большой скоростью - сотни и тысячи раз в секунду, а если нужно - еще быстрее.

Тринисторы используют в современной аппаратуре электрической связи, в быстродействующих системах дистанционного управления, в вычислительных машинах и в энергетических устройствах.

Фототири́стор — оптоэлектронный полупроводниковый прибор, имеющий структуру, схожую со структурой обычного тиристора, но отличающийся от последнего тем, что включается не напряжением, а светом, падающим на тиристорную структуру. Этот прибор применяется в управляемых светом выпрямителях и наиболее эффективен в управлении сильными токами при высоких напряжениях. Скорость отклика на свет — менее 1 мкс. Фототиристоры обычно изготавливают из кремния, и спектральная характеристика у них такая же, как и у других кремниевых фоточуствительных элементов. Разновидностью фототиристора является оптотиристор, в котором источник света -- светодиод из арсенида галлия -- интегрирован в одном светонепроницаемом корпусе с кремниевой тиристорной структурой.

ПЗС — прибор с зарядовой связью (англ. CCD — Charge-Coupled Device). Общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применятся технология управляемого переноса заряда в объеме полупроводника.

Фоторези́стор — полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом.

Для изготовления фоторезисторов используют полупроводниковые материалы с шириной запрещенной зоны, оптимальной для решаемой задачи. Так, для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.

Важнейшие параметры фоторезисторов:

1. интегральная чувствительность — отношение изменения напряжения на единицу мощности падающего излучения (при номинальном значении напряжения питания);

2. порог чувствительности — величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот.

Терморезистор (от греч. thérme — тепло, жар; от лат. resisto — сопротивляюсь), термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает или возрастает с ростом температуры. Для терморезистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии; их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.

Различают терморезисторы с отрицательным и положительным ТКС. Терморезисторы с отрицательным ТКС изготовляют из смеси поликристаллических оксидов переходных металлов (например, MnO, СoO?, NiO, CuO), легированных Ge и Si, полупроводников типа AIII BV, стеклообразных полупроводников и других материалов.

Различают терморезисторы низкотемпературные (рассчитанные на работу при температуpax ниже 170 К), средне-температурные (170—510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Кроме того, существуют терморезисторы, предназначенные для работы при 4.2 К и ниже и при 900—1300 К. Наиболее, широко используются среднетемпературные терморезисторы с ТКС от — 2,4 до —8,4 % К-1 и с номинальным сопротивлением 1 —106 Ом.

Режим работы терморезисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. В свою очередь ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров терморезистора, так и от температуры теплопроводности окружающей среды, тепловой связи между терморезистором и средой. Терморезисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов. Терморезисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, реле времени, измерителей мощности электро-магнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов, температуры и напряжения. Режим работы терморезистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ (при этом используется зависимость сопротивления терморезистора от температуры и теплопроводности окружающей среды), характерен для терморезисторов, применяемых в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред; действие таких терморезисторов основано на возникновении релейного эффекта в цепи с терморезистором при изменении температуры окружающей среды или условий теплообмена терморезистора со средой. Изготовляются также терморезисторы специальной конструкции — с косвенным подогревом. В таких терморезисторах имеется подогревная обмотка, изолированная от полупроводникового резистивного элемента (если при этом мощность, выделяющаяся в резистивном элементе, мала, то тепловой режим терморезистора определяется температурой подогревателя, то есть током в нём). Таким образом, появляется возможность изменять состояние терморезистора, не меняя ток через него. Такой терморезистор используется в качестве переменного резистора, управляемого электрически на расстоянии.

Из терморезисторов с положительным температурным коэффициентом наибольший интерес представляют терморезисторы, изготовленные из твёрдых растворов на основе BaTiO3. Такие терморезисторы обычно называют позисторами. Известны терморезисторы с небольшим положительным температурным коэффициентом (0,5—0,7 % К-1), выполненные на основе кремния с электронной проводимостью; их сопротивление изменяется с температурой примерно по линейному закону. Такие терморезисторы используются, например, для температурной стабилизации электронных устройств на транзисторах. Хотел бы заметить, что график изображённый на рисунке "Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) для терморезистора." некорректен, т.к. неправильно расположены оси, нужно повернуть график на 90 градусов влево и инвертировать по вертикали для терморезистора с положительным ТКС, для случая с отрицательным ТКС всё верно.