В даний час розвиток обчислювальної техніки проходить, в основному, у двох напрямках:
1.
4 1 (100)
(111)
8 7 X [100]
5 6 [111]
Y a) b) c)
Кожній кристалографічної площини відповідає різна щільність _________ атомів, тому й відмінність у властивостях.
1,4 2,3 4 3 2 4 1,3 2
1,8
5,6 7,8 5 7 5 6,8 7
6
а) b) c)
НОСІЇ ЗАРЯДУ У ПП.
Електропровідність речовини пояснюється наявністю вільних носіїв заряду, які можуть переміщатися в об'ємі речовини, або під впливом поля, або при наявності градієнта їх концентрації в речовині (прагнення до вирівнювання концентрації).
Як же утворюються вільні носії заряду в ПП?
Ідеальний ПП при Т = абсолютного нуля (ПП не має дефектів кристала, тому валентні е всіх атомів беруть участь у ковалентних зв'язках, тобто вони не вільні) є ідеальним діелектриком. При підвищенні Т ° (*) електрони здобувають додаткову енергію і в кінцевому підсумку деякі ковалентні зв'язки розриваються, утворюючи вільні е і незаповнену зв'язок - «дірку» поблизу атома з відсутньою е (утворюється електронна діркова пара). Такий процес називається термогенерации. Відсутність е недовговічне (час життя), на його місце приходить е з сусідніх атомів (рекомбінація), тобто «Дірка» дрейфує. Така провідність ПП називається власною провідністю, а ПП - власним ПП (особливість - кількість е завжди дорівнює кількості «дірок»).
Цікаві явища спостерігаються при заміщенні деяких атомів Si так званими домішковими (домішка заміщення, є ще і домішка впровадження) атомами іншої валентності (3 і 5) (копр. 5 вал. Р або 3 вал. Бор, Аl).
a) b)
У першому випадку 9 е атома фосфору легко «відривається» від нього утворюючи іон +, а е додається до власних вільним і і рівновага - «дірка» порушується. Провідність стає переважно е - ної (n - провідність).
У другому випадку всі 3 е бору пов'язані з сусідніми атомами Si, утворюючи «дірку», а атом домішки перетворюється в нерухомий іон -. ПП набуває дірковий (Р) провідність. Такі провідності називаються домішковими проводимостями. Носії, що знаходяться в більшості, називаються основними, іншого типу не основними.
ПАРАМЕТРИ НАПІВПРОВІДНИКІВ
е окремо взятого атома залежить від того, на якій оболонці він знаходяться, мають строго одиночне значення енергії. Під впливом міжатомних сил в кристалі ці енергетичні рівні розширюються і перетворюються в енергетичну зону (Ефект Штарка). Нас буде цікавити енергетична зона зовнішньої оболонки (т.зв. валентна зона). Для того, щоб ті покинув валентну зону і став вільним, що забезпечує провідність, йому необхідно повідомити певну додаткову енергію, після чого він потрапляє в так звану зону провідності.
Величина додаткового енергетичного імпульсу різна для різних напівпровідників і визначає ширину так званої забороненої зони. Власне, ширина забороненої зони, а, отже, і вид зонної діаграми, і відрізняє ПП від діелектрика.
W (енергія)
j Зона провідності
Зона провідності
донорно (n)
домішка Заборонена зона
Заборонена зона {
акцент. (р)
Валентна зона домішка Валентна зона
ПП Діелектрик
Таким чином, ширина забороненої зони визначає енергію, необхідну для переходу е з валентної зони в зону провідності, і є найважливішим параметром ПП. Якщо е повертається в валентну зону, то відбувається рекомбінація е і дірки.
В електроніці оцінка енергії е виробляється величиною
W = g j, де
j - потенціалів, що пройшли елементарним зарядом (іноді, енергетичним потенціалом).
Залежно від кількості атомів домішки і від енергії, одержуваної е зовнішніх оболонок (зокрема, від Т ° ПП) кількість е зони провідності буде по-різному. Але ж кількість носіїв струму при наявності поля буде визначати, зокрема, величину струму в ПП. Тому кількість таких е («дірок») є важливим параметром. Однак, сама кількість е («дірок») ще ні про що не говорить. Важлива їхня концентрація (тобто кількість на одиницю об'єму).
Концентрація носіїв (позначається n - для е і p - для «дірок») - дуже важливий параметр ПП. Концентрація сильно залежить від Т ° (наприклад, збільшення Т на 5% збільшує концентрацію на ~ 3 рази) і від ширини забороненої зони (обернено пропорційно). У ПП концентрація носіїв нерівномірна (тобто існує градієнт концентрації). Такий нерівномірний розподіл носіїв називається Больумановскім рівновагою і пояснюється виникненням внутрішнього електричного поля в ПП, перешкоджає вирівнюванню концентрації.
Рух носіїв в електричному полі напруженістю Е називається дрейфом і величина дрейфового струму:
i = s E, де
s - питома провідність, важливий параметр ПП (іноді використовують питомий електроопір r = 1 / s).
Оскільки в ПП є 2 типи носіїв, то
s = qn m n + qp m p, де
q - одиничний заряд
n і p - концентрація
m n і m p - рухливість носіїв, важливий параметр ПП.
У вакуумі носій під впливом поля Е буде рухатися рівноприскореному. Інша справа - тверде тіло. Прискорюючись, носії постійно «стикаються» з атомами (відчувають розсіювання). На довжині вільного пробігу носії рухаються рівноприскореному, потім, зіткнувшись, втрачають швидкість і знову прискорюються. Тому середня дрейфова швидкість _
J = m Е, де
m - коефіцієнт пропорційності, званий рухливістю носія, і залежить від його ефективної маси (для Si m e ~ 3 m p).
Швидкодія напівпровідникових приладів прямо пропорційно рухливості носіїв ПП, на основі якого виконаний прилад.
Рухливість - величина не постійна і залежить від Т °, причому неоднозначно, наприклад
m Так, для Si m можуть змінюватися в діапазоні робочих температур
від -50 ° С до +125 ° С в 4-5 разів.
Т
ЕФЕКТ ПОЛЯ
Ефект поля - це зміна концентрації носіїв (а, отже, провідності) у приповерхневому шарі ПП під впливом зовнішнього електричного поля.
Створимо конструкцію МДП:
150мГц
ВЧ fпереключателя> 1ГГЦ
4) Діоди Шотткі утворюються на межі метал - напівпровідник. Працює тільки на основних носіях (СД = 0). Зменшуючи площа переходу, зменшують СБ Тому fпереключателя = 3 - 15 ГГц.
Застосовується дуже широко.
5) Фотодіоди - засновані на змінах провідності в залежності від освітленості.
6) Світлодіоди - використовується явище зміни світла в деяких широкозонних ПП (фосфід галія, карбід кремнію і т. д.) при рекомбінації е і «дірок».
Гетеропереходи, діоди з накопиченням заряду, варикапи, параметричні діоди,
інжекупонние фотодіоди, фотоелементи координатно-чутливі фотоприймачі, лазер на основі pn переходу, інжекупонний гетеролазер, варистори - особливості цих специфічних pn переходів
див. [6] Вакулін, Стафєєв «Фізика ПП приладів».
Раніше були гомопереході.
Гетероперехід - перехід між ПП різної фізико - хімічної природи (наприклад Si - Ge, Si - GaAs, GaAs - GaP (фосфід галія)), причому це не обов'язково pn переходи, можуть бути і nn, pp (різна ширина забороненої зони в напівпровідниках)
Діоди з накопиченням заряду - для формування фронтових сигналів.
Варікани - ємність (бар'єрна), керована U
Варистори - нелінійне напівпровідниковий опір
Біполярний транзистор (Т)
Транзистором називають ПП прилад, що володіє підсилювальними властивостями по потужності. Саме посилення потужності характеризує транзистор, як підсилювальний прилад. Не можна говорити про транзисторі, як про підсилювачі струму. Тоді трансформатор струму є підсилювачем, хоча відомо, що він підсилює струм, але «гасить» напруга. Аналогічно і транзистор напруги - збільшує напругу за рахунок струму.
За принципом дії розрізняють:
- Біполярні Т
- Уніполярні Т
Назва Т визначається типом носія в транзисторі:
основні
біполярні уніполярні один тип - основний
неосновні
Біполярний транзистор являє собою сукупність взаємодіючих зустрічно - включених pn переходів, що мають загальну область - базу.
р
Е Б К
> N2, на б) це відбивається позначкою n +. Сильно легований електрод з меншою площею називається емітером, менш легований з більшою площею - колектором (збирає). Процеси в переходах n1 - p і n2 - p взаємно впливають один на одного, тому що товщина бази W 0, то
U c спочатку утворюється збіднений (акцен-
U битий) шар (поки всі «дірки» услід-
+ - N + ствие ефекту поля не відтіснив
U 34 углиб ПП), а потім утворюється Інверсія-
ний шар n - провідності, тобто інду-
мально ймовірнісним і модифікується. При подальшому збільшенні
U 3> 0 ширина каналу практично не
змінюється (1-2 мкм), а змінюється концентрація n - носіїв (е). Передавальні характеристики I з = | (U з) для МДП транзисторів з індукованим каналом n зображені на малюнку.
I c Характеристикою є точка по осі Х, відповід-
U c3 U c2 ствующая напрузі на затворі, при якому
індукується канал (порогове напруга). З
U c1 характеристики видно, що МДП транзистор може
працювати тільки в режимі збагачення (при поклади-
тільних напругах на затворі). Вихідні
U c3> U c2> U c1 характеристики мають вигляд:
I c
U з
На характеристиках видно 2 області: крута і полога. U З3
Полога область пояснюється тими ж процесами, що U З2
і в польовому Т. Підсилювальні властивості транзистора
характеризуються крутий областю. U з1
g = dI c / dU з, при U c = const U з = U потоку
У загальному випадку транзистор можна розглядати як
Чотириполюсник (четвертий електрод - підніжка), U З3> U З2> U з1> 0 U c
Яка може виконувати функції затвора. Тому іноді вводять параметр - крутизна по підніжці, на відміну від крутизни по затвору.
g п = dI c / dU п, при U c = const
МДП
ТРАНЗИСТОРИ з вбудованим КАНАЛОМ
Можна створити приповерхневий канал шляхом легування шару в процесі виготовлення Т. Передавальні характеристики такого Т будуть мати вигляд:
Тобто транзистор може працювати як в режимі збагачення
I c каналу, так і в режимі збідніння. Вхідна напруга
може бути різнополярним.
Вихідні характеристики будуть мати вигляд:
Незважаючи на властивість МДП I c
транзистора з вбудованим
каналом посилювати разнопо-
лярні сигнали, Т з індуці-
ванням каналом застосовується U з> 0
U з частіше.
U відступ U з = 0
Транзистори з ізольованим затвором володіють: U з <0
- Великим R вх, ніж у польових Т U з = U відсікання
- Більшою радіаційною стійкістю
- Великим швидкодією, особливо Т з n - каналом U c
(Рухливість n - носіїв приблизно в 3 рази> ніж р).
Надалі будемо розглядати схеми, побудовані на транзисторах з ізольованим затвором.
СХЕМИ ВКЛЮЧЕННЯ МДП ТРАНЗИСТОРОВ
Хоча МДП транзистор і є чотириполюсником, однак, управління з боку підніжки на практиці не знаходить застосування. Через малої крутизни і порівняно низького R вх. Найбільш широке застосування на практиці знайшла схема із загальним витоком, що має деяку схожість зі схемою з загальним емітером. Схема має високим вхідним опором і носить яскраво виражений ємнісний характер (схема а)).
+ Е п
I o R н
U вих · + Е п
I з »0
n U вих
U вх R н
U вх
а) в)
Коефіцієнт підсилення по напрузі визначається крутістю характеристики і завжди>> 1. Транзистор може працювати як в крутий, так і в пологій областях стічних (вихідних) характеристик .. Вихідний опір R вих »R н має в реальних схемах досить велику величину, тому що для досягнення високого До u потрібно використовувати високоомні R н. Рідше використовується схема включення з загальним стоком (схема в)), подібна схемі з ОК. Схема не інвертується, тому носить назву «істоковий повторювач». До u <1 за рахунок глибокої ООС через R н. Цим же пояснюється і дуже висока R вх (R вхос>> R вх), яке також носить ємнісний характер. Схема має низьким вихідним опором і, найчастіше, використовується для узгодження джерела сигналу, що має високоомний вихід з нізкоомной навантаженням.
Схема включення із загальним затвором застосовується вкрай рідко.
ЛІТЕРАТУРА
1. І. П. Степаненко «Основи мікроелектроніки» (М. Сов радіо 1980р.)
2. А. Я. Федоров «Основи фізики напівпровідникових приладів» (М. Сов радіо 1968р.)
3. К. В. Шалімов «Фізика напівпровідників» (М. Енергія 1976 р.)
4. Г. І. Єпіфанов «Фізичні основи мікроелектроніки» (М. Сов радіо 1971р.)
5. Г. І. Єпіфанов «Фізика твердого тіла» (М. Сов радіо 1965р.)
6. І. М. Вакулін, В. І. Стафєєв «Фізика напівпровідникових приладів» (М. Сов радіо 1986р.)
7. А. І. Курносов, Е. Н. Воронков «Напівпровідникова мікроелектроніка» (Вища школа)
8. Б. Г. Бондар та ін «Мікроелектроніка» (Вища школа 1981р.)