ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ - 1

Понятие о зонной теории твердых тел «Процесс образования» твердого тела из изолированных

атомов можно представить в следующем виде. Пока атомы изолированы, т. е. находятся друг от друга на макроскопических расстояниях, они имеют совпадающие схемы энергетических уровней.

По мере «сжатия» модели до кристаллической решетки энергетические уровни атомов смещаются, расщепляются и расширяются в зоны, образуется зонный энергетический спектр.

Энергия внешних электронов может принимать значения в пределах областей, называемых разрешенными энергетическими зонами.

Каждая разрешенная зона «вмещает» в себя столько близлежащих дискретных уровней, сколько атомов содержит кристалл. Расстояние между соседними энергетическими уровнями в зоне составляет приблизительно 10-22 эВ. Так как оно столь ничтожно, то зоны можно считать практически непрерывными.

Разрешенные энергетические зоны разделены зонами запрещенных значений энергии, называемыми запрещенными энергетическими зонами. В них электроны находиться не могут. Ширина зон (разрешенных и запрещенных) не зависит от размера кристалла.

Металлы, диэлектрики и полупроводники по зонной теории

В общем случае можно говорить о:- валентной зоне, которая полностью заполнена;- зоне проводимости (свободной зоне), которая либо частично заполнена электронами, либо свободна. Последняя образована из энергетических уровней внешних «коллективизированных» электронов изолированных атомов.

Внутризонный переход вполне возможен, так как, например, при 1 К энергия теплового движения гораздо больше разности энергий между соседними уровнями зоны (примерно 10-22 эВ). Если в твердом теле имеется зона, лишь частично заполненная электронами, то это тело является проводником электрического тока. Такое положение свойственно металлам.

Если запрещенная зона достаточно узка (Е порядка 1 эВ), то переброс электронов из валентной зоны в зону проводимости может быть осуществлен сравнительно легко либо путем теплового возбуждения, либо за счет внешнего источника, способного передать электронам энергию Е, и кристалл является полупроводником (рис. 6.2, г).

Различие же между диэлектриками и полупроводниками определяется шириной запрещенных зон: для диэлектриков она довольно широка (например, для NaCl Е = 6 эВ), для полупроводников - достаточно узка (например, для германия Е = 0,72 эВ).

Собственная проводимость полупроводников Полупроводниками являются твердые тела, которые

при Т = 0 характеризуются полностью занятой электронами валентной зоной, отделенной от зоны проводимости сравнительно узкой (Е порядка 1 эВ) запрещенной зоной (рис. 6.2, г).

В природе полупроводники существуют в виде элементов IV, V и VI групп периодической системы элементов Менделеева, например Si, Ge, As, Se, Те, и химических соединений, например оксиды, сульфиды, селениды, сплавы элементов различных групп.

Различают собственные и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химически чистые полупроводники, а их проводимость называется собственной проводимостью.

При T = 0 К и отсутствии других внешних факторов собственные полупроводники ведут себя как диэлектрики.

При повышении же температуры электроны с верхних уровней валентной зоны II могут быть переброшены на нижние уровни свободной от электронов зоны I (рис. 6.3). При наложении на кристалл электрического поля они перемещаются против поля и создают электрический ток. Таким образом, зона I становится зоной проводимости.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная электронами, называется электронной проводимостью или проводимостью n-типа (от лат. negative - отрицательный).

В результате тепловых забросов электронов из зоны II в зону I в валентной зоне возникают вакантные состояния, получившие название дырок. На освободившееся от электрона место - дырку - может переместиться электрон с соседнего уровня, а дырка появится в том месте, откуда ушел электрон, и т. д.

Проводимость собственных полупроводников, обусловленная квазичастицами - дырками, называется дырочной проводимостью или проводимостью р-типа (от лат. positive - положительный).

Таким образом, в собственных полупроводниках наблюдаются два механизма проводимости: электронный и дырочный. Число электронов в зоне проводимости равно числу дырок в валентной зоне, так как последние соответствуют электронам, переброшенным в зону проводимости.

Следовательно, если концентрации электронов проводимости и дырок обозначить соответственно ne и np, то

ne = np. (6.1)

Удельная проводимость собственных полупроводников определяется формулой

где 0 - постоянная, характерная для данного полупроводника.

Увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры является их характерной особенностью (у металлов с повышением температуры проводимость уменьшается).

В полупроводниках наряду с процессом генерации электронов и дырок идет процесс рекомбинации: электроны переходят из зоны проводимости в валентную зону, отдавая энергию решетке и испуская кванты электромагнитного излучения. В результате для каждой температуры устанавливается определенная равновесная концентрация электронов и дырок.

,e· kT/E 20

Примесная проводимость полупроводников Проводимость полупроводников, обусловленная наличием

примесей, называется примесной проводимостью, а сами полупроводники - примесными полупроводниками. Примесная проводимость обусловлена также дефектами типа избыточных атомов, тепловыми (пустые узлы или атомы в междоузлиях) и механическими (трещины, дислокации и т. д.) дефектами.

Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Так, при введении в кремний примерно 0,001 ат. % бора его проводимость увеличивается примерно в миллион раз.

При замещении атома германия пятивалентным атомом мышьяка (рис. 6.7, а) один электрон не может образовать ковалентной связи, он оказывается лишним и может быть легко отщеплен от атома при тепловых колебаниях решетки, т. е. стать свободным.

Образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи. Следовательно, в отличие от случая, рассмотренного ранее, дырка не возникает. Избыточный положительный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и поэтому перемещаться по решетке не может.

Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов мышьяка, называемого примесным уровнем.

В случае германия с примесью мышьяка этот уровень располагается на расстоянии ЕD = 0,013 эВ от дна зоны проводимости. Уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны. Возникает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа).

Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Энергетические уровни примесей называют донорными уровнями.

Пусть в решетку кремния введен примесный атом с тремя валентными электронами, например бор (рис. 6.8, а). Для образования связей с четырьмя ближайшими соседями у атома бора не хватает одного электрона, одна из связей остается неукомплектованной и четвертый электрон может быть захвачен от соседнего атома основного вещества, где, соответственно, образуется дырка.

Последовательное заполнение образующихся дырок электронами эквивалентно движению дырок в полупроводнике. Дырки не остаются локализованными, а перемещаются в решетке кремния как свободные положительные заряды.

Введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занятого электронами.

В случае кремния с примесью бора этот уровень располагается выше верхнего края валентной зоны на расстоянии ЕА = 0,08 эВ (рис. 6.8, б).

Уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют.

Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n-переход)

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом).

Нельзя образовать р-n-переход просто механическим соединением двух полупроводников. Их создают путем соответствующей обработки кристаллов.

Например, на кристалл германия n-типа накладывается индиевая «таблетка». Эта система нагревается примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий.

Пусть донорный полупроводник приводится в контакт с акцепторным полупроводником. Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направлении от р- к n-полупроводнику.

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов.

В p-полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов.

Объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n р и дырок в направлении р n. В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.

Толщина d-слоя р-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10-6…10-7 м, а контактная разность потенциалов - десятые доли вольта.

Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля.

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к p-полупроводнику, т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет.

Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p-n-переход практически не проходит.

Если приложенное к p-n-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в p-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются.

Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь p-n-переход в направлении от p-полупроводника к n-полупроводнику; оно называется пропускным (прямым).

Таким образом, p-n-переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

Полупроводниковые диоды Приборы с одним p-n-переходом называются диодами. В зависимости от назначения, принципов работы и

конструктивных особенностей различают следующие основные виды диодов:

- выпрямительные, - импульсные, - стабилитроны, - варикапы, - туннельные, - сверхвысокочастотные, - лавинно-пролетные, - диоды Ганна, - диоды Шоттки.

Выпрямительные диоды применяют для выпрямления переменных напряжений низких и высоких частот. При этом используется главное свойство диода: преимущественно проводить ток в одном направлении.

На рис. 6.18, а приведена схема простейшего выпрямителя, а на рис. 6.18, б - эпюры напряжения на его входе UВХ и выходе UВЫХ, на сопротивлении нагрузки RН. Конструктивное выполнение диода определяется величиной заданного выпрямляемого тока, его частотой, допустимым рабочим напряжением и температурой окружающей среды.

Падение напряжения на диоде при протекании тока номинального значения не превышает 0,5 В для германиевых и 1,5 В для кремниевых, поэтому к.п.д. высоковольтных выпрямителей приближается к 99 %.

Импульсные диоды. Во время прохождения тока через полупроводниковый диод в прямом направлении в n- и р-областях накапливаются носители тока - электроны и дырки. Это приводит к тому, что диод в первые мгновения после выключения тока (или изменения полярности приложенного напряжения) не обладает односторонней проводимостью, что может существенно нарушить работу электронной схемы.

Для устранения этого эффекта применяется ряд мер (увеличение удельной проводимости базовой области, обогащение базы примесями: медью, золотом и т. д.), которые позволяют уменьшить время восстановления свойств диода до долей наносекунды.

Стабилитроны. Если приложить к полупроводниковому диоду напряжение в обратной полярности (минус к области с дырочной проводимостью, плюс к области с электронной проводимостью), то собственное поле p-n-перехода и поле внешнего источника действуют в одном направлении и поэтому складываются.

Это приводит к плавному увеличению обратного тока, Но при некотором напряжении внезапно он резко увеличивается в сотни раз, происходит «электрический пробой» p-n-перехода.

При этом напряжение UСТ на p-n-переходе остается практически постоянным.

Это позволяет использовать полупроводниковые диоды в режиме электрического пробоя в качестве стабилизаторов напряжения - стабилитронов.

Стабилитроны обычно выполняются из кремния и могут стабилизировать напряжение в пределах от единиц до сотен вольт.

Стабилизация напряжений ниже 1 В достигается использованием кремниевых диодов, включенных в прямом направлении (называемых стабисторами).

Варикапы. Если к диоду приложено небольшое напряжение обратной полярности, то в зоне перехода практически отсутствуют носители тока. В то же время они имеются как в n-, так и в р-областях. Таким образом, образуется плоский конденсатор, где p-n-переход играет роль изолятора между двумя проводящими областями.

Увеличение напряжения приводит к расширению зоны перехода, уменьшение - к ее сужению. На использовании этого явления работают электрически управляемые диоды - варикапы, электрическая емкость которых может изменяться в широких пределах.

Туннельные диоды. Для изготовления туннельных диодов используют полупроводники с большим содержанием примесей - до 1021 атомов примеси на 1 см3. Поэтому ширина (толщина) p-n-перехода в туннельных диодах на два порядка меньше, чем в обычных диодах.

Это приводит к тому, что на p-n-переходе действует сильное запирающее электрическое поле с напряженностью 106 В/см и более.

При этом на p-n-переходе наблюдается туннельный эффект, обусловленный волновой природой электронов - чем меньше энергия электрона, тем большей длиной волны он обладает. Это приводит к тому, что электроны малых энергий относительно легко огибают запертый p-n-переход.

Туннельные диоды, в отличие от рассмотренных выше диодов, являющихся лишь преобразователями электрического тока, обеспечивают усиление электрических сигналов.

СВЧ-диоды. Диоды СВЧ используются в качестве смесительных и детекторных, так как позволяют осуществлять операцию преобразования - переноса спектра СВЧ сигнала в область промежуточных и более низких частот. Также они используются в качестве переключающе-регулирующих элементов, позволяющих регулировать мощность СВЧ сигналов в волноводных линиях путем изменения внутреннего сопротивления.

Диоды, работающие на СВЧ, по конструкции обычно точечные, и переход в них очень часто образуется контактом металл-полупроводник (такие диоды называются диодами Шоттки). Вследствие такой конструкции в области p-n-перехода почти не происходит накопления и затем сравнительно медленного рассасывания носителей заряда (как это бывает в обычных диодах) и процессы выпрямления, переключения или преобразования СВЧ сигналов протекают весьма быстро.

Лавинно-пролетные диоды. Для генерирования СВЧ колебаний применяют лавинно-пролетные диоды, работающие при обратном напряжении на p-n-переходе в режиме электрического пробоя и лавинного умножения числа носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды выполняют из германия, кремния и арсенида галлия. Они способны работать в миллиметровом диапазоне частот.

Диоды Ганна. В некоторых полупроводниках (например, арсениде галлия) при воздействии очень сильного электрического поля (105-106 В/м) протекающий через них ток становится прерывистым: происходит группирование электронов проводимости в своеобразные домены, которые движутся от катода к аноду со сравнительно небольшой скоростью - до 105 м/с.

Таким образом, ток протекает не постоянно, а импульсами, следующими (ввиду малости размеров кристалла - всего несколько десятков микрометров) с очень высокой частотой. В частности, при толщине активной области порядка 10-3 см частота колебаний составляет 10 ГГц.

Условные изображения основных видов диодов в электронных схемах приведены на рис. 6.21: а - выпрямительные, импульсные, СВЧ; б - стабилитроны; в - туннельные; г - варикапы.

Полупроводниковые диоды, производимые в России, маркируются буквенно-цифровым кодом. Первый элемент (цифра или буква) кода обозначает исходный полупроводниковый материал, второй (буква) - подкласс приборов, третий (цифра) - основные функциональные возможности прибора, четвертый - число, обозначающее порядковый номер разработки, пятый элемент - буква, условно определяющая классификацию (разбраковку по параметрам) приборов, изготовленных по единой технологии.

Биполярные транзисторы Биполярными транзисторами (или просто транзисторами)

называют полупроводниковые усилительные приборы с двумя близко расположенными и взаимодействующими между собой p-n-переходами, включенными встречно.

В простейшем случае биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором имеются две области с одноименной проводимостью, разделенные узкой областью с противоположной проводимостью.

Таким образом, биполярные транзисторы могут иметь структуру слоев n-р-n- или р-n-р-типа.

На следующем рисунке приведена конструктивная схема биполярного транзистора со структурой р-n-р-типа, выполненного по методу сплавления. В основание - пластинку полупроводника (например, германия), имеющую n-проводимость, с обеих сторон вплавлен металл (например, индий), обеспечивающий получение слоев с р-проводимостями.

Пластинка-основание называется базой Б. Нижний и верхний слои принято называть, соответственно,

эмиттером Э и коллектором К.

Работа транзистора со структурой n-р-n-типа, включенного в электрическую цепь, происходит следующим образом. Между верхней и нижней областями (коллектором К и эмиттером Э) прикладывается напряжение питания ЕК.

При отсутствии разности потенциалов между базой и эмиттером ток в цепи протекать не будет, так как транзистор представляет собой как бы два включенных навстречу друг другу диода, один из которых оказывается всегда включенным в запирающем направлении.

Увеличение напряжения на коллекторе свыше 5 В приводит к очень незначительному смещению входной характеристики вправо, с которым практически можно не считаться, и для всех напряжений, больших 5В, можно воспользоваться одной этой характеристикой.

Основные этапы создания планарного диффузионного биполярного транзистора со структурой n-р-n-типа в приповерхностной области пластинки полупроводника: 1) исходную пластину n-кремния (Si) оксидируют: помещают в печь, нагревают в атмосфере чистого кислорода до температуры порядка 1000 °С и получают на ее поверхности слой диоксида кремния SiО2 толщиной порядка одного микрометра (рис. а);

2) протравливают в этом слое «окно» (рис. б) и проводят через это окно диффузию бора (в печи при температуре около 1100 °С), в результате чего в исходном n-кремнии создается слой с р-проводимостью, являющийся базой создаваемого транзистора; 3) снова оксидируют поверхность кристалла и образуют «окно» меньшего размера (рис. в) и через него проводят диффузию фосфора, в результате чего получается эмиттер, обладающий n2-проводимостью; 4) образуют контакты: создают (и закрывают) необходимые «окна», напыляют алюминиевые контакты в области базы Б (рис. г) и эмиттера Э, осаждают слой никеля на область коллектора К и присоединяют к ним проволочные выводы-электроды.

На одной исходной кремниевой пластине (диаметром до 60 мм и толщиной до 0,25 мм) обычно одновременно создается до 50 тыс. планарных транзисторов.

Биполярные транзисторы, выпускаемые в России, маркируются буквенно-цифровым кодом.

Первый элемент (цифра или буква) - исходный полупроводниковый материал, второй элемент (буква) - подкласс транзисторов, третий элемент (цифра) - основные функциональные возможности транзистора, четвертый элемент (число) - порядковый номер разработки технологического типа транзистора, пятый элемент (буква) – класс по параметрам транзисторов, изготовленных по единой технологии.

Исходный материал обозначается так:- Г или 1 - германий или его соединения;- К или 2 - кремний или его соединения;- А или 3 - соединения галлия (арсенид галлия);- И или 4 - соединения индия.

Для обозначения подклассов используется одна из двух букв: Т - биполярные и П - полевые транзисторы.

Полевые транзисторы Полевым транзистором принято называть полупроводниковый

усилительный прибор, внутреннее сопротивление которого может изменяться под действием электрического поля.

Изменение сопротивления достигается изменением удельного электрического сопротивления слоя полупроводника или изменением объема полупроводника, по которому проходит электрический ток.

При этом в работе полевых транзисторов используются различные эффекты, такие как изменение объема p-n-перехода при изменении действующего на нем запирающего напряжения; обеднение, обогащение носителями зарядов или инверсия типа проводимости в приповерхностном слое полупроводника.

Полевые транзисторы иногда называют униполярными, поскольку ток, протекающий через них, обусловлен носителями только одного знака, или канальными транзисторами, поскольку все процессы протекают в тонком слое, называемом каналом.

Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. На рисунке приведены структурные схемы полевых транзисторов с n- и р-каналами и их условные графические обозначения:

Конструктивно полевой транзистор может быть выполнен в виде пластинки полупроводника (с n- или р-проводимостью), в одну из поверхностей которой вплавлен слой металла, называемый затвором З, образующий плоский p-n-переход. К нижнему и верхнему торцам пластинки присоединяются выводы, называемые соответственно истоком И и стоком С.

Если на затвор подается напряжение в запирающей полярности (положительное на n-затвор и отрицательное на p-затвор), то в канале возникает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором. Изменяя напряжение на затворе от нуля до некоторого достаточно большого значения, можно так расширить объем p-n-перехода, что он займет весь канал.

В отличие от биполярных транзисторов, управляемых током, полевые транзисторы управляются напряжением.

Полевые транзисторы с изолированными затворами На рисунке приведено устройство полевого транзистора с

изолированным затвором, называемого МДП-транзистором.

Послойная структура транзистора следующая: металл М - диэлектрик Д - полупроводник П. Если транзистор выполнен из кремния, то в качестве диэлектрика используется тонкий слой оксида кремния, являющийся хорошим изолятором. В этом случае применяют название МОП-транзистор (Металл - Оксид - Полупроводник).

Если на поверхностный слой р-полупроводника, из которого выполнено основание, подействовать достаточно сильным электрическим полем, приложив для этого между затвором З и основанием О напряжение в положительной полярности (плюс на затвор, минус на основание), то между истоком И и стоком С начнет протекать ток. Проводимость n-канала будет тем больше, чем больше напряжение, приложенное между З и О.

Транзистор рассмотренной конструкции принято называть МОП-транзистором с индуцированным каналом, работающим в режиме обогащения канала носителями заряда.

МОП-транзистор может быть выполнен со встроенным каналом.

Если на затвор подано отрицательное (относительно основания) управляющее напряжение, то в зависимости от его абсолютной величины электроны проводимости будут вытесняться из n-канала в основание О и проводимость канала будет уменьшаться, вплоть до полного вытеснения электронов из канала, происходящего при достаточно большом напряжении, и полного запирания канала.