Напівпровідникові прилади. Для професії електромеханік з ремонту лічильно обчислювальних машин.

                                                для нотаток:               Хмельницький професійний ліцей

електроніки

              ЕРОЛОМ 3.2.  

НАПІВПРОВІДНИКОВІ

ПРИЛАДИ

Уклав: викладач

                                                       Мартинюк О.О

Усі напівпровідникові прилади можна умовно розділити на дві великі групи: біполярні та уніполярні. До біполярних приладів необхідно віднести усі ті прилади, для роботи яких принципово важливо наявність двох типів носіїв - електронів і дірок. До приладів цього типу, як правило, відносять усі пристрої, в яких управління електронним потоком проводиться за допомогою електронно-діркового переходу (pn - переходу). В приладах цього типу перенесення енергії сигналу проводиться почергово електронами, дірками або тими та іншими одночасно.

До уніполярних приладів відносяться прилади, в яких проводиться управління потоками, що переважно складаються з носіїв одного типу, або електронів, або дірок.

За реакцією на вхідний сигнал прилади можна разділити на підсилилювальні (активні), перетворювальні та пасивні.Підсиллювальні або активні прилади збільшують потужність вхідного сигналу за рахунок енергії, що надходить з джерела живлення. На рис. 16 наведені позначення приладів, що наведені в таблиці. Пасивні прилади не володіють підсилювальними властивостями. Перетворювальні прилади перетворюють форму сигналу, при цьому вони можуть бути як підсилювальними, так і пасивними. Для класифікації напівпровідникових приладів, що відображено в їх маркуванні, використовується цілий ряд ознак, що вміщують:

               матеріал (Г або 1-германій, 2 або К - кремній, А або 3

- арсенід галію, 4 або И - з'єднання на основі індію і т.д);

Рис.71. Схематичне подання вольтамперних характеристик тірісторів: а) діністор; б) триністор. Значення струму управляючого електрода I_у0 = 0, I_у1<I_у2.До катоду тиристора прикладується від'ємна напруга, до аноду додатня, тому центральний pn перехід для закритого тиристора (т.А на рис.71) виявляється зміщенним у зворотньому напрямку. Широке розповсюдження в колах змінного струму знаходять тиристори з симетричними характеристиками - сімістори. Симістори можуть мати управляючий електрод, який дозволяє змінювати поріг вмикання. На рис.75 наведені приклади різних конструкцій сімісторів.

Рис.75. Конструкції сімісторів: а) некерований, б) керований від'ємним імпульсом, в) керований додатнім імпульсом.

Рис.70. Приклади структур тірісторів: діністори (а, г), керовані тірістори (б, в, д, е). Позначення: А - анод, К - катод, У - управляючий електрод

Функціонально тірістори є електронними ключовими елементами, опір яких, при визначеній пороговій напрузі на них змінюється з високого (вимкнений стан) на низький (увімкнений стан). Діністор має постійний поріг спрацювання, поріг триністора може змінюватись струмом управляючого електрода. Приклад характеристик діністора наведений на рис.71,а та триністора на рис.71,б.

•       тип (наприклад, підкласи: Д - діоди, Т - біполярні транзистори, П - польові транзистори);

•       експлуатаційні характеристики (потужність, частота, температурний діапазон та ін. знаходять відображення в цифровому елементі позначення);  конструктивні та технологічні особливості прибору (переважно, додаткові цифри, написані через дефіс). Перерахуємо основні типи напівпровідникових приладів.

Біполярні прилади.

Діоди.

Структура активної області: "pn".

Можливі застосування: випрямлення змінного струму, перетворення та генерація сигналів. Основні різновиди діодів наведені в таблиці 3.

Таблиця 3 Основні різновиди діодів.

На рис. 16 наведені позначення приладів, перерахованих в таблиці 3.

Рис. 16. Позначення діодів : 1 - випрямляючий та детектуючий діод, 2 - тунельний діод, 3 - стабілітрон, 4 - варикап (напівпровідникова змінна ємність), 5 - випромінюючий діод (світлодіод).

                      Біполярні транзистори.

Структура активної області може бути як "pnp", так і "npn".

Можливе застосування: це універсальні підсилювальні прилади, що призначені для застосування в схемах підсилення, генерації та перетворення сигналів.

В позначенні марки транзистора третій елемент (цифра) характеризує підклас приладу за значенням розсіюваної ним потужності та максимальної робочої частоти. Основні різновиди біполярних транзисторів наведені в таблиці 4.

Тиристори.

Тиристори - багатошарові структури з електроннодірковими областями, які чергуються. Двохелектродні тірістори називають діністорами, трьохелектродні - триністорами. Деколи тиристори називають кремнієвими керованими вентилями, що підкреслює їх основне призначення в силовій електроніці - управління потужністю на навантаженні. На рис.70 наведені приклади деяких можливих структур тирісторів та їх умовні графічні позначення.

При сплавній технологиї виготовлення діода або транзистора, електронно-дірковий перехід утворюється на межі розділу вхідного кристалу та рекристалізованої області, в яку відбувалось вплавлення, див. верхній рисунок (а). На наступих рисунках (б) та (в) показані різні способи виготовлення PN переходу дифузією акцепторної домішки в кристал N-типу. Сильно легована область n⁺ використовується для створення омічного контакта з низьким опором до області n - типу.

Тепловий опір напівпровідникових приладів.

Потужність, яка виділяюється в напівпровідниковому приладі, викликає його розігрів. Для того, щоб можна було охарактеризувати цей розігрів, уводять тепловий опір Rт

[^o/Вт]

T_П - температура PN переходу, Т - температура навколишнього        середовища.

Величина R_Т залежить від конструкції приладу.

На нижньому рисунку показані приклади конструкцій діодів з різним тепловим опором: (зліва - 1, 2 - малої потужності) Rт = (100-200) °/Вт, (справа - 3 - середньої потужності) Rт = 1-10°/Вт.

Таблиця 4 Основні різновиди біполярних транзисторів

                 Рис. 16. Позначення біполярних транзисторів.

                                        Тиристори.

Структура активної області: "pnpn".

Це - активний прилад, що призначений для роботи в якості швидкодіючого електронного ключа. У вимкненому стані (off) тірістор володіє великим опором і струм через нього надзвичайно малий, в увімкненому стані (on) опір 

Конструкції діодів

Способи утворення pn-переходів

На наступному рисунку показані енергетичні діаграми, які відповідають різним точкам на ВАХ тунельного діода. Стрілками позначені напрямки тунелюючих електронів (точки 2 і 3) та надбар'єрний перехід електронів і дірок (точка 5).

.

В точках 1 і 4 тунельні струми відсутні, оскільки  електрони не можуть тунелювати із зайнятого місця на зайняте та в заборонену зону, де дозволених станів не існує.

тиристора малий і струм, який протікає через нього, може бути великим.

Тиристори можуть бути діодні (два електроди, інша назва - діністор) та тріодні (три електроди). Вони можуть мати симетричну та несиметричну вольтамперну характеристику. Тріодніе тірістори бувають такі, що запираються та такі, що незапираються.

В позначенні марки тірістора другим елементом є буква, для діодних тірісторів - Н, для тріодних У, третій елемент, як і у транзисторів - цифра, яка характеризує підклас приладів за значенням розсіюваної на них потужності та можливості запирання.

Рис. 17. Графічні позначення тірісторів: 1 - тірістор діодний (діністор), 2 - тірістор, що незапирається, тріодний з управлінням за анодом, 3 - тірістор, що незапирається, тріодний з управлінням за катодом, 4 - тірістор, що запирається, з управлінням за анодом, 5 - тірістор, що запирається, з управлінням за катодом.

Приклади маркування тірісторів: 2Н102 - малопотужний тірістор, що незапирається, 2У208 - тріодний тірістор середньої потужности, що незапирається.

Уніполярні прилади.

Діоди з контактом метал-напівпровідник (діоди Шотткі).

Структура активної області: метал-напівпровідник.

Можливі застосування ті ж, що і у діодів з pn переходом.

Позначення цих діодів співпадає з позначеннями, які прийняті для діодів з "pn" переходом, оскільки їх основне функціональне призначення таке ж, як і у біполярних діодів.

Польові транзистори.

Польові транзистори можна розділити на дві великі групи: польові транзистори з управляючим pn - переходом та польові транзистори зі структурою метал-діелектрикнапівпровідник (МДН). Оскільки в якості діелектрика в цих приладах часто використовується оксид кремнію, то їх іще називають МОН - транзисторами (за першими буквами сполучення слів: метал - окис - напівпровідник). Для позначення підкласу польових транзисторів використовується буква П. Оскільки ці транзистори виконують ті ж функції, що і біполярні, для них в класифікаційному позначенні використовується ті ж елементи, що і для біполярних транзисторів (див. табл. 4, третю колонку). Так, наприклад, польові транзистори можуть мати наступні марки*: КП101, КП201, КП301,

КП901 і т.п.

Узагальнюючи, можна зформулювати правило: внутрішнє контактне поле (Eконт) спрямоване так, що воно стає перепоною для переходу в сусідню область основних носіїв заряду p_p и n_n, однак, не перешкоджає їх поверненню та переходові неосновних носіїв заряду p_n та n_p (див. рисунок)

ОПЗ переходу володіє низкою інших чудових якостей, які дозволили змінювати властивості цієї області за допомогою зовнішніх сигналів і, таким чином, керувати електроними потоками всередині кристалів.

Так, електричне поле "видуває" з області ОПЗ усі вільні носії заряду (дірки в p-область, електрони в n-область), тому опір шару ОПЗ виявляється на декілька порядків вищим опору леованих областей. Тому шар ОПЗ часто називають "збідненим" або "запираючим" шаром.

Через надзвичайно високий опір збідненого шару майже уся зовнішня напруга виявляється прикладеною до нього, викликаючи або збільшення, або зменшення внутрішнього поля. Оскільки ширина ОПЗ невелика (від долей мкм до декількох десятків мкм), внутрішнє поле може досягати високих значень (до 10⁵ В/см).

Тунельний діод

Якщо P та N області діода сильно леговані (до виродження), то ширина бар'єрного шару стає дуже вузькою і електрони можутт тунелювати через нього.На нижньому рисунку зліва показані вольтамперні характеристики тунельних діодів, справа - обернених.

Оберненими ці діоди називаються тому, що при малих зміщеннях зворотній струм у них значительно вищий, аніж при прямому (інверсія випрямлення).

Дійсно, якщо "p" та "n" області знаходяться одна від одної на віддалі, що співрозмірна з віддалями між атомами кристалічної решітки, як це є в pn-переході, то електрони отримують можливість переходити з n-області в сусідню pобласть, при цьому в n-області буде залишатись незкомпенсований додатній заряд донорів N_d⁺. Аналогічно, дірки з p-області переходять у сусідню nобласть, при цьому поблизу межі розділу областей залишається незкомпенсований заряд від'ємно заряджених акцепторів   N_a^-.

Атоми донорів та акцепторів зв'язані з кристалічною решіткою і не можуть переміщуватись, тому в pn-переході виникає область просторового заряду (ОПЗ), яка містить області подвійного шару з різнополярних зарядів. Всередині ОПЗ виникає електричне поле, напрямлене від додатнього заряду (в n-області) до від'ємного заряду (в pобласті), як це показано на рисунку справа.

Цей вбудований в решітку подвійний шар заряду і створене ним електричне поле викликають асиметрію електричних властивостей pn-переходу.

Дійсно, контактне поле перешкоджає переходові електронів з "n" області в "p" область та дірок з "p" в "n" і в той самий час сприяє для їх переходів у зворотньому напрямку.

Наявність строго спрямованого внутрішнього поля викликає і асиметрію pn-переходу відносно полярності зовнішньої напруги. Так, якщо до "p" області прикласни мінус зовнішньої батареї, а до "n" області плюс, то внутрішнє поле буде підсилюватись, при іншій полярності - ослаблятись.>

Рис. 18. Графічні позначення польових транзисторів: 1 - польовий транзистор з n - каналом, 2 - польовий транзистор з p - каналом,

3                    - польовий транзистор з ізольованим затвором та p - каналом,

4                    - польовий транзистор з ізольованим затвором та n - каналом.

Оскільки польові транзистори є уніполярними приладами, тип каналу, яким протікає струм, визначається типом основних носіїв заряду і може бути як p-типу, так і n-типу.

Польові транзистори є універсальними підсилювальними приладами і вони, так само, як і біполярні транзистори можуть застосовуватись в схемах самого різного призначення.

Принцип роботи транзистора

Біполярний транзистор - трьохелектродний напівпровідниковий прилад з двома, розміщеними на близькій віддалі паралельними pn - переходами. Конструкції біполярного транзистора схематично показані на рис. 50, там же наведені відповідні позначення. Як видно з рис. 50, транзистор складається з трьох основних областей: емітерної, базової та колекторної. До кожної з областей існує омічний контакт. Для того, щоб транзистор володів підсилювальними властивостями, товщина базової області повинна бути меншою за дифузійну довжину неосновних носіїв заряду, тобто більша частина носіїв, інжектованих емитером, не повинна рекомбінувати дорогою до колектора.

На межах між p та n областями виникає область просторового заряду, причому електричні поля в емітерному і колекторному переходах напрямлені так, що для pnp транзистора базова область створює енергетичний бар'єр для дірок, які стараються перейти з емитера в колектор, для npn транзистора базова область створює аналогічний бар'єр для електронів емитерної області. При відсутності зовнішнього зміщення на переходах потоки носіїв заряду через переходи скомпенсовані і струми через електроди транзистора відсутні.  

межі розділу умова електронейтральності порушується і виникає електричне поле, яке напрямлене від "n" до "p" області, що, в кіцевому рахунку, і викликає асиметрію провідності pn-переходу.

Рис. 51.Діаграми, які пояснюють роботу біполярних транзисторів:                                                

(а) зміщення на переходах відсутнє; (б) емітерний перехід зміщений в прямом напрямку, колекторний у зворотньому.    

Ви никнен

ня  потенці йного

бар'єру  та

запира ючого  шару

В

pn-

^{переход}перевищувати концентрацію електронів, відповідно в ^і області n-типу концентрація електронів на декілька ^{поблизу} порядків вища за концентрацію дірок. Оскільки

"домішкові" дірки та електрони з'являються за рахунок іонізації донорних та акцепторних атомів, то в матеріалі pтипу концентрація "домішкових" додатніх дірок дорівнює концентрації іонізованих від'ємно заряджених акцепторів N_a^-, тобто існує баланс зарядів.

Аналогічна ситуація і в матеріалі n-типу: кількість "домішкових" електронів дорівнює кількості додатньо заряджених донорів n = N_d⁺.

Крім домішкових в будь-якому матеріалі є деяка кількість власних носіїв заряду: електронів та дірок. Однак, для них баланс зарядів виконується завжди, оскільки поява одного електрона викликає до появи однієї дірки. Таким чином, в ізольованих областях як p-типу, так і nтипу завжди виконується умова електронейтральності.

Для того, щоб транзистор працював в режимі підсилення вхідного сигналу, емітерний перехід зміщують в прямому напрямку, колекторний у зворотньому, відповідні діаграми показані на рис. 51. Прикладене до емітерномго переходу зміщення зменшує потенційний бар'єр і з емітера в базу інжектуються дірки (в pnp транзисторі) чи електрони (в npn транзисторі), інжектовані носії проходять товщу бази і досягають колектора. Між базою та колектором бар'єру немає, тому усе носії заряду, що дійшли до колектора переходять через колекторний перехід і створюють колекторний струм. Оскільки колекторний перехід розміщений близько від емітерного, основна частина інжектованих емітером носіїв досягає колектора, таким чином інжекційний струм емітера приблизно рівний струмові колектора. В той же час потужність, яка затрачена у вхідному емітерному колі на створення струму, менша за потужність, яка виділяється у вихіднім колекторнім колі, тобто має місце підсилення потужності. Таким чином, вхідний сигнал, змінюючи висоту потенційного бар'єру, модулює потік неосновних носіїв, які створюють колекторний струм і, відповідно, підсилений за рахунок енергії колекторної батареї вихідний сигнал. На рис. 52 показані енергетичні діаграми для pnp та npn транзисторів, які відповідають діаграмам, що наведені на рис. 51б.

Рис. 52. Енергетичні діаграми pnp (а) та npn (б) транзисторів в активному режимі: емітерний перехід зміщений в прямому напрямку, колекторний у зворотньому.

На рис. 52 показані потоки носіїв, які вносять основний вклад в струми через електроди транзистора. Як видно з рисунка, при прямому зміщенні емітерного переходу, поряд з потоком 1 носіїв, які інжектовані з емітера, можлива також інжекція з бази в емітер носіїв другого знаку, потік 2. Цей інжекційний струм не проходить через колекторне коло, а, отже, і не сприяє підсиленню сигналу, тому його стараються зробити як можна меншим. Це досягається за рахунок того, що степінь легування емітера задається значно вищою, аніж степінь легування бази, тоді, відповідно, і інжекційний струм емітера є вищим за інжекційний струм бази.

Оскільки колектор зміщений у зворотньому напрямку, висота енергетичного бар'єру для основних носіїв в базі та колекторі є велика, і їх інжекція через колекторний перехід відсутня. Через колекторний перехід можуть проходити тільки потоки неосновних носіїв заряду, переміщенню яких не перешкоджає поле ОПЗ: це, перш за все, забезпечуючий підсилення сигналу потік носіїв, які пройшли через базу, і інжектованих емітером, та потік неосновних носіїв, що генеруються в базі, і створюють діркову складову струму втрат колекторного переходу.

Електронно-дірковий перехід (pn-перехід)

Структура pn-переходу

Випрямляючі властивості діода вникають завдяки напівпровідниковому елементові - електронно-дірковому переходові (pn-переходові). PN-перехід складається з виконаних в одному кристалі, суміжних областей з дірковою та електронною провідністю, з різкою межею між ними.

Області з різною провідністю виготовляють шляхом уведення в кристал, відповідно, акцепторної та донорної домішок. Схематично такий кристал з різким pn-переходом показано на рисунку. На графіку показано розподіл домішки, що відповідає різкому переходу. По вертикальній осі відкладено різницю концентрацій уведеної акцепторної (N_a)   та      донорної     (N_d)   домішок.

В області p-типу концентрація дірок може в мільйони разів