1. Полупроводниковые материалы и их свойства 1.1. Классификация электротехнических материалов по их проводимости Рассмотрим некоторый объём пространства V, ограниченный поверхностью S, в который помещён заряд Q. Среда в этом объёме может представлять вакуум или материальные объекты в виде твёрдого тела, жидкости, газа или плазмы. Зарядом обладают электроны, протоны, положительные и отрицательные ионы. Протоны встречаются в виде положительных ионов в воде и водных растворах. Заряды могут быть связанными, располагающимися в узлах кристаллической решётки вещества, или свободными, способными двигаться. Вакуум собственными зарядами не обладает. В некотором объёме вакуума могут быть заряды, если их внести туда каким либо способом. Например, как в электронных лампах, с помощью термоэлектронной эмиссии В жидкостях, газах и плазме могут быть свободные электроны и ионы. Но процессы в жидкостях, газах и плазме выходят за рамки данного курса и в дальнейшем не рассматриваются, хотя химические источники тока, газоразрядные и плазменные приборы широко применяются в радиотехнике. В твёрдом теле положительные и отрицательные ионы связаны в узлах кристаллической решётки, и могут совершать только тепловые колебательные движения около этих узлов. Устройства, изучаемые в курсе электротехники и электроники, представляют собой твёрдые тела Положительные и отрицательные ионы в твёрдом теле подвижностью не обладают, и в переносе тока не участвуют (ионная проводимость в них равна нулю). Свободными зарядами в твёрдом теле могут быть только электроны и положительно заряженные "дырки". "Дырки" представляют собой особый механизм движения электронов, приводящий к появлению носителей свободного положительного заряда. Механизм дырочной проводимости рассмотрим при анализе процессов в полупроводниках. В отсутствие внешнего электрического поля свободные заряды в веществе находятся в равновесном состоянии и совершают (при температуре Т ≠ 0О K) хаотическое движение в объёме вещества. Средняя тепловая скорость носителей заряда велика. Например, Например, средняя тепловая скорость электронов при Т ≠ 300 K достигает: V 10 5 м/с (1) Если по каким либо причинам концентрация носителей заряда в различных точках пространства разная (существует градиент концентрации), то заряды из области с большей концентрацией перемещаются в области с меньшей концентрацией. Это вызвано тем, что на заряд внутри вещества от одноимённых соседних зарядов действуют кулоновские силы отталкивания. Со стороны области с большей концентрацией эти силы больше, чем со стороны области с меньшей концентрацией, что и приводит к перемеще- 1 нию заряда в область с меньшей концентрацией. Это явление называется диффузией носителей заряда. Возникающий при этом ток называется диффузионным током. Электроны и дырки при своём тепловом движении испытывают рассеяние, т.е. изменяют направление и скорость своего движения при столкновениях с узлами кристаллической решётки, дефектами решётки и атомами примесей. В результате рассеяния устанавливается равновесное их распределение (концентрация носителей по объёму вещества выравнивается), при этом средняя скорость движения носителей заряда V 0 в любом направлении. При воздействии электрического поля на вещество скорость движения носителей заряда становится не равной нулю ( V 0 ) в направлении, определяемом направлением напряжённости электрического поля Е. Движение носителей заряда под воздействием электрического поля называется дрейфом, а возникающий ток называется дрейфовым током или током проводимости. Плотность этого тока j e n VE где (2) е - элементарный заряд, равный заряду электрона e 1.6 10 19 k (кулона) n – концентрация носителей, т.е. количество носителей тока в 1 см 3 вещества; V E - средняя скорость дрейфа носителей тока. В веществе средняя скорость V E пропорциональна напряжённости поля Е, т.е.6 VE E . (3) Коэффициент пропорциональности μ называется подвижностью носителя. Подставив (3) в (2), получим: j en E (4) Сравнивая выражение (4) с выражением для закона Ома в дифференциальной форме: j E (5) где σ – удельная проводимость, найдём выражение для проводимости: en (6) С учётом электронной, дырочной и ионных составляющих плотности тока, проходящего в веществе для удельной проводимости можно записать: e (n μ n p μ p N (-) μ (-) N () μ () ) где: n, p, N(-), N(+) (7) - концентрация электронов, дырок, отрицательных и положительных ионов, измеряется в 1/см 3. μn, μp, μ(-) и μ(+) - подвижность электронов, дырок, отрицательных и положительных ионов. Подвижности электронов, дырок и ионов сильно различаются из-за разницы их эффективных масс В твёрдом теле возможны два механизма проводимости – электронная и дырочная проводимости. 2 По проводимости все электротехнические материалы делят на проводники (металлы и их сплавы), полупроводники и диэлектрики (изоляторы). В проводниках (металлах) при температурах T O (3 4)O K все атомы ионизированы, валентные электроны становятся свободными и заполняют пространство между атомами в виде электронного газа. Концентрация электронов в металлах велика и достигает n (10 22 10 23 ) 1 см 3 (8) В металлах дырки и отрицательные ионы отсутствуют (p = 0, N(-) = 0). Тепловая энергия свободных электронов в металлах настолько велика, что рекомбинация свободных электронов с положительными ионами при обычных температурах окружающей среды (около 300О К) практически невозможна, и дырки не возникают. Положительные ионы находятся в узлах кристаллической решётки металла и их подвижность μ(+) = 0. Поэтому в металлах мет n n e (0.1 1) 10 4 сим/м Откуда следует мет 2 (0.1 1) 10 4 3 см n (0,6 6) 10 n e (10 22 10 23 1.6 10 19 Вс (9) (9а) В чистых полупроводниках электронная концентрация на 10 – 12 порядков 1 n (1011 1013 ) 3 меньше, чем в металлах, т.е. (10) см В чистых полупроводниках электроны и дырки возникают парами, т.е. n = p. Но подвижность дырок значительно меньше (μ n ≈ (2 ÷ 3)μp). При комнатной температуре подвижность электронов и дырок составляет: германия: n 3900 см 2 Вс p 1900 см 2 Вс Поэтому в чистом полупроводнике проводимость носит, в основном, электронный характер, и составляет, приблизительно: пп e (n μ n p μ p ) e n μ n (10 -3 10 -5 ) сим/м (11) При такой низкой удельной проводимости чистый полупроводник ведёт себя как хороший изолятор. В диэлектриках при нормальных температурах электронная концентрация очень 1 мала и составляет n (10 2 10 5 ) 3 (12) см Столь малая электронная концентрация соответствует удельной проводимости: диэл (n μ n p μ p ) e (10 -13 10 -19 ) сим/м (13) Однако для каждого диэлектрика существует предельно допустимое напряжение (напряжение пробоя, измеряемое в кВ/см), при превышении которого происходит ударная ионизация атомов диэлектрика и его пробой. 3 Краткий обзор свойств полупроводников 1.2 К полупроводниковым материалам относятся химические элементы 4-й группы таблицы Менделеева (кремний – Si, германий – Ge) и сложные молекулы, кристаллическая структура которых подобна алмазу (например, арсенид галлия). Атомы в такой кристаллической решётке связаны ковалентной связью, т.е. каждый атом полупроводника связан с четырьмя другими атомами за счёт обменных сил, возникающих при объединении попарно валентных электронов Si Si Si Свободный соседних атомов. При этом каждый атом остаётся электрон Дырка электрически нейтральным. Si Повышение температуры вызывает колебательное движение атомов в узлах кристаллической решётки. Некоторые связи между атомами разрыSi Si Si ваются, и возникает пара носителей заряда: свободного электрона и незаполненной связи – положительно заряженной дырки на месте того атома, Рис. 1. Образование пары от которого оторвался электрон. Атом превращаэлектрон - дырка ется в положительный ион, который не может покинуть узел кристаллической решётки, а вот "дырка" может свободно перемещаться по кристаллу. Она ведёт себя как "положительный электрон". Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерированием носителей заряда. Si Si Когда говорим о дырках, то под этим термином понимаем особый механизм перемещения электронов. Рассмотрим его поподробнее. При нагреве полупроводника атомы переходят в возбуждённое состояние. 1-й ион Свободный электрон Предположим, тепловой энергии достаточно для разрыва связи у одного из атомов. Этот атом теряет один электрон, который становится свободным, а сам превращается в положительный ион. Тепловой энергии для ионизации соседних атомов полупроводника недостаточно, но они оказываются в электрическом поле положительно заряженного иона. 3-й ион 2-й ион Суммарного действия тепла и электрического поля иона 3-й электрон может оказаться достаточным для отрывания электрона у одного из соседних атомов и превращения его во 2-й Рис. 2. Образование "дырки" положительно заряженный ион. При этом второй оторвавшийся электрон также находится в поле 1-го положительного иона, и велика вероятность того, что этот электрон будет захвачен 1-м ионом, который станет нейтральным атомом. Таким образом, положительный заряд на месте 1-го иона исчезнет, а появляется положительный заряд на месте 2-го иона. 2-й электрон Е вн Рис. 3. Процесс этот повторяется многократно. По кристаллу полупроводника свободно и хаотически перемещается положительный заряд, который и назван "дыркой". При помещении полупроводника в электрическое поле перемещение дырки станет не хаотическим, а упорядоченным 4 Во внешнем электрическом поле на соседние с положительным ионом нейтральные атомы действуют различные силы. На Рис. 3. стрелками показано направление сил, действующих на электроны. Поле иона радиальное, силы притяжения электронов направлены по радиусам к иону. На атомы, расположенные слева от иона действует разность внешнего поля и поля иона, а на правые атомы действует сумма полей. Поэтому, при воздействии внешнего электрического поля будет ионизирован правый атом, что приводит к перемещению дырки направо, к отрицательному потенциалу источника внешнего поля. Упорядоченный процесс перемещения положительно заряженной дырки в электрическом поле показан на Рис. 4. Необходимо отметить, что такой механизм образования электронно-дырочных пар возможен в твердом теле при тепловой энергии, недостаточной для полной ионизации материала. Как раз это и имеет место в полупроводнике. Е вн Дырка Свободный электрон 2-й электрон 3-й электрон В металлах ионизация всех атомов наступает при температуРис. 4. Перемещение "дырки" в электрическом поле рах в единицы градусов Кельвина. Поэтому "дырки" в металлах не возникают и проводимость металлов обусловлена только свободными электронами, концентрация которых очень велика. 1-й ион 2-й ион 3-й ион Чистый полупроводник иногда называют "собственным" полупроводником и его концентрацию электронов и дырок отмечают индексом " i ". Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике одинаковая ( n i p i ) и сильно зависит от температуры. Из квантовой физики известно: n p ni pi ni2 pi2 3 AT e E g 0 kT (14) где: n, p концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике; ni, pi концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике; ΔEgo толщина запрещённой зоны при 0 о К, равна минимальной энергии, которую надо сообщить электрону, чтобы вывести его из валентной зоны в зону проводимости. Для: Si (кремния) ΔEgo = 1.21 эВ; Для Ge (германия) ΔEgo = 0.7 эВ; k 1.38 10 23 Дж - постоянная Больцмана. град Для чистых (собственных) полупроводников при TO = 20O C = 290O K имеем n i (Si) 1010 1 (15) см 3 n i (Ge) 2 1013 1 см 3 5 Характерной особенностью полупроводника является то, что его проводимость является активированной, т.е. вызванной воздействием внешних факторов - температуры, сильного электромагнитного поля, света, радиоактивности и т.д. Примесные полупроводники и их проводимость 1.3 При внесении в кристаллическую решётку полупроводникового материала атомов 3-х или 5-и валентных элементов (примеси), проводимость резко возрастает. Это означает, что атомы примесей вносят в полупроводник дополнительные носители тока. Полупроводники с атомами примеси называют примесными полупроводниками. Атомы 5-и валентной примеси (элементы 5-й группы таблицы Менделеева - фосфор, мышьяк, сурьма) вносят в полупроводник дополнительные электроны. Примеси, поставляющие электроны, называются "донорами", а поSi лупроводник – n - типа. (От слова negative – отSi Si Свободный рицательный). электрон Ион Si As Si Si Si Si Рис. 6. Образование дополнительного электрона При внесении в кремний атома элемента 5-й группы таблицы Менделеева (например, мышьяка – As) четыре из его пяти валентных электронов вступают в связь с четырьмя валентными электронами четырёх соседних атомов кремния, и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый электрон слабо связан с атомом мышьяка, он легко отрывается и становится свободным электроном. Атом примеси превращается в положительный ион, который неподвижен. На его месте дырка не возникает, так как энергия связи мала и ион не может удержать присоединившийся к нему электрон. Рекомбинация не происходит. Атомы 3-х валентной примеси (элементы 3-й группы таблицы Менделеева – бор, галлий, индий) вносят в полупроводник дополнительные дырки. Эти примеси называются "акцепторами", а полупроводник – p–типа. (От слова positive – положительный). Si Si Si Si В Si Si Si Si Если в кристаллическую решётку ввести атом 3-й группы (например, атом бора – В), то все его три валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними атомами кремния. Для образования устойчивой электронной оболочки не хватает одного электрона. Этот электрон отбирается из валентной оболочки одного из соседних атомов кремния, на месте которого появляется "дырка". Ион Дырка Рис. 7. Образование "дырки" На месте атома примеси появляется отрицательный ион с единичным отрицательным зарядом. Свободного электрона при этом не образуется. При температуре, близкой к T 290 0 K , практически все атомы примеси ионизированы. При соотношении 1 атом примеси приходится на (10 6 10 7 ) атомов полупроводника, концентрация примеси составляет: N пр ( N Д или N A) 1016 1018 1 см 3 (16) 6 где: NД – концентрация донорной примеси; NA – концентрация акцепторной примеси Так как каждый атом примеси создаёт один электрон, или одну дырку, то общая концентрация носителей тока составляет: N нос N пр ni pi (1016 1018 ) 2 (1010 1013 ) (1016 1018 ) Относительное соотношение между носителями: Nпр ni pi N Nнос нос (103 105 )пр 1(ni ) 1( pi ) , ni ni ni ni (17) т.е. на одну пару собственных носителей тока (ni pi ) приходится (1000 - 100 000) дырок или электронов, внесенных в полупроводник примесями. В полупроводнике n – типа (с донорной примесью): N нос (n) nпр ni pi nn pn (18) В полупроводнике р–типа (с акцепторной примесью): N нос ( p) рпр pi ni p p n p (19) Здесь nn nпр ni , - электроны в полупроводнике n - типа pp pпр pi - дырки в полупроводнике р-типа nn и pp - называются основными носителями в полупроводниках n и p типа; pn - дырки в полупроводнике n - типа np - электроны в полупроводнике р-типа pn и np – называются неосновными носителями в полупроводниках n и p типа Так как nпр ni (Или pпр pi ) то основные носители (nn и pp) определяются примесью, атомы которой при температуре, больше T O (3 4)O K все ионизированы. Поэтому концентрация основных носителей не зависит от температуры. Неосновных носителей (pn и np) при нормальной температуре в 103 105 раз меньше, чем основных, но их концентрация сильно зависит от температуры (14). 1.4. Электронно-дырочный переход При контакте двух полупроводниковых материалов с различной проводимостью на границе раздела (металлургической границе) возникает, так называемый, электронно-дырочный, или p-n переход. В дырочном полупроводнике, приведенном в контакт с электронным, концентрация дырок (основных носителей) намного больше концентрации дырок (неосновных носителей) в электронном проводнике. Аналогично, концентрация электронов (неосновных носителей) в "дырочной" области значительно меньше концентрации электронов в электронной области. На границе обоих полупроводников оказывается значительный перепад (градиент) концентрации носителей. 7 В этих условиях движение носителей заряда в полупроводнике обусловлено двумя процессами: диффузией под действием градиента их концентрации, и дрейфом под действием сил электрического поля. При градиенте концентрации носителей тепловое движение приобретает характер диффузионного движения. Диффузия дырок будет происходить из p- области в n- область, а электронов из n- области в p- область. Возникает диффузионный ток, направление которого совпадает с направлением движения дырок. Если бы электроны проводимости и дырки были нейтральными частицами, то диффузия прекратилась бы при установлении равновесного состояния, когда концентрации каждого типа носителей в обеих частях полупроводника выровняются. Но электроны и дырки являются заряженными частицами, и их взаимная диффузия сопровождается перераспределением электрических зарядов, в результате чего потенциал p – области (куда частично перешли электроны и откуда частично ушли дырки) становится по отношению к n - области отрицательным. По обе стороны металлургической границы образуется слой разноимённых неподвижных зарядов, которые создают внутри перехода внутреннее электрическое поле. Возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей зарядов и вызывающий встречный дрейф неосновных носителей. Дрейфовый ток, вызванный внутренним электрическим полем, направлен из n – области в p – область. Внутреннее электрическое поле уравновешивает влияние градиента концентрации подвижных носителей заряда и сохраняет разделение p и n– областей. Полный ток через границу раздела состоит из четырёх составляющих. Выражение для его плотности имеет вид: j jn диф j p диф jn др j p др где: jn диф , j p диф - диффузионные, jn др , j p др - дрейфовые составляющие плотности тока электронов и дырок, соответственно. p - тип n - тип Электроны Дырки Атомы примеси Атомы примеси 0.1 мкм Металлургический переход Обеднённый 1 мкм слой Кл /см eNД 3 x eNA Е Рис. 8. p n 10 4 В / см переход и обеднённый слой 8 Плотность диффузионного тока определяется двумя составляющими jдиф j p диф jn диф eD p dp dn eDn dx dx (15) В этих выражениях: Dn , Dp – коэффициент диффузии электронов и дырок. Для германия: Dn (Ge) 93 см2 /с, Для кремния Dn (Si) 31 см2 /с, D p (Ge) 44 см 2 /с D p (Si) 65 см2 /с dn dp , - градиенты концентрации электронов и дырок dx dx Плотность дрейфового тока, вызванного внутренним электрическим полем и направленного из n – области в p – область равна: j др j p др j n др e p p ( du du ) (e) n n e ( p p n n ) E (16) dx dx В этих выражениях: p , n - подвижность электронов и дырок. При комнатной температуре (Т = 300 К) Для германия p (Ge ) 1900 см 2 /( В с) n (Ge ) 3900 см 2 /( В с) Для кремния p ( Si) 430 см 2 /( В с) n (Ge ) 1350 см 2 /( В с) Е напряжённость электрического поля; du dx градиент потенциала электрического поля внутри перехода. При отсутствии внешнего электрического поля в переходе устанавливается динамическое равновесие, и ток во внешней цепи отсутствует: jдиф jдр 0 (17) Одновременное существование градиента концентрации носителей заряда и электрического поля в p-n переходе обусловливает отличие его электрофизических свойств от свойств прилегающих к нему областей полупроводника. Эта контактная разность потенциалов U и соответствующее ей электрическое поле E grad U препятствует дальнейшему переходу новых дырок из p – области, а электронов из n - области 1.5. Выпрямительный эффект в электронно-дырочном переходе Если к переходу приложить электрическое поле, то равновесное состояние нарушится. При подключении к p-n переходу источника напряжения U плюсом на p - область и минусом на n – область обеднённый слой сузится (рис. 9. б). 9 Е общ = Е n P Е общ = Е + Е вн Е вн n P Е Е вн Е n P Е Е вн U U б) a) в) Рис. 9. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего поля ( а ) и при воздействии внешнего поля ( б ) и ( в ). При воздействии на полупроводник электрическим полем движение носителей заряда в полупроводнике обусловлено двумя процессами: диффузией под действием градиента их концентрации, и дрейфом под действием сил электрического поля. Полный ток состоит из четырёх составляющих. Выражение для его плотности имеет вид: j jn диф j p диф jn др j p др (18) где: jn диф , j p диф - диффузионные, jn др , j p др - дрейфовые составляющие плотности тока электронов и дырок, соответственно. В дальнейшем будет показано, что неосновные носители играют важную роль в работе полупроводниковых диодов и транзисторов. Зависимость тока перехода от напряжения но переходе приведена на Рис.10. Снабдив р – n переход омическими контактами, получим полупроводниковый диод. Вольтамперная характеристика диода проходит через ноль. IБ пр( мА ) 10 5 UБ обр 1 U Б обр max t OC = 0 t OC = 10 Ударная ионизация UБ пр 0 U* =0,6 В Si t OC = 20 2 Лавинный пробой 3 * = 0.25 B UGe Тепловой пробой t OC = 30 t O C =40 5 10 I Б обр ( мкА ) Рис. 10 Вольтамперная характеристика кремниевого диода 10 При прямом направлении заметный ток у германиевых диодов появляется при напряжении 0,2 -0,25 В, а у кремниевых - при напряжении 0,6 – 0.7 В. Это напряжение называют «напряжением приведения U*». В обратном направлении р – n переход для основных носителей закрыт , но в областях р и n имеются неосновные носители (электроны в области p и дырки в области n), для которых переход открыт. Через переход протекает обратный ток. Концентрация неосновных мала, поэтому уже при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток равен току насыщения. При увеличении обратного напряжения обратный ток не увеличивается, так как число носителей через переход в единицу времени определяется лишь температурой и не зависит от приложенного напряжения, если оно не очень велико. Сильная зависимость числа неосновных носителей pi и ni от температуры приводит к тому, что обратный тек диода увеличивается примерно в два раза на каждые 10оС. Это ограничивает максимальную температуру для германиевых диодов примерно 60 – 70оС, а кремниевых _ приблизительно 100 – 120оС. При шаге изменения температуры в 10 оС конечная температура полупроводникового прибора равна 𝑡℃(𝑛) = 𝑡℃нач + 10𝑛 (19) Тогда конечное значение обратного тока, обусловленное нагревом диода, будет равно: 𝐼обр (𝑡) = 𝐼обр (𝑡℃нач ) ∗ 2𝑛 (20) Так, при начальной температуре 𝑡℃нач = 10℃ и начальном обратном токе 𝐼обр (𝑡℃нач ) = 2 мкА, для 𝑛 = 10, (конечная температура составляет 𝑡℃(𝑛) = 110℃ ) обратный ток будет равен 𝐼обр (11℃) ≈ 2 мА, т.е соизмерим с прямым током диода. При обратном напряжении, большем допустимого 𝑈обр 𝑚𝑎𝑥 , происходит пробой диода. Сначала, в области (1), происходит ударная ионизация атомов в области p – n перехода, которая в области (2) переходит в лавинный пробой по всему телу полупроводника. Однако тепла выделяется мало и разрушения прибора не происходит. При уменьшении обратного напряжения пробой прекращается и обратный ток уменьшается. Если же обратное напряжение увеличивается, лавинный пробой переходит в тепловой пробой. Рост тока вызывает большое выделение тепла и прибор разрушается. Лавинный пробой (области 1 и 2) используется в полупроводниковых стабилитронах для создания параметрических стабилизаторов постоянного напряжения. + + Полупроводниковый диод Стабилитрон Рис 11. Условное изображение диодов и стабилитронов 11 1.6. Транзисторы Свойства полупроводников используются при создании трёхэлектродных приборов – полевых (униполярных) и биполярных транзисторов. Фактически, транзистор представляет собой нелинейное сопротивление, величина которого изменяется при изменении управляющего тока или напряжения. Первоначально рассмотрим биполярные транзисторы. 1.6.1 Биполярные транзисторы Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, в котором созданы три области с различной проводимостью. Он имеет структуру p–n–p, или n-p-n. Рассмотрим процессы в кремниевом транзисторе n-p-n типа, так как он имеет преимущественное применение. Два p-n перехода представляют собой два диода. Если на базу подать небольшое положительное напряжение (0,7 – 1.2 В), а на коллектор большее (+3 - +10 В), то переход эмиттер – база будет открыт, а переход база – коллектор закрыт. Через открытый переход протекает ток. Основные носители из базы (дырки pp) идут в эмиттер, а основные носители из эмиттера (электроны nn) идут в область базы. Так как область эмиттера легирована донорной примесью сильнее, чем область базы легирована акцепторам, то электронов в эмиттере значительно больше, чем дырок в базе. Электроны, идущие в базу, не встречают в области перехода компенсирующих (создающих ток) дырок, пролетают через переход и «впрыскиваются – инжектируются» в базу за пределы поля перехода. Эти электроны в области базы будут np(инж) неосновными носителями. В базе между переходами электрическое поле отсутствует, поэтому дальнейшее движение инжектированных электронов определяется процессом диффузии. Не все инжектированные в базу электроны достигают коллекторного перехода. Часть электронов, не достигая коллектора, рекомбинирует с основными носителями в базе - дырками. Так как толщина базы значительно меньше длины свободного пробега электрона до рекомбинации, то большая часть инжектированных электронов достигает коллектора, попадают в ускоряющее для неосновных носителей поле перехода и переносятся на коллектор, создавая ток коллектора. Коллектор ++ I n База p к n + Iб Ток базы n - - - - - - - - - - - - - - - - - Iб + Инжекция неосновных носителей p + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - Iэ = I к Iб n Эмиттер Рис.12. Процессы в биполярном транзисторе Ток через p-n переход эмиттер - база создаёт ток эмиттера Iэ , который подобен току открытого диода (См. Рис.10). Однако ток базы Iб, хотя и имеет вид тока открытого диода, значительно меньше его (т.е. тока эмиттера).Дело в том, что большая 12 часть электронов, инжектированных из эмиттера в базу, идёт не к выводу базы, а на коллектор, создавая ток коллектора. При этом имеем; 𝐼э = 𝐼к + 𝐼б = (𝛽 + 1)𝐼б где ; (21) 𝐼 𝛽 = 𝐼к = (10 ÷ 100) - коэффициент усиления по току базы при включении б транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) - вывод эмиттера является общим для входа и выхода. Инжектированные из эмиттера в базу электроны представляют собой в области базы р-типа неосновные носители np(инж). Кроме них в области базы есть собственные неосновные носители ni, обусловленные температурой транзистора 𝑡℃. Поэтому, ток коллектора Ik содержит две составляющие - управляемый ток коллектора 𝐼𝑘 упр = 𝛽𝐼б инжектированных электронов np(инж), и тепловой обратный ток перехода коллектор-база 𝐼𝑘 тепл = 𝐼𝑘 бо собственных неосновных носителей тока в области базы ni : 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘 упр + 𝐼𝑘 тепл = 𝛽𝐼б + 𝐼к бо (22) Тепловой обратный ток коллектора сильно влияет на работу транзистора. Поэтому в рабочем режиме стремятся обеспечить выполнение условия 𝐼𝑘 упр ≫ 𝐼𝑘 тепл , благодаря чему тепловым обратным током можно пренебречь. Тогда имеем: 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘 упр = 𝛽𝐼б (23) В дальнейшем под током коллектора будем понимать управляемый ток, т.е. будем считать 𝐼𝑘 = 𝛽𝐼б , а влияние температуры рассмотрим отдельно. Входные и выходные характеристики n-p-n транзистора приведены на Рис.13. Входная характеристика 𝑖б = 𝑓(𝑢б ) подобна вольтамперной характеристике открытого диода с учётом того, что ток базы 𝑖б значительно меньше тока эмиттера 𝑖э и составляет единицы ÷ десятки мкА. Заметный ток базы у германиевых транзисторов появляется при напряжении (0,2 - 0,25) В, а у кремниевых - при напряжении (0,6 – 0.7) В. Это напряжение, аналогично диодам, называют «напряжением приведения U*». Рис.13. Входные и выходные характеристики биполярного транзистора Выходная характеристика (вольтамперная характеристика) 𝑖𝑘 = 𝑓(𝑢𝑘 , 𝑖б ) подобна графикам 𝑖обр = 𝑓(𝑢обр , 𝑡℃) закрытого p-n перехода. Вначале происходит рост тока с увеличением напряжения на коллекторе. Но концентрация инжектированных в базу неосновных носителей тока мала и зависит от тока базы 𝑖б , поэтому уже при сравнительно небольших положительных напряжениях на коллекторе 𝑢к ток коллектора 𝑖к равен току 13 насыщения. График зависимости 𝑖𝑘 = 𝑓(𝑢𝑘 ). при фиксированном токе базы 𝑖б = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡, близок к горизонтальной линии, но все же имеется небольшой подъём с ростом напряжения на коллекторе. Этот подъём обусловлен тем, что с ростом напряжения на коллекторе расширяется обедненный слой перехода коллектор-база в области базы и, как следствие, уменьшается эффективная толщина базы. Коллекторный ток при этом увеличивается, так как меньшая часть электронов теряется в базе вследствие рекомбинации с дырками Внутренняя площадка графика выходных характеристик, ограниченная слева и сверху линией 𝑖б 𝑚𝑎𝑥 , снизу осью абсцисс 0 - Uk, и пунктирными линиями сверху и справа представляет собой область возможных значений тока коллектора ik и напряжения на коллекторе uk. Таким образом, любая точка из этой области соответствует рассе𝑈 иваемой мощности 𝑃 = 𝑈𝑘 𝐼𝑘 и сопротивлению транзистора 𝑅тр = 𝐼 𝑘 . 𝑘 При напряжения питания 𝐸𝑘 = 10 В и токе коллектора 𝐼𝑘 𝑚𝑎𝑥 = 10 мА транзистор может реализовать переменное сопротивление, управляемое током базы. Максимальное 𝑈 значение сопротивления 𝑅тр 𝑚𝑎𝑥 = 𝐼 𝑘 𝑚𝑎𝑥 ≈ (50 ÷ 200)кОм. Минимальное значение со𝑘 𝑚𝑖𝑛 противления транзистора 𝑅тр 𝑚𝑖𝑛 = ления 𝑅тр ср = 𝑈𝑘 0 𝐼𝑘 0 5В 𝑈𝑘 𝑚𝑖𝑛 𝐼𝑘 𝑚𝑎𝑥 ≈ (20 ÷ 200)Ом. Среднее значение сопротив- ≈ 5 мА = 1 кОм. Ограничением использования области возможных значений тока 𝐼𝑘 и напряжения 𝑈𝑘 является максимальная допустимая мощность 𝑃𝑚𝑎𝑥 . 1.6.2 Полевые транзисторы Полевой транзистор это полупроводниковый прибор, действие которого основано на управлении рабочим (выходным) током при помощи электрического поля, созданного входным напряжением. Для полевых транзисторов характерно высокое входное сопротивление. Полевой транзистор состоит из кристалла полупроводника (кремния) в котором создается проводящий канал между двумя электродами (истоком и стоком). Канал перекрывается полем изолированного управляющего электрода - затвора. Работа полевых транзисторов основана на изменении концентрации основных носителей заряда в канале под действием электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным между затвором и истоком. Изоляция канала от затвора выполняется p-n переходом или окислом (SiO2). В последнем случае они называются МОП-транзисторами (металл, окисел, полупроводник), или МДП-транзисторами (металл, диэлектрик, полупроводник Проводимость канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по типу проводимости канала различают полевые транзисторы с n-каналом и p-каналом. Полярность напряжений, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны. Транзисторы с управляющим p-n-переходом На Рис.14.а дано схематическое изображение строения полевого транзистора с управляющим p-n переходом. В пластинке кристаллического кремния с проводимостью n типа, диффузией акцепторной примеси через окно в слое окисла, создана область с проводимостью p типа. Затем, в этой же области диффузией донорной примеси создана сильно легированная область с проводимостью n типа (обозначается индексом +). В следующих технологических операциях в изолирующем слое окисла образованы окна и 14 в них методом металлизации созданы контакты и вывода электродов истока (И), стока (С), затвора (З) и подложки (П). Обычно подложка соединяется с истоком. Между истоком и стоком сформирован проводящий канал. Он образован областью p-типа. Толщина канала - около 1 мкм, длина - несколько мкм (микрон), а ширина, перпендикулярная плоскости чертежа, зависит от мощности транзистора. Между каналом и затвором сформирован p-n переход. Чтобы затвор был изолирован от канала на переход должен быть закрыт, т.е на него должно быть подано запирающее напряжение. Поэтому на затвор должно быть подано (относительно истока) положительное напряжение или хотя бы равное нулю. Напряжение стока относительно истока (а значит, и затвора) должно быть отрицательным. Отрицательное напряжение на стоке вызывает ток в проводящем канале, который изолирован от затвора и подложки запертыми p-n переходами (p-n диодами, на Рис 14 изображены обеднёнными слоями). Рис.14. Физическая структура полевых транзисторов с каналами р-типа Затвор является управляющим электродом. При изменении на затворе управляющего напряжения изменяется его сечение канала, что приводит к изменению тока через канал, а значит и сопротивления канала. Итак, в рабочем режиме полевого транзистора с управляющим p-n переходом напряжение на затворе должно быть либо нулевым (канал открыт полностью), либо обратным. Если величина обратного напряжения станет настолько большой, что запирающий слой закроет канал, то транзистор перейдет в режим отсечки. Даже при нулевом напряжении на затворе, между затвором и стоком существует обратное напряжение, равное напряжению исток-сток. Вот почему p-n переход имеет такую неровную форму, расширяясь к области стока. Управление током и напряжением на нагрузке, включённой последовательно к каналу полевого транзистора и источнику питания, осуществляется изменением входного напряжения, вследствие чего изменяется обратное напряжение на p-n-переходе, что ведёт 15 к изменению толщины запирающего (обеднённого) слоя. При некотором запирающем напряжении площадь поперечного сечения канала станет равной нулю и ток в канале транзистора станет весьма малым. В связи с незначительностью обратных токов p-nперехода, мощность источника сигнала ничтожно мала. Таким образом, полевой транзистор по принципу действия аналогичен вакуумному триоду. Исток в полевом транзисторе подобен катоду вакуумного триода, затвор — сетке, сток — аноду. При этом существуют и отличия, например: в транзисторе отсутствует катод, который требует подогрева; любую из функций истока и стока может выполнять любой из этих электродов; существуют полевые транзисторы как с n-каналом, так и с p-каналом, что используется при производстве комплементарных пар транзисторов. От биполярного транзистора полевой транзистор отличается, во-первых, принципом действия: в биполярном транзисторе управление выходным сигналом производится входным током, а в полевом транзисторе — входным напряжением или электрическим полем. Во-вторых, полевые транзисторы имеют значительно большие входные сопротивления, что связано с обратным смещением p-n-перехода затвора в рассматриваемом типе полевых транзисторов. В-третьих, полевые транзисторы могут обладать низким уровнем шума (особенно на низких частотах), так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда и канал полевого транзистора может быть отделён от поверхности полупроводникового кристалла. Процессы рекомбинации носителей в p-n-переходе и в базе биполярного транзистора, а также генерационно-рекомбинационные процессы на поверхности кристалла полупроводника сопровождаются возникновением низкочастотных шумов. Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы) Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика. В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильно легированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами. Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 1010…1014 Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 107…109), что является преимуществом при построении высокоточных устройств. Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом. В МДП-транзисторах со встроенным каналом (Рис. 14, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой — канал, который соединяет исток со стоком. 16 В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 15, б) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определённой полярности и при определённом значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор). Изображённые на рис. 15 структуры полевых транзисторов с изолированным затвором имеют подложку с электропроводностью n-типа. Поэтому сильнолегированные области под истоком и стоком, а также индуцированный и встроенный канал имеют электропроводность p-типа. Если же аналогичные транзисторы созданы на подложке с электропроводностью p-типа, то канал у них будет иметь электропроводность n-типа. Рис. 15. Устройство полевого транзистора с изолированным затвором. a) — со встроенным каналом, b) — с индуцированным каналом Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом Поскольку в рабочем режиме ток затвора обычно невелик или вообще равен нулю, то графики входных характеристик полевых транзисторов мы рассматривать не будем. Перейдем сразу к выходным или стоковым. Кстати, статическими их называют потому, что на затвор подается постоянное напряжение. Т.е. нет необходимости учитывать частотные моменты, переходные процессы и т.п. Выходной (стоковой) называется зависимость тока стока от напряжения истоксток при константном напряжении затвор-исток. На рисунке — график слева. 17 На графике можно четко выделить три зоны. Первая из них — зона резкого возрастания тока стока. Это так называемая «омическая» область. Канал «исток-сток» ведет себя как резистор, чье сопротивление управляется напряжением на затворе транзистора. Вторая зона — область насыщения. Она имеет почти линейный вид. Здесь происходит перекрытие канала в области стока, которое увеличивается при дальнейшем росте напряжения исток-сток. Соответственно, растет и сопротивление канала, а стоковый ток меняется очень слабо (закон Ома, однако). Именно этот участок характеристики используют в усилительной технике, поскольку здесь наименьшие нелинейные искажения сигналов и оптимальные значения малосигнальных параметров, существенных для усиления. К таким параметрам относятся крутизна характеристики, внутреннее сопротивление и коэффициент усиления. Значения всех этих непонятных словосочетаний будут раскрыты ниже. Третья зона графика — область пробоя, чье название говорит само за себя. С правой стороны рисунка показан график еще одной важной зависимости — \стоко-затворной характеристики. Она показывает то, как зависит ток стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении между истоком и стоком. И именно ее крутизна является одним из основных параметров полевого транзистора. Виды полевых транзисторов и их обозначение на принципиальных схемах Статические характеристики МДП-транзисторов Семейство стоковых и стоко-затворная характеристики транзистора с встроенным каналом предсталены на следующем рисунке: 18 Те же характеристики для транзистора с идуцированным каналом: Экзотические МДП-структуры Чтобы не запутывать изложение, хочу просто посоветовать ссылки, по которым о них можно почитать. В первую очередь, это всеми любимая википедия, раздел «МДПструктуры специального назначения». А здесь теория и формулы: учебное пособие по твердотельной электронике, глава 6, подглавы 6.12-6.15. Почитайте, это интересно! Общие параметры полевых транзисторов 1. Максимальный ток стока при фиксированном напряжении затвор-исток. 2. Максимальное напряжение сток-исток, после которого уже наступает пробой. 3. Внутреннее (выходное) сопротивление. Оно представляет собой сопротивление канала для переменного тока (напряжение затвор-исток — константа). 4. Крутизна стоко-затворной характеристики. Чем она больше, тем «острее» реакция транзистора на изменение напряжения на затворе. 5. Входное сопротивление. Оно определяется сопротивлением обратно смещенного p-n перехода и обычно достигает единиц и десятков МОм (что выгодно отличает полевые транзисторы от биполярных «родственников»). А среди самих полевых транзисторов пальма первенства принадлежит устройствам с изолированным затвором. 6. Коэффициент усиления — отношение изменения напряжения исток-сток к изменению напряжения затвор-исток при постоянном токе стока. 19 20
