Физические основы полупроводников - Учебное пособие

Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупроводников, контактным явлениям между полупроводниками различной проводимости и между полупроводником и металлом. После изучения данной дисциплины студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре.Из курса физики известно, что (1.1) где Wф - уровень Ферми, соответствующий уровню энергии, формальная вероятность заполнения которого равна 0,5 (формальная потому, что уровень Ферми находится в запрещенной зоне и фактически не может быть занят электронами; кривая распределения Ферми-Дирака, характеризующая вероятность нахождения электрона на том или ином энергетическом уровне, всегда симметрична относительно уровня Ферми); WДН - энергия, соответствующая "дну" зоны проводимости; WB - энергия, соответствующая "потолку" валентной зоны; Полупроводники, в которых концентрация свободных электронов в зоне проводимости превышает концентрацию дырок в валентной зоне, называются полупроводниками, с электронной электропроводностью или полупроводниками n-типа. Кроме теплового возбуждения, приводящего к возникновению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации np и дырками до концентрации pn может осуществляться его освещением, облучением потоком заряженных частиц, введением их через контакт (инжекцией) и т. д. Диффузионное движение носителей зарядов обусловливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяются из соотношений: ; (1.11) ; (1.12) где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; Dn, Dp - коэффициенты диффузии электронов и дырок. Неравномерное распределение концентраций одноименных носителей зарядов в кристалле приводит к возникновению диффузии электронов из n-области в р-область и дырок из р-области в n-область.Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам: - методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.; физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды. диоды Ганна и др.; Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц) в постоянное. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие Іпр max до 1 А и Uo6pmax до 600 В.Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний потоку, напряжению или мощности. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n1 -p меньше, чем у перехода n2-p. Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Іэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Іэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеализированного р-n перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Іэ n и Іэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока базы, а не коллектора.Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. 3.2.2 Схема с общим эмиттером Поэтому входная характеристика при UКЭ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы равным сумме базовых токов изза одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером во много раз больше, чем в схеме с общей базой (h22Э»bh22Б) Объясняется это различным проявлением эффекта Эрли. Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной динамической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока.В полевых транзисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, называемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, через который в n канал втекают основные носители; сток, через который они вытекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования поперечного сечения канала.