ВВЕДЕНИЕ Электроника — это область науки и техники, занимающаяся созданием и практическим использованием различных устройств и приборов, основанных на изменении концентрации и перемещении заряженных частиц в вакууме, газе или твердых кристаллических телах.
Критерии электроники: 1. высокая чувствительность, 2. быстродействие, 3. уни3версальность, 4. малые габаритные размеры электронных устройств.
1. Высокая чувствительность обеспечивается с помощью различных усилительных схем.
2. Быстродействие электронных устройств определяется самой природой электрических колебаний. Этот параметр неуклонно повышается в связи с углублением тенденций к микроминиатюризации элементов и устройств в целом.
3. Универсальность электроники обусловлена возможностью преобразования всех видов энергии (механической, тепловой, световой, звуковой, лучистой) в электрическую энергию, на изменении и преобразовании которой основано действие всех электронных схем.
4. Электронные устройства всегда имели небольшие габаритные размеры, а за счет создания интегральных микросхем их размеры уменьшились в сотни и тысячи раз.
Промышленная электроника — отрасль электроники, занимающуюся применением в промышленных устройствах различных электронных схем, позволяющих осуществлять: контроль, регулирование и управление производственными процессами. К системам промышленной электроники относят также системы преобразования тока, широко используемые в энергетических установках и на электрифицированном транспорте.
Развитие промышленной электроники неразрывно связано с развитием радиоэлектроники в целом и радиотехники в частности. Исследования в области электричества и магнетизма, проведенные X. Эрстедом, М. Фарадеем, Дж. Максвеллом, Г. Герцем и П. Н. Лебедевым, позволили создать теорию электромагнитного поля и экспериментально подтвердили существование электромагнитных колебаний. А. С. Попов первым использовал эти явления на практике. День его публичного доклада на эту тему (7 мая 1895 г), по праву считается днем рождения радио. А. С. Попову удалось сделать и первые шаги по созданию аппаратуры радиосвязи. Развитие радиотехники в нашей стране началось под руководством одного из основоположников советской радиотехники — М. А. Бонч-Бруевича — создателя Нижегородской радиолаборатории, объединившей большинство крупнейших радиоспециалистов того времени: М. В. Шулейкина, А. Л. Минца, А. Ф. Шорина, В. П. Вологдина, Д. А. Рожанского, В. К. Лебединского, В. В. Татаринова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, О. В. Лосева Уже в начале 20-х годов в Советском Союзе была построена самая мощная в мире радиостанция, освоено производство генераторных и приемно-усилительных ламп, заложены основы теории полупроводниковых приборов, разработаны многочисленные схемы, методики их расчетов и методы радиоизмерений. В годы первых пятилеток в нашей стране была создана радиопромышленность, радиотехнические методы начали проникать в другие области науки и техники. Бурное развитие всей радиоэлектроники стало одной из основ технического прогресса: повышение эффективности производства на основе его всесторонней интенсификации, повышение технической вооруженности труда, всемерное внедрение комплексной механизации и автоматизации производственных процессов. Академик А. И. Берг не без основания говорил, что культура страны, ее обороноспособность, производительность умственного и механического труда, определяются в значительной мере развитием всех областей радиотехники. Следует отметить большую роль радиоэлектроники в обеспечении высоких скоростей управления при высокой точности. В космонавтике, ядерной физике, вычислительной технике, кибернетике, электроэнергетике, на транспорте и во многих других отраслях широко применяют средства радиоэлектроники для управления и контроля самых различных процессов. Основными задачами электроники являются: - разработка и совершенствование элементной базы, особенно в области микроэлектроники (микросхемы, микропроцессоры и др.), - внедрение последних достижений электроники в отрасли производства и управления, - совершенствование технологии производства электронных изделий и систем, - повышение качества и надежности этих изделий и т. д. Глава 1. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
§ 1.1. ПРОВОДНИКИ, ПОЛУПРОВОДНИКИ И ДИЭЛЕКТРИКИ
Все встречающиеся в природе вещества по электрическим свойствам подразделяют на три группы в зависимости от их удельного сопротивления: проводники, полупроводники и диэлектрики. Полупроводниковые материалы при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление = 10–3 … 1010Ом·см. Проводниковые материалы имеют значительно меньшие удельные сопротивления = 10–6…10–3 Ом·см. Диэлектрические материалы имеют значительно большие удельные сопротивления = 1010 … 1018 Ом·см. Разграничение проводников, полупроводников, и диэлектриков по их удельному сопротивлению является условны
Электропроводность полупроводников и диэлектриков примерно одинакова и качественно отличается от механизма электропроводности проводников. Так, отличие полупроводника от проводника состоит не только в большем значении его удельного сопротивления, но и в иной зависимости этого сопротивления от температуры. При нагреве удельное сопротивление: проводников увеличивается, полупроводников и диэлектриков оно уменьшается. При температуре, близкой к абсолютному нулю удельное сопротивление: проводников достигает малых значений, а их проводимость значительна или даже переходит в сверхпроводимость, полупроводников при температурах, близких к абсолютному нулю, очень велико и приближается к удельному сопротивлению диэлектриков.
Добавление примеси в чистый металл приводит к тому, что удельное сопротивление образующегося сплава (манганин, константан, нихром и др.) становится больше, чем удельные сопротивления отдельных компонентов. При добавлении примеси другого элемента в полупроводник его удельное сопротивление резко уменьшается. Сильно изменяется удельное сопротивление полупроводников также: под влиянием внешнего электрического поля, при облучении светом или воздействии ионизированными частицами.
Полупроводниковые материалы имеют твердую кристаллическую структуру. При изготовлении полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, представляющих собой устройства для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, наиболее широко используют кремний, германий и арсенид галлия. К полупроводникам относят также селен, теллур, некоторые окислы, карбиды и сульфиды.
§ 1.2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Электропроводность любого вещества обусловлена перемещением валентных электронов, осуществляющих перенос электрического заряда. В проводнике (металле) всегда имеются свободные электроны (электронный газ), которые в электрическом поле направленно перемещаются (электрический ток). В полупроводнике все валентные электроны прочно связаны с кристаллической решеткой. Пока существует такая связь, эти электроны не могут участвовать в переносе электрического заряда.
Механизм электропроводности полупроводников.
Для выяснения механизма электропроводности полупроводников рассмотрим некоторый объем кристаллической решетки германия, который (как и кремний) является элементом IV группы Периодической системы элементов Менделеева. На рис. 1.1,а объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, представлена в виде плоскостной решетки. В кристалле атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с другими атомами осуществляется посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки указывают на ковалентный характер связи, при которой каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам, при этом возникает связывающая атомы сила.
а б Рис. 1.1 а — объемная кристаллическая решетка германия; б — энергетическая диаграмма полупроводника: зоны энергетических уровней: валентная, запрещённая, проводимости Еυ — энергия электрона верхней границы валентной зоны. Ес — энергия электрона нижней границы зоны проводимости. ΔЕ — энергия запрещённой зоны проводимости
Механизм электропроводности полупроводников можно объяснить на основе зонной теории твердого тела. Энергетическая диаграмма полупроводника (рис. 1.1,б), иллюстрирующая эту теорию, показывает распределение электронов по энергетическим уровням и состоит из трех зон: валентной, запрещенной и зоны проводимости. Лишь те валентные электроны полупроводника, которые обладают энергией зоны проводимости, освобождаются от ковалентной связи с атомами и могут свободно перемещаться в кристалле. При отсутствии в кристалле примесей атомов других элементов и при температуре абсолютного нуля все валентные электроны участвуют в межатомных связях, иначе говоря находятся на энергетических уровнях валентной зоны и не могут принимать участия в процессе электропроводности. Между валентной зоной с энергией электрона ее верхней границы Еυ и зоной проводимости с энергией электрона ее нижней границы Ес находится запрещенная зона шириной ΔЕ = Ес — Еυ (у германия ΔЕ = 0,72 эВ, у кремния ΔЕ = 1,12 эВ). Чтобы электрон мог освободиться от связи с атомом и стать свободным, он должен попасть в зону проводимости. Для перевода электрона в зону проводимости ему необходимо сообщить дополнительную энергию, равную или превышающую энергию запрещенной зоны ΔЕ. Источником такой энергии может быть теплота окружающей среды. Уже при комнатной температуре заметное число электронов кристалла полупроводника разрывает ковалентные связи, т. е., получая дополнительную энергию, преодолевает запрещенную зону и переходит в зону проводимости. Одновременно в валентной зоне образуется такое же число не занятых электронами (ставших вакантными) энергетических уровней. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне называют дыркой проводимости, а сам процесс образования пар электрон — дырка — тепловой генерацией пар. В электрическом и магнитном полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом, равным по значению заряду электрона.
Возникающие носители заряда (электроны и дырки) в течение определенного времени, называемого временем жизни, приобретают некоторую свободу теплового хаотического перемещения в пределах своих зон, а затем происходит обратный процесс захвата электронов дырками. Процесс исчезновения электрона и дырки называют рекомбинацией.
Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля свободный от примесей и однородный кристалл полупроводника, имеющий два типа носителей заряда — электроны и дырки, приобретает способность проводить электрический ток. При этом плотность полного тока j = jп + jр где jп, jр — плотности электронного и дырочного токов соответственно.
Общую электропроводность полупроводника, обусловленную генерацией, перемещением и рекомбинацией пар электрон — дырка, называют собственной электропроводностью, а сам полупроводниковый кристалл — собственным полупроводником. Собственная электропроводность обычно невелика. Причем как электронная, так и дырочная электропроводность обусловлена перемещением в полупроводнике только электронов. В первом случае движутся электроны, находящиеся на энергетических уровнях зоны проводимости, в направлении, противоположном направлению электрического поля. Во втором случае перемещаются электроны валентной зоны, заполняя вакантные энергетические уровни (дырки), в направлении, противоположном перемещению дырок.
Значительно лучшей электропроводностью обладают примесные полупроводники, причем характер электропроводности зависит от примесного вещества. Случай 1. В расплав предварительно очищенного германия внести примесь пятивалентного элемента (например, мышьяка), то при остывании расплава образуется кристалл, в некоторых узлах кристаллической решетки которого атомы мышьяка замещают атомы германия (рис. 1.2, а). При этом четыре валентных электрона атома мышьяка, объединившись с четырьмя валентными электронами соседних атомов германия, образуют систему ковалентных связей, пятый же электрон атома мышьяка оказывается избыточным.
Рис. 1.2. Примесь пятивалентного мышьяка в расплаве германия Ед — энергетический уровень примеси (донорный уровень) вблизи зоны проводимости
Энергетический уровень примеси Ед (донорный уровень) лежит в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости. Поэтому уже при комнатной температуре избыточные электроны приобретают энергию, равную очень небольшой энергии' их связи с атомами примеси (ΔЕ д = Ес — Ед), и переходят в зону проводимости. Эти избыточные электроны могут теперь участвовать в электропроводности полупроводника. В узлах же кристаллической решетки германия, занимаемых атомами примеси, образуются положительно заряженные ионы (на рис. 1.2,б показаны три таких положительных иона в виде прямоугольников). Если высвободившиеся избыточные электроны совершают хаотическое движение вблизи своих ионов, то микрообъем остается электронейтральным. При уходе электронов в более удаленные объемы оставшиеся ионы создают в микрообъеме кристалла положительный объемный заряд. Поскольку ΔЕд < ΔЕ, то количество электронов, переходящих под действием тепловой или какой-либо другой энергии в зону проводимости с примесных уровней, значительно превышает количество электронов, переходящих в зону проводимости из валентной зоны, участвующих в процессе тепловой генерации пар. Следовательно, число электронов в полупроводнике с пятивалентной примесью превышает число дырок, концентрация которых в данном случае определяется собственной электропроводностью и поэтому не изменилась. Такой примесный полупроводник с преобладающим числом свободных электронов называют полупроводником с электронной электропроводностью или электропроводностью п-типа, а саму примесь, способную отдавать валентные электроны, — донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике п-типа являются электроны, а неосновными — дырки.
Случай 2. В кристалл германия добавляется примесь элемента III группы (например, индия), имеющего три валентных электрона (рис. 1.3, а). При этом для комплектования ковалентных связей между атомом индия и соседними атомами германия одного электрона не хватает. Так как примесный уровень индия Ea (рис. 1.3, б) лежит в запрещенной зоне вблизи валентной зоны, то достаточно очень небольшой энергии ΔЕа = Ea — Еυ < ΔЕ (например, за счет теплоты окружающей среды), чтобы электроны с верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие связи. Следствием этого процесса является образование в валентной зоне вакантных энергетических уровней (дырок) и превращение атомов индия в отрицательные ионы, заряд которых начинает проявляться лишь при уходе дырок из микрообъема. При этом очевидно, что такой примесный полупроводник обладает избыточным числом дырок, так как число электронов в зоне проводимости полупроводника по-прежнему определяется собственной электропроводностью.
а) б) Рис. 1.3. Примесь трёхвалентного индия в расплаве германия
Примесный полупроводник с преобладающим числом дырок называют полупроводником с дырочной электропроводностью или электропроводностью р - типа (р-полупроводник), а примесь, добавление которой приводит к образованию избыточного числа дырок в валентной зоне,— акцепторной. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями заряда, а электроны — неосновными.
§ 1.3. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Границу между двумя соседними областями полупроводника, имеющими различный характер электропроводности (между слоями р- и п-типа), называют электронно-дырочным переходом или р-п-переходом. Такой переход является основой большинства полупроводниковых приборов.
В настоящее время в полупроводниковой электронике наиболее широко применяются плоскостные и точечные р-п--переходы. ►Плоскостной р-п-переход (рис. 1.4,а) имеет слоисто-контактную структуру в объеме кристалла с линейными размерами, значительно превышающими его толщину. По способу изготовления плоскостные р-п--переходы подразделяют на: выращенные, сплавные и диффузионные. В последнее время при формировании р-п- переходов микросхем широко применяется эпитаксиально-планарная технология изготовления.
Рис. 1.4. Типы переходов ►Точечный р-п- переход имеет полусферическую форму (рис. 1.4,б). При формировании точечного р-п- перехода через точечный контакт острия (диаметром 10—20 мкм) металлической пружины с полупроводником основной массы кристалла п-типа пропускают в течение долей секунды импульс тока сравнительно большой мощности. При этом в микрообъеме под острием изменяется тип электропроводности благодаря диффузии примеси из острия пружины в полупроводник. На границе раздела р- и п-слоев образуется полусферический р-п- переход диаметром порядка десятков микрометров.
Электронные процессы в рабочих областях кристалла и в самом р-п- переходе при отсутствии внешнего электрического поля, а также при условии, что на границе раздела областей отсутствуют механические дефекты и другие включения (рис. 1.5, а).
Рис. 1.5. Электронные процессы Поскольку концентрация дырок в полупроводнике р-типа много больше, чем в полупроводнике п-типа, и, напротив, в полупроводнике п-типа высока концентрация электронов, то на границе раздела полупроводников различной электропроводности создается перепад (градиент) концентрации дырок и электронов. Это вызывает диффузионное перемещение дырок из р-области в п-область и электронов в противоположном направлении. Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока при этом соответственно jр. диф и jп .диф В результате ухода дырок из приконтактной области р-типа и электронов из приконтактной области п-типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и появляется нескомпенсированный отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси (в приконтактной области р-типа) и положительный заряд за счет ионов донорной примеси (в приконтактной области п -типа). На рис. 1.5,а обедненный слой отмечен кружочками со знаками «—» и «+», обозначающими отрицательные и положительные ионы соответственно акцепторной и донорной примеси. Таким образом, обедненный слой представляет собой область полупроводника с определенной плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля (на рис. 1.5,а направление напряженности этого поля показано вектором Е). Это поле препятствует дальнейшему диффузионному перемещению дырок из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа и электронов в противоположном направлении. Поскольку обедненный слой обладает незначительной электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют положительные носители заряда, его еще называют запирающим слоем.
Действие электрического поля напряженностью Е проявляется в том, что через р-п-переход могут перемещаться (дрейфовать) лишь неосновные носители заряда, т. е. дырки из полупроводника п-типа и электроны из полупроводника р-типа, которые обусловливают дрейфовые токи с плотностями соответственно jp. др и jп. др. Плотность полного тока через р-п-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Направление токов дрейфа противоположно токам диффузии (рис. 1.5,а). Поэтому в состоянии термодинамического равновесия (при неизменной температуре и отсутствии внешнего электрического поля) плотность полного тока через р-п-переход равна нулю: jp. диф + jп. диф + jp. др + jп. др = 0
Двойной электрический слой в области р-п-перехода (рис. 1.5, а) обусловливает контактную разность потенциалов, называемую потенциальным барьером φк (рис. 1.5, б) и определяемую уравнением: φк = φт·ln( пп / пр ) = φт·ln(рр / рп) (1.1) где φт — тепловой потенциал, φт = – kT/q при нормальной температуре, т. е. при Т = 300 К, φт = 0,26 В; k — постоянная Больцмана, Дж/К, k = 1,38 ? 10–23 Дж/К; Т — абсолютная температура; оК q — заряд электрона; пп и пр, рр и рп — равновесные концентрации основных и неосновных носителей заряда в п-области (р-области). У германиевых переходов φк = (0,3 … 0,4) В, у кремниевых φк = (0,7 … 0,8) В.
Вольт – амперная характеристика (ВАХ). Если к р-п-переходу подключить внешнее напряжение Uобр, таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника п-типа, а минус — к области полупроводника р-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.5, в), то обедненный слой расширится, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки, как основные носители заряда, смещаются от р-п-перехода в разные стороны. Ширина нового обедненного слоя показана условно на рис. 1.5, в, г штрихпунктирными линиями. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной φк + Uобр, поскольку напряжение внешнего смещения включено' согласно контактной разности потенциалов (рис. 1.5, г). Увеличение потенциального барьера нарушает состояние термодинамического равновесия. При этом диффузионная составляющая тока через р-п-переход уменьшается. Дрейфовая же составляющая тока не изменяется, поскольку концентрация неосновных носителей заряда определяется лишь процессом термогенерации (§!.2), а не уровнем напряжения. Поэтому при обратном включении р-п-перехода через него проходит обратный ток Iобр, который определяется неосновными носителями и при увеличении обратносмещающего напряжения приближается к постоянному значению Iо = Iп.др + Iр.др. Ток Iобр = Iо называют тепловым током или током насыщения. Если поменять полярность источника внешнего напряжения (такое смещение называют прямым, рис. 1.5, д), то обедненный слой р-п-перехода сужается, а его проводимость увеличивается. Это связано с тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объемов областей р- и n-типов, поскольку под воздействием Uпр электроны и дырки из объема полупроводника движутся навстречу друг другу к р-п-переходу. Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается и становится равным φк + Uпр (рис. 1.5, е). При этом создаются условия для инжекции основных носителей заряда — дырок из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа и электронов в противоположном направлении и через р-п-переход проходит большой прямой ток Iпр, обусловленный диффузией основных носителей заряда (диффузионный ток). Связь между прямым током и приложенным к р-п-переходу прямым напряжением Uпр определяется выражением: Iпр = Iо(еUпр / φт - 1) (1.2) Значение обратного тока можно определить из уравнения (1.2), заменив значение Uпр на –Uобр Учитывая, что в рабочей части диапазона обратных токов φт << | Uобр |, получим: Iобр = Iо (1.3) Ток Iобр по значению много меньше Iпр. Прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики, соответствующие уравнениям (1.2) и (1.3), показаны на рис. 1.6. Из соотношений (1.2) и (1.3) (вольт-амперной характеристики) следует, что значение и направление тока, проходящего через р-п-переход, зависят от значения и знака приложенного напряжения. При прямом смещении р-п-перехода его сопротивление незначительно, а ток большой. Обратное смещение на переходе обусловливает значительно большее сопротивление в обратном направлении при малом обратном токе. Таким образом, р-п-переход обладает свойством односторонней проводимости или вентильности, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока.
Если обратное напряжение превышает некоторое значение (Uобр.пр (рис. 1.6), называемое пробивным, то обратный ток Iобр резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой р-п-перехода, сопровождаемый часто тепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при Uобр > Uобр.пр электрическое поле в p-n-переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для ударной ионизации вещества перехода с лавинообразным процессом размножения дополнительных пар зарядов. Эти пары способствуют резкому возрастанию обратного тока. Кратковременный электрический пробой не разрушает р-п-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом пробое происходит недопустимый перегрев р-п-перехода и он выходит из строя. С ростом температуры возрастают как прямой, так и обратный ток. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода при более высокой температуре показана на рис. 1.6 пунктирной линией.
Контрольные вопросы. 1. В чем отличие механизма электропроводности полупроводников от механизма электропроводности проводников и диэлектриков? 2. Как изменяется удельное сопротивление полупроводников при добавлении в него примеси другого элемента? 3. На чем основывается механизм проводимости полупроводников? 4. Какие полупроводники называют собственными? 5. Что называют дыркой проводимости и какой заряд ей приписывают? 6. В чем сущность процесса генерации пар электрон проводимости — дырка проводимости? 7. Какие полупроводники называют донорными и какие акцепторными? 8. Что называют электронно-дырочным переходом? 9. Чем отличается плоскостной р-п-переход от точечного? 10. Какие токи проходят через р-п-переход при прямом и обратном смещениях перехода? 11. Что представляет собой обедненный слой р-п-перехода? 12. Как изменяете» потенциальный барьер при прямом и обратном смещениях перехода? 13. Объясните вольт-амперную характеристику р-п-перехода. 14. В чем сущность явления односторонней проводимости р-п-перехода?
