ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ 1 страница

Стр 1 из 6Следующая ⇒

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Московский технический университет связи и информатики

Власов В.П., Каравашкина В.Н.

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Москва 2016

УДК 621.38

План УМД на 2015/2016 уч. г.

В.П. Власов, В.Н. Каравашкина. Учебное пособие: Физические основы электроники / МТУСИ. – М., 2016. 68 с.

Данное учебное пособие содержит общие сведения об электрических свойствах веществ и контактов различных материалов, используемых в электронике, описание принципов работы и характеристик структур на их основе, а также основные принципы моделирования электронных элементов.

Настоящее пособие полезно для подготовки бакалавров всех технических специальностей, проходящих обучение в МТУСИ.

Ил. 59, список лит. 6 назв.

утверждено заседанием кафедры «Электроника»

протокол № 4 от 05.02.2016

утверждено советом факультета РиТ

протокол № 7 от 15.03.2016

Рецензенты: Т.Б. Асеева, к.т.н., доцент (МТУСИ)

В.Н. Нефедов, д.т.н., профессор (НИУ ВШЭ)

CОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

1.1. Электрические свойства веществ

1.2. Электрические заряды в полупроводниках

1.3. Энергетические диаграммы

1.4. Электропроводность полупроводников

1.5. Токи в полупроводниках

1.6. Особенности примесных полупроводников

1.7. Расчёт концентрации подвижных носителей заряда

2. ОБЩИЕ СВОЙСТВА КОНТАКТОВ ВЕЩЕСТВ В ЭЛЕКТРОНИКЕ

2.1. Контакты и структуры в электронике

2.2. Контактная разность потенциалов

2.3. Собственные токи в контактах

2.4. Электроёмкость контактов

2.5. Электрический и тепловой пробой в контактах.

3. КОНТАКТ МЕТАЛЛ – ПОЛУПРОВОДНИК. ДИОДЫ ШОТКИ

3.1. Основные свойства металло-полупроводниковых контактов

3.2. Диоды Шотки

4. КОНТАКТ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Р- И N-ТИПА

4.1. Основные свойства p-n перехода

4.2. Основные числовые характеристики p-n перехода

4.3 Вольт-амперная характеристика p-n перехода

5. ДИОДЫ НА ОСНОВЕ M-N, P-N ПЕРЕХОДОВ И P-I-N СТРУКТУРЫ

5.1. Мощный выпрямительный диод

5.2. Импульсные и высокочастотные диоды

5.3. Стабилитрон

5.4. Варикап

5.5. Диоды на основе p-i-n структуры

5.6. Свето- и фото-диоды. Солнечные батареи

6. СТРУКТУРА МЕТАЛЛ-ДИЭЛЕКТРИК-ПОЛУПРОВОДНИК.

МДП-ТРАНЗИСТОР

6.1. Основные свойства МДП-структуры

6.2 МДП-транзистор с индуцированным каналом

6.3. Основные параметры МДП-транзистора

6.4. Статические характеристики МДП-транзистора

6.5. МДП-транзистор с плавающим затвором

6.6. Арсенид-галлиевый полевой транзистор

7. N-P-N И P-N-P СТРУКТУРЫ. БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

7.1. Основные свойства биполярного транзистора

7.2. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

7.3. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

7.4. Статические характеристики биполярного транзистора

8. ИНЕРЦИОННЫЕ СВОЙСТВА МДП И БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

8.1. Причины инерционности МДП и биполярных транзисторов

8.2. Импульсные свойства МДП и биполярных транзисторов

8.3. Частотные свойства МДП и биполярных транзисторов

9. IGBT – ТРАНЗИСТОР

10. КОНТАКТ ПРОВОДНИК - ВАКУУМ. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ

11. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ ЭЛЕКТРОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

11.1. Компьютерная модель диода

11.2. Компьютерная модель транзистора

12. ШУМЫ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
13. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее пособие призвано восполнить острую нехватку учебной литературы по дисциплине «Физические основы электроники», связанную с внешними факторами. Например, переход к бакалавриату, чрезвычайно быстрые и радикальные изменения в электронике (переход к новой элементной базе, новым методам разработки, изготовления и эксплуатации аппаратуры). Теперь главной задачей ВУЗа является подготовка бакалавров с широкой гибкой общей эрудицией. Потребность в разработчиках с узкой специализацией хотя и актуально, но единична и требует намного более высокого уровня школьной, вузовской и послевузовской подготовки.

Немногочисленные общедоступные издания, которые можно рекомендовать для изучения отдельных вопросов курса ФОЭ, крайне неудобны в целом и отличаются плохим соответствием современности и задачам курса. Так, в [1] и [2] большое внимание уделяется p-n переходу и диодам на его основе, в том числе исчезнувшим из электроники германиевым, туннельным, обращенным диодам. Достаточно изучить каталог любого крупного производителя полупроводниковых элементов, чтобы понять, что основными на сегодня являются диоды с m-n, гетеро- и p-i-n структурами. последним в данных изданиях в лучшем случае уделены только отдельные страницы. Неактуально также к тиристорным и преувеличено к биполярным структурам внимание, тогда как основной сегодня является МДП-структура и ее многочисленные варианты. Стремительно распространяющиеся IGBT приборы, как правило, даже не упоминаются. Большим недостатком неспециальной литературы является также невнимание к крайне важному факту – главным средством описания и изучения свойств современных электронных элементов, а также главным инструментом разработки, изготовления и эксплуатации изделий электроники стало компьютерное моделирование.

В условиях крайне ограниченных объёмов лекционного курса и данного пособия авторы сочли нужным избежать излишней детализации и сосредоточиться на главном – концепциях, принципах, проблемах, методах в физических основах современной электроники.

1. Общая характеристика веществ в электронике

1.1 Электрические свойства веществ. Полупроводники

Проводники содержат большое количество носителей заряда, способных перемещаться под действием электрического поля. Такие зарядыназывают подвижными, их направленное движение – электрическим током. Сила тока i определяется скоростью перемещения суммарного заряда подвижных носителей Q: i = dQ/dt. Способность вещества пропускать ток называется электропроводностью. Электропроводность определяется, главным образом, плотностью концентрации, или просто концентрацией подвижных носителей – их количеством в единице объёма. Типичными проводниками являются металлы. Для них характерна высокая концентрация подвижных зарядов – свободных электронов.

Диэлектрики практически не содержат подвижные заряды, их электропроводность ничтожна. Такими свойствами обладает большое число веществ.

Полупроводники занимают промежуточное положение по электропроводности межу проводниками и диэлектриками. Типичным и самым распространённым в электронике полупроводником является кремний (Si). Широкое применение находят также некоторые соединения, например арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN).

Чистые, или собственные полупроводники содержат атомы только одного вида.Если в полупроводник при изготовлении намеренно введены примеси определённого вида в необходимой концентрации, то это примесный полупроводник. Полупроводники, как правило, используются в кристаллическом виде. В кристаллах атомы располагаются на строго определённых расстояниях друг от друга, в строго определённом взаимном расположении. Это гарантирует предсказуемость и повторяемость электрофизических свойств полупроводника, их однородность и, следовательно, независимость от источника сырья, места, времени и условий изготовления.

Кристаллическая решётка кремния условно изображена на рис. 1. Кружки здесь – атомы кремния, двойные линии между кружками – связи между атомами. Такие связи возникают благодаря валентности – способности атомов образовывать связи друг с другом и удерживаться на определённом расстоянии друг от друга. Валентные связи (в данном кристалле ковалентные связи – их частный случай) обеспечиваются парами валентных электронов – электронов внешней, валентной орбиты (оболочки), по одному от каждого из связанных атомов. Именно внешними оболочками «соприкасаются» атомы при сближении и именно валентные электроны образуют связи с соседними атомами. Согласно рис. 1 каждый атом кристаллического кремния обладает четырьмя валентными электронами и связан с четырьмя соседними атомами, т.е. валентность кремния равна 4.

Рис. 1

На рис.1 кристаллическая решётка изображена в идеальном состоянии.

Однако в реальности полупроводник не может быть абсолютно чистым и бездефектным. От посторонних примесей и дефектов тщательно избавляются при изготовлении кристаллов для электронных элементов.

1.2 Электрические заряды в полупроводниках

Идеальное состояние решётки невозможно также при любой температуре, превышающей абсолютный нуль. При этом атомы и электроны хаотично колеблются относительно своих исходных положений, т.е. обладают некоторой тепловой энергией. Амплитуда и направление колебаний случайны и, вследствие обмена энергией между соседними атомов, энергия хаотических тепловых колебаний электронов в некоторые моменты времени оказывается достаточной, чтобы они преодолели притяжение ядра и покинули атом. Такие электроны называются свободными или электронами проводимости, т.к. способны направленно двигаться под действием электрического поля. Свободными становятся, прежде всего, валентные электроны, наиболее удалённые от ядра и наименее с ним связанные.

На месте валентного электрона, ставшего свободным, образуется так называемая дырка – микрообласть с зарядом +q*, в которой отсутствует валентный электрон. Заряд появляется здесь вследствие нарушения равенства суммарного заряда электронов атома и заряда его ядра. Процесс образования свободного электрона и дырки, или электронно-дырочной пары, называется генерацией, рис. 2а. Если генерация обусловлена тепловыми движениями атомов, то это термогенерация. Генерация может вызываться и получением кристаллом других видов энергии, например, световой при освещении полупроводника.

Рис. 2

Одновременно с генерацией происходит обратный процесс – рекомбинация. При этом перемещающийся по полупроводнику свободный электрон попадает в область дырки, восстанавливает ковалентную связь и вновь становится валентным. Восстанавливается валентная связь и электрическая нейтральность данной микрообласти, свободный электрон и дырка исчезают, рис. 2б. В собственном полупроводнике генерация и рекомбинация свободных электронов и дырок происходит только парами, поэтому собственная концентрация свободных электронов n_i и собственная концентрация дырок p_i равны. Генерация происходит за счёт поглощения внешней энергии. Рекомбинация сопровождается её выделением, так как свободный электрон, превращаясь в валентный, теряет часть своей энергии. В частности, при рекомбинации полупроводник может светиться, что используется в светодиодах.

Дырка, как и свободный электрон, считается подвижным носителем заряда. При перемещении дырка заполняется не свободным, а соседним валентным электроном. Валентный электрон при этом остаётся валентным, его энергия не изменяется. Дырка исчезает на прежнем месте и возникает на новом месте, т.е. перемещается. Хотя при этом фактически перемещаются валентные электроны, воспринимается это, как перемещение единичного положительного заряда. Таким образом, перемещение зарядов в полупроводнике, т.е. возникновение тока, вызывается независимым друг от друга движением свободных электронов и дырок. Поэтому ток в полупроводниках может иметь как электронную I_n, так и дырочную I_p составляющие. Движение дырки поясняет рис. 3.

* q – элементарный, или единичный электрический заряд, равный 1,6*10^-19 Кл. Заряд электрона равен –q, дырки +q.

Рис. 3

Наряду с подвижными зарядами важную роль имеют неподвижные заряды – ионизированные атомы веществ, чаще всего примесей. Ионами называют атомы, утратившие часть своих электронов (положительные ионы) или захватившие посторонние электроны (отрицательные ионы). Ионы в твёрдых веществах не способны перемещаться и создавать ток. Однако, как и любые другие электрические заряды, они способны создавать электрическое поле, влияющее на подвижные заряды.

1.3 Энергетические диаграммы

Энергетическая диаграмма – график с главной осью y, на которой откладываются значения энергии W электронов вещества, обычно в электрон-вольтах, (эВ). Ось x позволяет отобразить изменение энергии вдоль главной координаты, в направлении движения носителей заряда. На рис. 4 изображена энергетическая диаграмма собственного полупроводника для образца с длиной l. Серые области соответствуют возможным значениям энергии электронов (разрешённые зоны). Промежутки между ними – запрещённые зоны. Электронов, имеющих энергии, находящиеся в пределах запрещённых зон в веществе нет. Количество разрешённых и запрещенных зон в различных веществах различно.

В проводниках запрещённых зон нет вообще, в диэлектриках верхняя запрещённая зона очень широкая. Для полупроводников в электронике наиболее важны три верхних зоны (рис. 4). Самая верхняя из них, зона проводимости, соответствует энергиям свободных электронов. Под ней располагается запрещённая зона, электронов в которой нет*. Разрешённая зона ниже – валентная зона, соответствует энергиям валентных электронов.

* Часто используемое выражение «электрон находится в зоне…» указывает не на место его расположения в пространстве, а на значение его энергии.

На энергетической диаграмме можно отобразить важные величины:

W_з– ширина запрещённой зоны;

W_c – дно зоны проводимости;

W_v – потолок валентной зоны.

Рис. 4

Энергетические диаграммы позволяют также графически отображать состояния и процессы в полупроводниках [2]. Например, рис. 5 иллюстрирует генерацию и рекомбинацию в собственном полупроводнике.

Рис. 5

Очевидно, что для превращения валентного электрона в свободный электрон необходима энергия не меньше

W_з = W_c - W_v (1)

Чем шире запрещённая зона полупроводника, тем слабее термогенерация и меньше собственная концентрация свободных носителей заряда.

Такая же энергия выделяется при рекомбинации в виде тепла или света. Поэтому энергия кванта света hν при свечении полупроводника и, следовательно, цвет свечения определяются шириной запрещённой зоны:

hν = hc / λ = W_з, (2)

где h - постоянная Планка; ν, λ, c - частота, длина волны и скорость света.

Отсюда разнообразие полупроводников в светодиодах и в пикселах светодиодных экранов.

1.4 Электропроводность полупроводников

В физике полупроводников вместо понятий ток I и напряжение U удобнее пользоваться понятиями плотность тока J [А/м²] и напряжённость поля E [В/м]. В этом случае закон Ома имеет вид:

J = E/ρ (3) или J = σE, (4)

где ρ – удельное сопротивление [Ом/м], σ – удельная проводимость [См/м]. Очевидно, что электропроводность полупроводника тем больше, чем больше заряд свободных электронов и дырок -q и q, чем больше их концентрации n, p и чем быстрее они способны двигаться под действием электрического поля:

σ = q(µ_nn + µ_pp) (5)

Здесь µ_nи µ_p - коэффициенты подвижности свободных электронов и дырок – средние скорости их движения под действием электрического поля с напряжённостью 1 В/м.

Подстановка (5) в (4) даёт:

J = q(µ_nn + µ_pp)E (6)

Электронная и дырочная составляющие плотности тока складываются, так как противоположны и направления движения свободных электронов и дырок и знаки их зарядов.

Средняя скорость электронов (следовательно, и дырок) относительно невелика из-за столкновений электронов с атомами кристаллической решётки. При столкновениях часть кинетической энергии движущихся электронов передается атомам, чем вызывается выделение тепла в любой проводящей среде при протекании в ней тока.

Электропроводность собственного полупроводника быстро (экспоненциально) растёт с увеличением температуры, так как при этом усиливается термогенерация электронно-дырочных пар и растёт их концентрация.

1.5 Токи в полупроводниках

Дрейфовым током называется ток, обусловленный движением носителей заряда под действием электрического поля. Выражение (4) соответствует плотности дрейфового тока J_др. В общем случае дрейфовый ток может иметь электронную J_др._n и дырочную J_др._p составляющие.

Направленное движение носителей заряда может быть также результатом диффузии – повсеместно наблюдаемого физического явления. Диффузией называется движение любых подвижных частиц из области с большей в область с меньшей концентрацией, обусловленное их хаотическим тепловым движением. Если происходит диффузия заряженных частиц, наблюдается направленное перемещение зарядов, т.е. возникает диффузионный ток. Диффузионный ток невозможен в однородной среде, концентрация подвижных зарядов в которой везде одинакова, а также при нулевой абсолютной температуре.

Плотности электронного и дырочного диффузионного токов, обусловленных диффузией свободных электронов и дырок, описываются выражениями:

J_дф_._n = qD_n dn/dx (7), J_дф_._p = - qD_p dp/dx (8)

Здесь D_n и D_p – коэффициенты диффузии свободных электронов и дырок; dn/dx и dp/dx – градиенты концентрации свободных электронов и дырок.

Коэффициенты диффузии, как и коэффициенты подвижности, характеризуют среднюю скорость движения свободных электронов и дырок. Она зависит от количества столкновений электронов с атомами кристаллической решётки, а также от температуры, поскольку с ростом температуры растет скорость хаотического теплового движения. Поэтому коэффициент диффузии пропорционален коэффициенту подвижности и температуре:

D = µkT/q, (9)

где k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура.

Градиент концентрации – это вектор, величина которого равна скорости увеличения или уменьшения концентрации в некотором направлении. В общем случае он указывает направление наискорейшего увеличения концентрации или наискорейшего её уменьшения (антиградиент). В (7) и (8) используются одномерные градиенты, учитывающие изменение концентрации в главном направлении x.

На рис. 6 изображен образец полупроводника, в левой части p⁺ которого концентрация дырок больше, чем в правой части р.

Рис. 6.

Ниже построены зависимости концентрации и градиента концентрации дырок от координаты x. Очевидно, что в переходной области будет происходить диффузия дырок слева направо. В глубине областей, где полупроводник однороден, диффузии не будет.

Положительным направлением тока считается направление движения положительных зарядов (или обратное направлению движения носителей отрицательных зарядов). Именно так движутся дырки в образце, вдоль положительного направления x. Согласно (8), отрицательный градиент образца дал бы отрицательное значение плотности тока и току, если бы это выражение не имело знак «минус».

1.6 Особенности примесных полупроводников

В собственных полупроводниках концентрации свободных электронов и дырок равны (собственная концентрация n_i). Однако для электронных элементов и интегральных схем необходимы полупроводники с преобладанием свободных электронов (n – тип) и с преобладанием дырок (р – тип). Их называют также полупроводниками с электронной и дырочной проводимостью.

Чтобы получить полупроводник n – типа, в него при изготовлении кристалла добавляют донорную примесь. Атомы такой примеси имеют большую, чем сам полупроводник, валентность. Например, в кремний (число валентных электронов на внешней электронной оболочке равно 4) может быть добавлен фосфор (валентность 5). Это означает, что в полупроводнике появятся избыточные электроны, не участвующие в образовании связей между атомами. Такие электроны легко становятся свободными, достигается преобладание свободных электронов [2]. Преобладающие по количеству носители называются основными. Неосновных носителей обычно на несколько порядков меньше.

На рис. 7 изображена энергетическая диаграмма полупроводника n – типа.

Рис. 7

Донорная примесь порождает разрешённые уровни в запрещённой зоне, вблизи дна зоны проводимости.

Электроны с таким уровнем энергии становятся свободными при приобретении очень небольшой дополнительной энергии, энергии активации W_акт. Поэтому активация примеси происходит уже при низких температурах, когда термогенерация подвижных носителей самим полупроводником незначительна. Зависимость концентрации свободных электронов n от температуры Т приобретает вид рис. 8.

Рис. 8

Участок 1 этой зависимости соответствует быстрому росту концентрации за счет активации примеси. Рост прекращается, когда будут активированы все атомы примеси (участок 2). В области высоких температур рост возобновляется за счёт усиления термогенерации атомами самого полупроводника (участок 3).

На этом же рисунке показана экспоненциальная зависимость концентрацииn_i для собственного полупроводника. По сравнению с ним примесный полупроводник обладает большим достоинством – наличием обширного участка 2 с практически неизменной концентрацией и проводимостью в большом диапазоне температур T₁ – T₂. Выбирая концентрацию донорной примеси N_д при изготовлении можно получать желательные и стабильные параметры полупроводника в необходимом диапазоне температур. При этом обеспечивается соотношение:

n = N_д+ n_i≈ N_д= const (10)

Аналогичные изменения происходят при добавлении акцепторной примеси для изготовления полупроводника р – типа. Такая примесь, например бор с валентностью 3, имеет меньшую, чем кремний, валентность, что приводит к дефициту валентных электронов. Достигается преобладание дырок. Появление акцепторных атомов приводит к появлению разрешённых уровней в запрещённой зоне вблизи потолка валентной зоны, рис. 9.

Рис. 9

Эти уровни легко заполняются валентными электронами, для чего требуется небольшая дополнительная энергия активации W_акт. Температурная зависимость концентрации дырок такая же, как и у полупроводника n – типа. На термостабильном участке выполняется аналогичное (10) соотношение:

p = N_а+ n_i ≈ N_а= const, (11)

где N_а– концентрация акцепторной примеси.

На рис. 10 изображены фрагменты кристаллических решёток с донорным (рис. 10а) и акцепторным (рис. 10б) атомом.

Рис. 10

При утрате одного из пяти валентных электронов донорного атома он превращается в положительно заряженный ион. Суммарный заряд этого иона и порождённого донорным атомом свободного электрона равен нулю, полупроводник остаётся электрически нейтральным. Однако, если свободный электрон исчезнет, например в результате рекомбинации, заряд иона становится «заметным», электрическая нейтральность нарушается. Такие ионы называются нескомпенсированными ионами донорной примеси. Каждый такой ион, как и дырка, имеет заряд +q, однако в отличие от дырки является неподвижным зарядом. Чем больше таких ионов, тем сильнее создаваемое ими электрическое поле, которое влияет на процессы в полупроводнике.

Аналогично, при захвате акцепторным атомом недостающего валентного электрона, он превращается в отрицательно заряженный ион. Возникшая при этом дырка уравновешивает заряд иона, однако, если дырка исчезает из окрестности иона, ион становится нескомпенсированным ионом акцепторной примеси с зарядом –q. Суммарное электрическое поле таких ионов также влияет на процессы в полупроводнике.

1.7 Расчёт концентрации подвижных носителей заряда

Для определения собственной концентрации заданного полупроводника при заданной температуре можно воспользоваться формулой:

(12)

где N_C и N_V – эффективные плотности уровней в зоне проводимости и валентной зоне, φ_З – ширина запрещенной зоны, φ_Т термический потенциал.

В неё входит ряд констант, определённых для используемых в электронике полупроводников с высокой точностью и приводимых как в научной, так и в учебной литературе. Кроме того, в литературе часто указываются значения n_i для основных полупроводников при комнатной температуре Т_комн . При такой температуре для кремния n_i ≈ 10¹⁰см^-3. Обращает на себя внимание ничтожность этой величины по сравнению с концентрацией атомов самого полупроводника N_ат ≈ 10²³см^-3.

Если известна концентрация примеси, например, донорной примеси N_ди полупроводник используется в диапазоне температур, обеспечивающем стабильность параметров, для определения концентрации основных носителей можно воспользоваться формулой (10). При типичной для полупроводниковых элементов концентрации примесей 10¹⁸см^-3концентрация основных носителей n будет такой же. Концентрацию неосновных носителей р можно найти из соотношения:

np = n_i² (13)

Это соотношение отражает очевидный факт: если температура неизменна (n_i = const), то чем больше основных носителей, тем меньше неосновных, так как с ростом концентрации основных носителей возрастает вероятность их встречи с неосновными носителями и их рекомбинации.

Для рассматриваемого примера для кремния при комнатной температуре из (13) следует:

p = n_i²/n= 10² см^-3

Обращает на себя внимание ничтожность концентрации неосновных носителей 10² см^-3по отношению к концентрации основных носителей 10¹⁸см^-3. Тем не менее, неосновные носители часто являются главными факторами процессов в электронных элементах и интегральных схемах.

12 3 4 5 6 Следующая ⇒