Електричні явища в контактах (стр. 2 )

(10.2.2)

Нижній індекс "0" у формулі вказує на відсутність зовнішнього джерела електричного поля.

Пряме зміщення p-n-переходу

Приєднаємо зовнішнє джерело напруги позитивним полюсом до p-області та негативним до n-області, рис. 10.2.1.г. Такий спосіб називається прямим зміщенням p-n-переходу. Частина електронів витягується полем джерела з глибини р-області на позитивний електрод. Внаслідо цього у валентній зоні цієї області виникають додаткові дірки, і частина електронів отримує можливість опуститися з іонізованих акцепторних атомів у валентну зону. Отже, від’ємний заряд іонізованих акцепторів у р-області зменшується. Подібні процеси в n-області зменшують позитивний заряд іонізованих донорів. Поле p-n-переходу зменшиться , де – напруженість власного поля p-n-переходу, а Е – поле, створене зовнішнім джерелом. Різниця потенціалів теж виявляється меншою ніж у відсутності джкрела, тобто зменшиться і висота потенціального бар’єра, рис. 10.2.1.в, нижня крива. Число основних носіїв, які мають теплову енергію, достатню для подолання бар’єра, зростає, тому дифузійний струм теж зростає. Уведення носіїв заряду крізь електронно-дірковий перехід з області, де вони є основними, в область, де вони є неосновними, внаслідок зниження потенціального бар’єра називається інжекцією (вприскуванням). Якщо концентрації донорів та акцепторів по різні боки від переходу неоднакові, то переважає інжекція з області, де концентрація домішок більша. Така інжекція називається монополярною, а область кристала, із якої вона відбувається, називається емітером. Область, у яку носії інжектуються, називається базою.

Якщо різниця потенціалів, утворена зовнішнім джерелом, менша ніж внутрішня контактна різниця потенціалів, то потенціальний бар’єр усе ще існує, тобто струм неосновних носіїв (дрейфовий струм) залишається практично насиченим. Таким чином, у випадку прямого включення зовнішнього джерела у колі протікає струм

. (10.2.3)

Якщо потенціальний бар’єр не компенсується цілком за рахунок зовнішнього поля , то концентрація носіїв заряду в області p-n-переходу залишається все ще незначною й опір цієї області значно перевищує опір решти кристала. За цієї умови можна вважати, що вся напруга U зовнішнього джерела припадає на область p-n-переходу і висота потенціального бар’єра . Прямий струм крізь перехід

, (10.2.4)

де враховано співвідношення (10.2.2).

Зворотне зміщення p-n-переходу

Підключимо джерело напруги у зворотному напрямку, тобто плюсом до n-області, а мінусом до р-області, рис. 10.2.1.д. Тепер зовнішнє та власне поле переходу мають однаковий напрямок і загальне поле . Відповідно, напруга , тобто висота потенціального бар’єра зросте порівняно з випадком без джерела струму (верхня крива на рис. 10.2.1.в). Потік основних носіїв крізь p-n-перехід зменшується і з подальшим зростанням зовнішнього поля практично зникає. Струм існуватиме лише за рахунок дрейфу неосновних носіїв, який є струмом насичення. Отже, зворотний струм дорівнює

, (10.2.5)

що дає

(10.2.6)

Вольтамперна характеристика p-n-переходу

Вольтамперна характеристика p-n-переходу, тобто графічна залежність струму від прикладеної зовнішньої напруги для ідеалізованого р-п-переходу визначається формулами (10.2.4) та (10.2.6), рис. 10.2.2. Масштаб для зворотної вітки збільшено. Для прямого зміщення експоненціальний член у (10.2.4) вже при незначній зовнішній напрузі значно перевищуватиме одиницю. Наприклад, для напруги та кімнатної температури експоненціальний член дорівнює . Тобто для зовнішньої напруги в декілька десятих вольт можна знехтувати одиницею в (10.2.4), яка відповідає за внесок неосновних носіїв.

Рис. 10.2.2. ВАХ p-n-переходу.

При виведенні формули для прямого струму електричний опір напівпровідника за межами p-n-переходу не враховувався. Однак, із збільшенням прямої напруги опір в області просторового заряду спадає внаслідок зростання концентрації носіїв у ньому і стає відчутним вплив опору за межами р-п-переходу. В результаті прямий струм зростатиме повільніше, ніж це передбачає формула (10.2.4), й експоненціальна залежність для прямого струму поступово переходить у лінійну (штрихована лінія на рис. 10.2.2).

Зворотна вітка ВАХ внаслідок від’ємного знаку показника експоненти, тобто припинення дифузійного струму вже при незначній зовнішній напрузі переходить у практично горизонтальну залежністьк. Зворотний струм складає декілька мікроампер.

Пробій p-n-переходу

Подальше збільшення зворотної напруги викликає електричний пробій p-n-переходу, тобто різке зростання зворотного струму, рис. 10.2.2. Електричний пробій виникає внаслідок лавинного розмноження вільних електронів, а з ними й дірок. Термічно звільнений електрон прискорюється в полі зворотно зміщеного p-n-переходу і, зрештою, отримує енергію, достатню для вибивання вторинних електронів. Зворотно зміщений p-n-перехід має підвищену ширину (рис. 10.2.1.д), тому процес вибивання електронів може багатократно повторюватися, що спричиняє лавиноподібне наростання концентрації електронів та дірок і тим відповідне збільшення зворотного струму.

Електричний пробій є оборотним явищем, тобто по вимиканню зовнішньої напруги властивості p-n-переходу відновлюються. Якщо величину зворотного струму не обмежувати, то електричний пробій переходить у тепловий пробій. Останній розвивається внаслідок нагрівання p-n-переходу теплом Джоуля. З підвищенням температури зростає швидкість теплової генерації електронно-діркових пар та відповідне збільшення зворотного струму крізь р-n-перехід. Це, у свою чергу, призводить до ще більшого зростання температури і т. д. Процес нагадує електричний пробій з тією відмінністю, що у випадку теплового пробою основну роль у лавинному розмноженні носіїв струму відіграє термічна генерація носіїв струму, а не польова, як у електричному пробої. При тепловому пробої внаслідок сильного розігрівання структура кристала руйнується й р-п-перехід необоротно виходить із ладу.

Ємність p-n-переходу

Електронно-дірковий перехід – це високоомна область, у якій існує подвійний зарядовий шар іонізованих домішок. Різниця потенціалів на р-n-переході залежить від його заряду, тому електричні властивості р-n-переходу можна описати електроємністю. Р-n-перехід можна розглядати як конденсатор, обкладками якого є зарядові шари p-n-переходу. Для зворотно зміщеного р-n-переходу цей параметр називається бар’єрною ємністю й описується формулою для плоского конденсатора . На відміну від звичайного конденсатора, ємність якого не залежить від прикладеної напруги, бар’єрна ємність якраз залежить від зворотної напруги. Зі збільшенням напруги зростає товщина p-n-переходу. Це еквівалентно збільшенню відстані між обкладками конденсатора, а звідси й відповідному зменшенню його ємності. Ця властивість p-n-переходу використовується у варикапі – приладі, ємність якого можна змінювати, прикладаючи сталу зворотну напругу необхідної величини.

Крім бар’єрної, існує дифузійна ємність. Вона спричинена вільними зарядами, які накопичуються у приконтактному шарі прямо зміщеного p-n-переходу. Таким чином, дифузійна ємність є важливою для прямо зміщеного, тоді як бар’єрна – для зворотно зміщеного p-n-переходу.

10.3. Перехід метал-напівпровідник

В електронних приладах, крім напівпровідникових контактів, використовуються контакти напівпровідника з металом. Властивості цих контактів залежать від співвідношення між роботою виходу з металу , з напівпровідника та від типу провідності напівпровідника. Комбінуючи значення цих параметрів, можна отримати контакт, який, подібно до p-n-переходу, має односторонню провідність – бар’єр Шотткі, або контакт, який однаково добре проводить струм в обох напрямках – омічний контакт. Останній термін означає, що проходження струму крізь контакт підпорядковується законові Ома.

Бар’єр Шотткі

На рис. 10.3.1.а наведено енергетичні діаграми металу та п-напівпровідника до контакту між ними у випадку, коли робота виходу з металу перевищує роботу виходу з напівпровідника (). Енергія відраховується від рівня вакууму. Для енергій Фермі маємо , і .

Рис. 10.3.1. Утворення бар’єра Шотткі у контакті металу з напівпровідником n-типу: а) до контакту; б після контакту.

По утворенні контакту електрони переходять із напівпровідника в метал, внаслідок чого енергія електронів, що залишились у напівпровіднику, зменшується (збільшується за модулем, будучи від’ємною), а в металі вона, навпаки, зростає. Напрямки зміщення зон на рисунку показано стрілками. Внаслідок значної густини квантових станів у металі надлишкові електрони розміщуються у вузькому приконтактному шарі, тоді як індукований контактом позитивний заряд іонізованих донорів у напівпровіднику розподілиться в шарі значно більшої товщини внаслідок значно меншої концентрації донорів, порівняно з атомами основної речовини. На відміну від металу, концентрація іонізованих донорів, а відтак і величина поля плавно спадає вглиб напівпровідника. Це приконтактне поле дає відповідну добавку до енергії електронів у напівпровіднику, внаслідок чого енергетичні рівні їх плавно викривлюються, як це видно з рис. 10.3.1.б. Як і у випадку p-n-переходу, рівновага наступає, коли у процесі релаксації фермійові рівні металу та напівпровідника матимуть однакову енергію.

Внаслідок зміщення вверх енергетичні рівні донорів поблизу контакту опиняються вище рівня Фермі (спільного для контакту), що означає їх повну іонізацію. Електрони, вивільнені з донорів у тепловому процесі, як основні носії виштовхуються полем углиб напівпровідника. Приконтактний шар напівпровідника, збіднений основними носіями, має значний опір. Приєднання зовнішного джерела напруги позитивним полюсом до металуи і негативним до напівпровідника призведе до зменшення загального поля в області просторового заряду. В результаті зменшиться висота потенціального бар’єра, тобто більша кількість електронів отримає можливість переходити із глибини напівпровідника до металу. Якщо джерело включити у зворотному напрямку, тобто плюсом до напівпровідника, мінусом до металу, то внутрішнє та зовнішнє поле мають однаковий напрямок, і висота потенціального бар’єра зросте. Таким чином, розглянутий контакт, як і у випадку p-n-переходу, проявляє односторонню провідність. Перехід метал-напівпровідник називається переходом Шотткі або ж бар’єром Шотткі на честь ученого, який дослідив та впровадив у практику прилади на його основі.

Рис. 10.3.2. Утворення бар’єра Шотткі у контакті металу з напівпровідником р-типу: а) до контакту; б) після контакту.

На рис. 10.3.2 зображено схему утворення переходу Шотткі на контакті метал-напівпровідник р-типу. Схема енергетичних рівнів зображена тут і далі не так детально, як у попередньому випадку. Наведено лише положення рівнів Фермі, дна зони провідності, вершини валентної зони напівпровідника та енергетичний рівень домішки. Енергетичний бар’єр тут утворюється за умови, протилежної до попередньої, тобто для . Тепер електрони переходять од металу до напівпровідника і, заповнюючи енергетичні стани акцепторів, іонізують їх. Приконтактний шар напівпровідника виявляється збідненим основними носіями – дірками. Пряме зміщення переходу виникає, якщо приєднати джерело струму плюсом до напівпровідника й мінусом до металу. Носіями струму в напівпровіднику для прямо зміщеного переходу є дірки. Необхідно мати на увазі, що на рис.  зображено енергетичні діаграми для електронів. Вигляд потенціального бар'єра для дірок можна уявити, дзеркально відбивши енергетичні криві відносно горизонтальної площини.

Безбар’єрні (омічні) контакти

Розглянемо дві інші комбінації типів провідності напівпровідника та відношення робіт виходу. На рис. 10.3.3 зображено контакт металу з напівпровідником n-типу для випадку . У процесі релаксації електрони переходять із металу до напівпровідника, внаслідок чого в приконтактній області останнього виникає збагачений електронний шар, тобто концентрація вільних електронів тут виявляється більшою ніж у глибині його. На відміну від випадків, зображених на рис. 10.3.1, 3.10.2, потенціальний бар’єр для електронів тут не утворюється, про що свідчить характер викривлення енергетичних рівнів у напівпровіднику. Такий контакт називається антизапірним або омічним. Він однаково добре пропускає струм в обох напрямках, підпорядковуючись законові Ома.

Рис. 10.3.3. Омічний контакт металу з напівпровідником n-типу: а) до контакту; б) після контакту.

На рис. 10.3.4 зображено омічний контакт, утворений між металом та напівпровідником р-типу за умови . Тут відбувається перехід електронів із напівпровідника у метал, що призводить до збільшення у приконтактній області напівпровідника концентрації основних носіїв – дірок. Отже, перехід Шотткі виникає у випадку, коли приконтактна область напівпровідника збіднюється основними носіями. Якщо ця область, навпаки, збагачується основними носіями, то виникає омічний контакт. Антизапірна властивість омічних контактів використовується для створення виводів від окремих областей напівпровідникових кристалів.

Рис. 10.3.4. Омічний контакт металу з напівпровідником p-типу.

10.4. Напівпровідникові діоди

Загальні характеристики

Напівпровідниковий діод – це прилад з одним p-n-переходом у напівпровіднику. До його р- та n-областей припаюються виводи з металу, які утворюють з матеріалом напівпровідника омічні контакти. Вся система герметизується. За функціональним призначенням діоди поділяються на випрямні, універсальні, імпульсні, стабілітрони, тунельні діоди, фотодіоди, світлодіоди та ін. Спільними властивостями напівпровідникових діодів незалежно від конкретного застосування є:

1) одностороння провідність, тобто прямий струм значно перевищує зворотний струм;

2) нелінійна залежність сили струму від прикладеної напруги;

3) експоненціальна залежність як прямого, так і зворотного струму від температури. Зростання прямого струму з температурою пояснюється збільшенням числа основних носіїв, які мають кінетичну енергію, достатню для переходу над потенціальним бар’єром. Зростання зворотного струму зумовлено збільшенням концентрації неосновних носіїв внаслідок теплової генерації електронно-діркових пар.

Випрямні напівпровідникові діоди

Ці прилади застосовуються для випрямлення змінного струму. До випрямних діодів не ставиться яких-небудь особливих вимог. На рис. 10.4.1.а зображено позначення випрямного діода у схемах. Провідник, приєднаний до p-області, називається анодом, до n-області – катодом. Вершина трикутника, розміщена на осі схеми, вказує на напрямок прямого струму.

Рис. 10.4.1. Випрямний напівпровідниковий діод та його застосування: а) умовне позначення; б) найпростіший випрямляч; в) форма вхідного та випрямленого струму.

На рис. 10.4.1.б наведено схему найпростішого випрямляча змінного струму. Випрямлений струм має пульсуючий характер, рис. 10.4.2.в. Для зменшення амплітуди змінної компоненти струму застосовуються фільтри, до складу яких входять конденсатори та котушки індуктивності – дроселі. У випрямлячах малої потужності в якості фільтра використовуються конденсатори та резистори (RC-фільтри нижніх частот, п. 14.9).

Напівпровідниковий стабілітрон

Напівпровідникові стабілітрони або опорні діоди використовуються для стабілізації напруги. Робота їх ґрунтується на явищі електричного пробою, який виникає у зворотно зміщеному p-n-переході. На рис. 10.4.2.а зображено ділянку ВАХ, яка відповідає режимові електричного пробою. Характерною особливістю її є наявність практично горизонтальної ділянки. До основних параметрів стабілітрона відносяться:

1) напруга стабілізації , тобто напруга на діоді для заданого струму стабілізації (одиниці – десятки вольт);

2) мінімальний струм стабілізації , який відповідає початку практично горизонтальної області ВАХ;

3) максимальний струм стабілізації  – значення струму, для якого гарантовано не виникає теплового пробою;

4) диференціальний опір визначається для заданої напруги стабілізації (частки Ом – тисячі Ом).

Рис. 10.4.2. Напівпровідниковий стабілітрон: а) ВАХ; б) параметричний стабілізатор напруги.

На рис. 10.4.2.б наведено принципову схему стабілізатора з використанням напівпровідникового стабілітрона – параметричного стабілізатора напруги. Стабілітрон D приєднується до джерела випрямленої нестабілізованої напруги . Баластний опір необхідний для обмеження струму крізь діод. Опір його вибирається з таким розрахунком, аби максимальне значення струму , яке має місце для , не перевищувало .

Діод Шотткі

Діоди на основі контакту метал-напівпровідник мають суттєві переваги над діодами на основі p-n-переходу. У них значно менша електроємність переходу та практично відсутній струм неосновних носіїв заряду. Мала ємність переходу (частки пФ) дозволяє застосовувати діоди Шотткі у високочастотних колах. Відсутність неосновних носіїв поліпшує високочастотні характеристики приладів внаслідок відсутності часу затягування, необхідного у р-п-переході для рекомбінації їх із основними носіями впродовж інжекції. В діоді Шотткі відсутні рекомбінаційні шуми, характерні для p-n-переходу. Джерелом цих шумів є флуктуації у рекомбінаційних процесах. Завдяки цим властивостям переходи Шотткі стали невід’ємними елементами високочастотних кіл та цифрових інтегральних мікросхем.

Фотодіод

Фотодіод – це напівпровідниковий діод, струм у якому виникає внаслідок генерації електронно-діркових пар при поглинанні світла. Фотодіод теж містить структуру p-n-переходу. В корпус фотодіода вмонтовано прозоре віконце, крізь яке світло попадає на кристал. На рис. 10.4.3.а освітлюється n-область кристала. Для ефективної роботи фотодіода важливо, аби фотогенерація електронно-діркових пар відбувалася поблизу p-n-переходу, тому товщина області, що освітлюється, незначна.

Фотодіод можна вмикати у схему двома способами: 1) фотогенераторний (вентильний) режим – без використання зовнішнього джерела, рис. 10.4.3.б; 2) режим із використанням зовнішнього джерела живлення – фотодіодний режим, рис. 10.4.3.в. Якщо енергія світлових квантів перевищує ширину забороненої зони кристала, то при поглинанні їх в області p-n-переходу виникають електронно-діркові пари. Цей процес називається фотогенерацією носіїв заряду або внутрішнім фотоефектом. Останній термін підкреслює, що електрони не виходять за межі кристала, як у випадку зовнішнього фотоефекту, а лише переходять у зону провідності.

Рис. 10.4.3. Напівпровідниковий фотодіод: а) структурна схема; 6) вентильний режим вмикання; в) фотодіодний режим.

Розглянемо роботу фотодіода у вентильному режимі, рис. 10.4.3.б. В освітленій n-області виникають додаткові вільні електрони та дірки. Дірки, як неосновні носії, втягуються полем переходу на протилежний бік, нейтралізуючи частину від’ємного заряду акцепторних іонів. Висота потенціального бар’єру знижується, що спричиняє збільшення числа основних носіїв, які мають енергію, достатню для надбар’єрного переходу. Цей дифузійний процес призводить до зменшення концентрації електронів у n-області й одночасно дірок у p-області. Зарядова рівновага порушується, і для її відновлення в n-область із зовнішньої частини електричного кола поступають електрони, а надлишкові електрони р-області виштовхуються з напівпровідника у зовнішнє коло. Ці процеси тривають доти, поки освітлюється p-n-перехід. Таким чином, у вентильному режимі роботи у замкненому колі струм виходить із n-області і входить у р-область. ЕРС, яка виникає при опроміненні (фотоЕРС), дорівнює зміні різниці потенціалів, яка відбулася внаслідок опромінення p-n-переходу, тобто

,

де , з точністю до знаку відповідають внутрішній контактній різниці потенціалів на неосвітленому та освітленому p-n-переході, відповідно.

У фотодіодному режимі в коло вмикається джерело сталої напруги, а фотодіод вмикається у зворотному напрямку. В темноті крізь фотодіод проходить незначний зворотний, так званий темновий струм ( для кремнієвого діода). В освітленому p-n-переході концентрація носіїв заряду збільшується, тобто зменшується його опір. Це призводить до зростання струму в колі. Якщо опір навантаження значно менший від опору освітленого фотодіода, то величина фотоструму пропорційна інтенсивності світла, тобто напруга на навантаженні пропорційна величині фотоструму.

10.5. Біполярний транзистор

Основні поняття

Біполярний транзистор – це прилад, основою якого є напівпровідниковий кристал із двома зустрічними p-n-переходами. Існує два типи транзисторів: pnp- та npn-структури, відповідно до двох варіантів чергування р- та n-областей, рис. 10.5.1. На рисунку також наведено умовні позначення цих типів транзисторів. Середня область називається базою (б), крайні області з однаковим типом провідності – емітером (е) та колектором (k). До кожної області припаяно провідники з матеріалів, які утворюють омічні контакти. Р-n-перехід, який примикає до емітера, називається емітерним, інший – колекторним. Якщо порівнювати з електровакуумним тріодом, то емітер виконує функцію катода, база – керуючої сітки, а колектор – анода.