Практикум по микроэлектронике (стр. 41 )

Рис. 39. Диаграмма, поясняющая формирование обратной ветви вольтамперной характеристики pn перехода при тепловом пробое.

Как видно из рис. 39, при тепловом пробое на обратной характеристике pn перехода возникает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке имеет место возрастание тока при уменьшении напряжения (неустойчивость тока). Если не принять специальных мер для ограничения тока, то диод выходит из строя. Предпосылкой для возникновения теплового пробоя служат большие значения обратного тока, поэтому этот тип пробоя легче возникает в приборах, изготовленных на основе материалов с небольшой шириной запрещенной зоны. Так, например, в высоковольтных германиевых диодах он может иметь место уже при комнатных температурах. В диодах на основе Si и GaAs он может иметь место при высоких температурах, когда значения обратных токов становятся большими.

Тема 15. Выпрямительные диоды

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного напряжения в постоянное. Идеальный выпрямитель должен при одной полярности ток пропускать, при другой полярности не пропускать. Свойства полупроводникового диода близки к свойствам идеального выпрямителя, поскольку его сопротивление в прямом направлении на несколько порядков отличается от сопротивления в обратном. К основным недостаткам полупроводникового диода следует отнести: при прямом смещении - наличие области малых токов на начальном участке и конечного сопротивления толщи rs ; при обратном - наличие пробоя.

При электротехническом анализе схем с диодами отдельные ветви ВАХ представляют в виде прямых линий, что позволяет представить диод в виде различных эквивалентных схем. См. рисунок внизу. Выбор той или иной схемы замещения диода определяется конкретными условиями анализа и расчета устройства, включающего диоды.

Рассмотрим работу диода на активную нагрузку, соответствующая схема показана на следующем рисунке. Ток через диод описывается его вольтамперной характеристикой iд = f(uд) , ток через нагрузочное сопротивление, поскольку соединение последовательное, будет равен току через диод iд = iн = i и для него справедливо соотношение iн = (u(t) - uд)/Rн. На рисунке в одном масштабе показаны линии, описывающие обе эти функциональные зависимости: ВАХ диода и нагрузочную характеристику.

Как видно из рисунка, чем круче характеристика диода и чем меньше зона малых токов ("пятка"), тем лучше выпрямительные свойства диода. Заход рабочей точки в предпробойную область приводит не только к выделению в диоде большой мощности и возможному его разрушению, но и к потере выпрямительных свойств

.

Способы создания pn-перехода

При сплавной технологии изготовления диода или транзистора, электронно-дырочный переход образуется на границе раздела исходного кристалла и ре-кристаллизованной области, в которую происходило вплавление, см. нижний рисунок (а). На нижних рисунках (б) и (в) показаны различные способы изготовления PN перехода диффузией акцепторной примеси в кристалл N-типа.

На нижнем рисунке показан пример применения планарной технологии для изготовления транзистора. Эта технология получила широкое распространение и, в настоящее время, широко используется не только для диодов и транзисторов, но и интегральных схем.

Тепловое сопротивление полупроводниковых приборов.

Выделяющаяся в полупроводниковом приборе мощность приводит к его разогреву. Для характеристики разогрева вводят тепловое сопротивление Rт [o/Вт]

Tп - температура PN перехода, Тос - температура окружающей среды

Величина Rт зависит от конструкции прибора.

На нижнем рисунке показаны примеры конструкций диодов с различным сопротивлением: (слева-1,2-малой мощности) Rт = (100-200) °/Вт,

(справа-3-средней мощности) Rт = 1-10°/Вт.

Туннельный диод

Если P и N области диода сильно легированы (до вырождения), то ширина барьерного слоя становится очень узкой и электроны могут туннелировать через него.

На нижнем рисунке слева показаны вольтамперные характеристики туннельных диодов, справа - обращенных. Обращенными эти диоды называются, поскольку при малых смещениях у них при обратном смещении ток значительно выше, чем при прямом (инверсия выпрямления).

<>

На следующем рисунке показаны энергетические диаграммы, соответствующие различным точкам на ВАХ туннельного диода. Стрелками обозначены направления туннелирующих электронов (точки 2 и 3) и надбарьерный переход электронов и дырок (точка 5).

В точках 1 и 4 туннельные токи отсутствуют, так как электроны не могут туннелировать с занятого состояния на занятое и в запрещенную зону, в которой разрешенных состояний нет.

Полупроводниковая емкость (варикап)

Зависимость барьерной емкости pn-перехода от смещения

При приложении к диоду напряжения изменяются величина барьера и величина заряда в ОПЗ, обусловленная нескомпенсированным зарядом доноров и акцепторов. Это приводит к тому, что барьер обладает емкостью, которую называют барьерной. Для барьерной емкости справедлива формула плоского конденсатора:

Рассчитаем эту емкость, пренебрегая концентрацией свободных носителей заряда в ОПЗ, и, предполагая, что вся легирующая примесь ионизована. Для нахождения распределения потенциала в ОПЗ воспользуемся уравнением Пуассона.

Суммарный заряд в ОПЗ должен быть равен нулю:

При x=0 решение для потенциала, полученное при отрицательной координате, должно сшиваться с решением полученным при положительной координате.

<>

Добротность варикапа

На нижнем рисунке показана эквивалентная схема варикапа (1). Используя ее рассчитаем добротность конденсатора.

Тема 16. Биполярные транзисторы

Принцип работы.

Биполярный транзистор - трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии параллельными pn - переходами. Конструкции биполярного транзистора схематически показаны на рис. 50, там же приведены соответствующие обозначения. Как видно из рис. 50, транзистор состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина базовой области должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т. е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по дороге к коллектору.

Рис. 50. Структура и обозначения pnp и npn биполярных транзисторов.

На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для pnp транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для npn транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют.

Рис. 51. Диаграммы, поясняющие работу биполярных транзисторов: (а) смещение на переходах отсутствует; (б) эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном.

Для того, чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, коллекторный в обратном, соответствующие диаграммы показаны на рис. 51. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер, и из эмиттера в базу инжектируются дырки (в pnp транзисторе) или электроны (в npn транзисторе), инжектированные носители проходят и достигают коллектора. Между базой и коллектором барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора, таким образом инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. В то же время мощность, затраченная во входной эмиттерной цепи на создание тока, меньше мощности, которая выделяется в выходной коллекторной цепи, т. е. имеет место усиление мощности. Таким образом, входной сигнал, изменяя высоту потенциального барьера, модулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток и, соответственно, усиленный за счет энергии коллекторной батареи выходной сигнал.