Электронные приборы и устройства, использующиеся в радиоэлектронной аппаратуре.

Электроника и микроэлектроника.

Галев Александр Викторович

Литература:

1. Опадчий Ю.Ф. Гуров… Аналоговая и цифровая электроника (полный курс). Изд. Горячая линия-телеком 2003 г.

2. Прянишников В.А. Электроника – полный курс лекций СПб Корона Принт 2004 г.

3. Гусеев Электроника и микропроцессы техники. Москва, Высшая школа 2008 г.

4. Пасынков В.В. Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. СПб. Изд. Лань 2006 г.

Введение.

Электроника – наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов и ионов) с электромагнитными полями и методах создания электрических приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых (п/п)) использующихся в основном для передачи, обработки и хранения информации.

Возникла в начале 20 в. (ламповый диод 1904 г. Джон Флеминг – Англия, ламповый триод 1906 г. Ли Де Фостер – США, ламповый генератор sin колебаний 1913 Мейснер – Германия, супергетеродин 1917 г.).

1919 г. Впервые в мире амплитудная модуляция, т.е. голос в эфире.

Бони-Брусевич в Нижегородской лаборатории первоначально развивал электронно-вакуумные приборы.

С начала 50 гг. эффективно развивались твердотельные электроны. (полупроводниковый 1948 Ш…).

С начала 60-хх – микроэлектроника (интегральные микросхемы).

Электронные приборы и устройства, использующиеся в радиоэлектронной аппаратуре.

1.1. Физические основы полупроводниковых приборов.

1.1.1. Общие сведение о полупроводниках.

1.1.1.1. Виды полупроводников (п/п).

П/п называются приборы, действие которых основано на свойствах веществ, занимающих по электронной проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Удельная электропроводимость:

Проводников

П/п

Диэлектриков

Электрические свойства п/п зависят от внешних условий (°t, освещенности, внешних полей и т.д.)

Характеристическая особенность п/п – повышение электронной проводимости при увеличении °t (до 5-6 % на 1℃) и при введении примесей (до 10^-7…10^-9 % существенно изменяют (?)).

Для п/п широко используют германий(Ge), кремний(Si) и арсенид галия (GaAs).

Примеси B, P, As.

1.1.1.2. Структура п/п.

П/п имеют монокристаллическую структуру. Это означает, что по всему объему атомы размещаются в строго периодической последовательности и на определенном расстоянии друг от друга, образуя кристаллическую решетку алмазного типа, т.е. каждый атом окружают 4 других, находящиеся в вершинах правильного тетраэдра (Рис. 1).

Атом удерживается в узлах за счет валентных электронов, а связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами, по одному от каждого атома (ковалентная связь (Рис. 2)).

В итоге, внешняя орбита каждого из атомов имеет 8 электронов, и такое состояние является устойчивым.

1.1.2. Энергетические зоны.

Зависимость потенциальной энергии электрона от расстояния до ядра описывается функцией U(r), график которой близок к гиперболе (Рис. 3).

Энергия электрона, бесконечно удаленного от ядра равна 0. Потенциальная энергия зависит от расстояния до ядер соседних атомов (Рис. 4).

E – Энергетическая диаграмма.

r – Координатная направляющая.

Электроны внутренних оболочек (Е₁, Е₂, Е₃) находятся в глубоких потенциальных ямах, разделенных широкими и высокими потенциальными барьерами.

При сближении изолированных атомов, прежде всего, перекрываются свободные уровни, затем уровни валентных электронов и в последнюю очередь - внутренней оболочки.

Происходит расщепление энергетических уровней с образованием энергетических зон, каждые из которых состоят из множества густо расположенных уровней, образуя разрешенные зоны (зона проводимости и валентности), которые могут разделяться запрещенными зонами.

В зоне проводимости при t=0К электронов нет, но они могут появиться там при нагреве.

1.1.3. Энергетические диаграммы п/п, проводников и диэлектриков.

Электропроводимость п/п определяется направлением движения электронов под действием внешнего электрического поля.

Существенное отличие электрической проводимости п/п от проводников и диэлектриков объясняется различием их энергетических диаграмм (Рис. 5).

У проводников, валентная зона и проводимости частично перекрывается, поэтому электроны валентных уровней легко переходят на близлежащие свободные энергетические уровни.

Под действием внешнего поля они могут легко перемещаться.

У п/п валентная зона и зона проводимости разделяется неширокой запрещенной зоной

Ge DE=0.67 эВ;

Si DE=1.12 эВ;

GaAs DE=1.41 эВ;

Под действием электрического поля, теплового, светового и др. излучения возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости.

В этом случае, в валентной зоне возникают свободные энергетические зоны (дырки), а в зоне проводимости появляются свободные электроны (электроны проводимости). Этот процесс называется генерацией пары носителей заряда.

В итоге генерации, электроны могут перемещаться в зоне проводимости, а дырки в валентной зоне, что эквивалентно перемещению протонов (положительных зарядов), равных заряду электрона.

У диэлектриков, ширина запрещенной зоны значит

DE> 3 эВ.

1.1.4. Собственная электропроводность.

Эта электропроводность чистого п/п обусловлена генерацией пары носителей заряда электрон-дырка

Возвращающийся возбужденный электрон из зоны проводимости в валентную (исчезновение пары электрон-дырка) называется рекомбинацией. Она сопровождается выделением кванта энергии в виде фотона.

Генерация и рекомбинация происходит одновременно. В п/п устанавливается динамическое равновесие, определяемое равновесной концентрацией электронов и дырок.

При этом скорость генерации равна скорости рекомбинации и равна

Где

g_p- коэффициент рекомбинации.

n_i – концентрация свободных электронов.

p_i – концентрация дырок.

При повышении °t, концентрация свободных электронов возрастает по экспоненциальному закону.

Где

n₀ – коэффициент, учитывающий тип п/п.

ni – количество свободных электронов.

k – постоянная Больцмана.

T – абсолютная °t.

Процесс генерации-рекомбинации в п/п имеет вероятностный характер и описывается функцией или статистикой Ферми-Дирака

E_F – энергия или уровень Ферми, совпадающий с энергетическим уровнем, на котором вероятность нахождения электрона 50%.

Рис. 6 – энергетическая диаграмма и график распределения Ферми-Дирака для беспримесных п/п при различных °t.

Р – вероятность заполнения электронами соответствующих энергетических уровней.

Е_П – уровень дна зоны проводимости.

Е_В – уровень потолка валентной зоны.

Т=0К Все валентные уровни заполнены сверху Р=1.

Т=300К Р< 1, Р> 0

Т=∞ Р=0, 5

Ввиду малой ширины запрещенной зоны п/п, уже при комнатной температуре наблюдается заметная проводимость.

При отсутствии внешнего поля имеется хаотичное тепловое движение электронов и дырок.

При наличии поля, движение становится упорядоченным. Таким образом, проводимость п/п обусловлена перемещением, как свободных электронов, так и дырок.

В п/п различают проводимость n-типа и p-типа.

Подвижность (?) средней скорости перемещения электрических зарядов.

Подвижность зависит от типа п/п и типа носителей заряда.

У носителей n-типа она выше, чем у носителей p-типа.

1.1.5. Примесная электропроводность.

Введение примесей существенно меняет проводимость п/п.

Так, введение 5 валентной примеси в 4 валентный проводник позволяет получить донорную проводимость (n-типа), а 3 валентную в 4 валентную – акцепторную проводимость (p-типа).

1.1.5.1. П/п с донорной примесью (As).

В этом случае 4 валентных электрона образуют ковалентные связи, а 5-й, получив добавочную энергию, переходит с донорного уровня в зону проводимости (Рис. 7). В результате, электрон может перемещаться под действием внешнего электрического поля, а примесный атом становится положительным ионом.

Энергетическая диаграмма п/п n-типа приведена на Рис. 8.

В отличие от собственной п/п здесь (?) Ф-Д и уровень Ферми смещается вверх.

Это связано с тем, что энергетические уровни валентных электронов в 5 валентной примеси находятся вблизи зоны проводимости собственных п/п.

DЕ_n≈ 0, 05 эВ, т.е. мала, поэтому даже при комнатной температуре все электроны с примеси переходят в зону проводимости.

Концентрация электронов в зоне проводимости (?) n-типа.

Поэтому скорость рекомбинации ≈ концентрации электронов и дырок, т.е. равна g_рекn_np_n, скорость генерации при малой концентрации примеси примерно та же, что и в чистом п/п, т.е. равна , то при динамическом равновесии скорость генерации равна скорости рекомбинации и n_np_n= , т.е. равновесная концентрация дырок в примесном п/п определяется, как

Т.е. электронный состав подавляющего большинства носителей в проводнике n-типа, они называются основными носителями, а дырки – неосновными.

1.1.5.2. П/п с акцепторной примесью.

Трехвалентная примесь индия (In), который становится акцептором (Рис. 9).

Имеется свободный акцепторный уровень, который может быть заполнен электронами валентной зоны, после этого образуются дырки. Она может быть заполнена следующими электронами и т.д. Происходит как бы движение дырок в п/п. Примесный атом превращается в отрицательный ион.

Энергетическая диаграмма п/п показана на Рис. 10.

Видно, что кривая Ф-Д и уровень ферми смещен вниз, причина – 3 валентные примеси, имеющие энергетические уровни валентных электронов вблизи валентной зоны собственного п/п.

Величина DЕр≈ 0, 05 эВ, т.е. мала и электроны валентной зоны могут легко переходить на примесный уровень. В валентной зоне при этом появляется большее число дырок. Таким образом, появляется возможность перемещения электронов в валентной зоне, и повышение электропроводности, называемой дырочной.

Концентрация электронов

Электроны в данном случае являются не основными носителями, а дырки – основными носителями.

В п/п приборах могут протекать дрейфовые и диффузионные токи:

1.1.6.1. Дрейфовый ток. Он обусловлен действием электрического поля.

Если приложить внешнее электрическое поле, то наблюдается движение дырок от плюса к минусу, а электронов от минуса к плюсу.

1.1.6.2. Диффузионный ток.

Перемещение носителей заряда из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, т.е. наличие градиента концентрации.

Градиент концентрации электронов:

Суммарный диффузионный ток:

Он зависит от:

· Типа п/п;

· Концентрации примесей;

· Температуры;

· Состава кристаллической решетки.

При комнатной температуре:

	Ge	Si
Dn≈ …,
Dp≈ …,

Соотношения Эйнштейна:

1.1.7. Неравновесные носители заряда.

Концентрация носителей заряда в объеме п/п может меняться за счет:

1) Генерации и рекомбинации носителей.

2) При возбуждении электронов п/п (освещение, действие электрического и магнитного поля).

При возбуждении, концентрация подвижных носителей электронов n и p тапа превышает равновесную концентрацию n и p дырок. Этих носителей. (?).

Электроны и дырки проводимости, не находящиеся в т/д равновесии, называют неравновесными носителями заряда.

После прекращения возбуждения, избыточная концентрация носителей для электронов

Dn=n-n₀à 0

Dp=p-p₀à 0

В результате рекомбинации.

При этом, главную роль играют центры рекомбинации, так называемые ловушки, имеющие локальные энергетические уровни в запрещенной зоне.

Они в состоянии захватить электрон из зоны проводимости и дырку из валентной зоны, осуществляя их рекомбинацию.

Такими ловушками являются дефекты кристаллической решетки внутри и на поверхности п/п.

Время жизни неравновесных носителей заряда

Где τ _об и τ _пов – объемное и поверхностное время жизни неравновесных носителей.

τ _об уменьшается с увеличением:

· Плотности дефектов кристаллической решетки;

· Концентрации примесей в п/п.

Поверхность п/п так же содержит большое количество различных дефектов, которые соответствуют в запрещенной зоне, незанятые энергетические уровни, играют роль ловушек. (?).

τ _пов зависит от:

· Геометрии п/п.

· Состояния поверхности

· Подвижности носителей заряда.

Уменьшение начальной избыточной концентрации Dn(0) во времени подчиняется экспоненциальному закону.

Результирующая скорости спада избыточной концентрации равна:

Значение τ _n – время жизни избыточных носителей одинаково для электронов и дырок близки к времени жизни неосновных носителей.

Если известно τ _н, то можно определить среднее расстояние, которое проходят носители заряда.

Оно называется дифференциальной (?) длиной и обозначается L.

Так, для электронов

1.1.8. Уравнение непрерывности.

Концентрация носителей заряда зависит от координаты Х и от времени t.

Скорость изменения концентрации зависит от:

· Избыточной концентрации

· Градиента избыточной концентрации

· Пространственной производной градиента

Эта зависимость находится путем решения уравнения непрерывности. Для потока дырок в п/п n-типа оно следующее:

характеризует скорость изменения носителей заряда в элементе объема п/п, обусловленную неравенством втекающего и вытекающего потоков носителей.

Для дырок:

Это уравнение играет важную роль при анализировании процессов в п/п приборах.

1.1.9. Электронно-дырочный переход.

1.1.9.1. Общие сведения.

Электронно-дырочный или p-n переход (ЭДП) образован двумя областями п/п с разным типом проводимости, электронной и дырочной.

ЭДП нельзя создать просто соприкосновением п/п пластин n и p типа, ибо в этом случае невозможно обеспечить в месте соединения общей кристаллической решетки без дефектов.

Поэтому на практике, ЭДП получают путем введения в примесный п/п с противоположным типом проводимости специальными техническими методами (диффузионный, эпитаксиальный и т.д.).

По характеру распределения концентрации примесей различают резкие и плавные p-n переходы (Рис. 11-2).

В резком, толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n перехода, а в плавном (Рис. 11-2), толщина перехода сравнительно или меньше области изменения концентрации примеси по отношению к концентрации основных носителей заряда (или соответствует примеси в p и n областях).

Различают симметричные и несимметричные p-n переходы.

У симметричных концентрации основных носителей заряда примерно равны.

В п/п приборов обычно применяют несимметричные p-n переходы

(?) контакт (границы) называют плоскости, где изменяется тип примеси, преобладающей в п/п.

Одна из областей, образующих переход может быть мета(?).

Такой переход называют металл-проводник или переход Шоттки.

Если переход образован п/п с различной шириной – гетеропереход.

С однотипной шириной – гомо переход.

ЭДП используются в большинстве п/п приборов (диоды, полевые транзисторы – 1, биполярные транзисторы – 2).

1.1.9.2. Формирование p-n перехода.

Пусть p-n переход образован электронным контактом п/п n и p типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (Рис. 11а).

На границах областей возникает градиент концентрации электронов и дырок, поскольку концентрация электронов в n области выше, чем в p, то возникает диффузионный ток электронов из n в p область и, соответственно, по той же причине, ток дырок из p в n область.

В результате диффузии основных носителей в граничном слое происходит их рекомбинация.

Приграничная p область приобретает не скомпенсированный отрицательный заряд за счет отрицательных ионов, а n область - положительный заряд (положительные ионы).

Энергетическая диаграмма p-n перехода показана на Рис. 11б.

В p-n структуре, энергия уровня Ферми E_F должна быть повсюду одинакова

Поэтому валентная зона и зона проводимости p-n области смещаются относительно друг друга.

Концентрация дырок p(x) и электронов n(x) приведена на Рис. 11в.

В граничном слое возникает поле eзап, направленное из n в p область, тормозящее для основных и ускоряющее для неосновных носителей.

Внутренне электрическое поле p-n перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей, который направлен встречно диффузионному току основных носителей.

Если к п/п не приложено внешнее напряжение, то результирующий ток через p-n переход отсутствует (динамическое равновесие).

jк – препятствует перемещению основных носителей, т.е. создает им потенциальный барьер, для преодоления барьера, электроны должны обладать энергией .

При увеличении барьера, диффузионный ток убывает. Толщина слоя n, в котором действует внутренне электрическое поле, мала и определяет толщину p-n перехода (h< 10^-6 м).

Сопротивление этого слоя велико, поскольку он обеднен основными носителями. Поэтому его называют обедненным или запирающим слоем.

При одинаковых носителях в p и n области:

1.1.9.3. Прямое включение p-n перехода (Рис. 12а).

(?)

Практически все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление существенно выше остальных частей проводника.

Вне потенциального барьера (Рис.12 в) (?)уменьшается до величины j_к-υ _пр; ширина p-n перехода так же уменьшается.

h’< h.

Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный резко возрастает. Динамика равновесия нарушается, и через p-n переход протекает прямой ток

При увеличении U_пр, I_пр может возрастать до больших значений, поскольку обусловлен движением основных носителей заряда., концентрация которых велика и превышает концентрацию неосновных носителей на 3 и более порядка.

При прямом включении I_др< < I_диф

Движение основных носителей заряда через p-n переход при Uпр называется инжекцией.

Инжектированные носители диффундируют вглубь п/п, рекомбинируя с основными носителями в этой области.

Дырки проникают из p в n область, рекомбинируя с электронами, поэтому I_{диф p} постепенно спадает в n области до 0.

Аналогично I_{диф n}.

Суммарный ток во всех точках п/п неизменен.