Введение в твердотельную электронику

January 26, 2012 by admin Комментировать »

Транзистор изготавливается из полупроводникового материала двух различных типов. Для понимания работы транзистора необходимо рассмотреть некоторые свойства этого необычного класса материалов, называемых полупроводниками.

Полупроводники

По своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники. Класс, в который попадает тот или иной материал, зависит от поведения электронов на внешней орбите атома. В случае изолятора, такого как полиэтилен, эти валентные электроны прочно связаны с ядром, и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводнике, таком как медь, очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны совсем слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют.

Полупроводники являются необычными материалами. Полупроводником, чаще все применяемым в транзисторах, является кремний, хотя используется и германий. Оба эти элемента — четырехвалентные, то есть на внешней орбите их атомов находятся по четыре электрона. Кристаллы кремния и германия имеют очень ясную и стройную структуру, благодаря которой атомы удерживаются вместе в устойчивом образовании; говорят, что устойчивость обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным (инертные газы находятся в таком состоянии). Соседние атомы в кристалле кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в результате чего каждое ядро имеет «половинную долю» в восьми валентных электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными электронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов кремния схематически показана на рис. 1.6, а; каждая из указанных на рисунке связей между атомами представляет собой совместно используемый валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твердость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют такую же организацию ковалентных связей в кристалле. Алмаз действительно считается полупроводником, но прочность ко- валентных связей, которая и обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой электропроводности. Какое счастье, что для транзисторов мы имеем намного лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы!

Электроны и дырки

Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис. 1.6, а, существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из соседнего атома. На рис. 1.6, б представлен участок кристаллической решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и получившейся дыркой.

Наличие свободных электронов делает кремний проводником электричества, хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные электроны появляются на отрицательном выводе и могут передви-

 

Рис. 1.6. a — изображение ковалентных связей электрона в атомах кристалла кремния;

б — та же решетка кристалла, что и на рис. а, но со свободным электроном и дыркой, образованными тепловым возмущением.

гаться по полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке. Так устанавливается электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок, и проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что фактором, ограничивающим проводимость, является уже не отсутствие свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла. При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов увеличивается, и они в большей степени препятствуют движению свободных электронов. Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется собственной проводимостью.

Проводимость полупроводника с примесями

Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам. Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку, не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валентность этих атомов отличается от собственной валентности полупроводника, проводимость кристалла значительно возрастает. На рис. 1.7 показан результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния. Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния, а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость. Введение примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом проводимость называется примесной проводимостью. Пятивалентные примеси, такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип легированных полупроводников называют полупроводниками n-типа.

Рис. 1.7. Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом фосфора. Здесь имеется свободный электрон, способствующий проводимости (полупроводник и-типа).

Рис. 1.8. Кристаллическая решетка кремния с примесным атомом бора. Здесь имеется

свободная дырка, способствующая проводимости (полупроводник р-типа).

На рис. 1.8 показан эффект от введения в кремний трехвалентных атомов бора. Несмотря на то что атом бора имеет только три валентных электрона, он принимает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния для заполнения его ковалентных связей. Это приводит к образованию в решетке дырки или отсутствию электрона, и такая дырка может перемещаться, участвуя, таким образом, в обеспечении проводимости. На самом деле, конечно, при этом происходят перескоки валентных электронов, но результат заключается в том, что дырка переходит от атома к атому. Трехвалентные примеси, подобные бору, называют акцепторными, поскольку они, будучи введены в кристалл, способны принимать электроны. Так как теперь проводимость обусловлена положительными дырками, этот легированный полупроводник носит название полупроводника р-типа.

Важно понимать, что образец полупроводника как р-типа, так и «-типа сам по себе не обладает в целом электрическим зарядом. В любом случае общее число электронов уравновешивается таким же числом протонов в ядрах атомов. Обозначения р- и п- относятся только к типу зарядов, ответственных за проводимость внутри кристалла.

Основные и неосновные носители

Несмотря на то что наличие примеси в легированных полупроводниках является основной причиной проводимости, все же остается и собственная проводимость чистого полупроводника, вызванная нарушением ковалентных связей из-за тепловых колебаний. Таким образом, в материале «-типа кроме свободных электронов, обусловленных донорной примесью, имеется небольшое количество дырок, образовавшихся в результате тепловой генерации пар электрон—дырка. Аналогично в материале р-типа имеется немного электронов теплового происхождения. Носители зарядов, намеренно введенные путем легирования, называют основными носителями, тогда как носители зарядов (противоположного знака. — Примеч. перев.), возникающие в результате тепловых колебаний, называются неосновными.

Компенсация

Существует возможность преобразовать материал «-типа в материал /ьтипа и наоборот просто путем добавления соответствующей примеси в количестве, превышающем количество первоначальной примеси. Свободные электроны, присутствующие в материале «-типа, заполняют дырки в материале р-типа и исчезают. Этот способ, называемый компенсацией, широко используется при изготовлении транзисторов, где различные примеси диффундируют в кристалл на различных этапах производства.

р-n-переход

Работа полупроводникового прибора, такого как транзистор, определяется эффектами, имеющими место на границе между материалами р- и «-типа. На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представляет собой изменение материала с р-типа на «-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала /ьтипа и материала «-типа не возникает /?-«-переход.

На рис. 1.9 показан диод, представляющий собой /?-«-переход с металлическими контактами с каждой стороны. Под изображением перехода приведен график изменения потенциала на p-n-переходе. Как только переход образован, часть свободных электронов из области «-типа вблизи границы переходит в область р-типа и заполняет часть дырок в /ьобласти. На месте электронов остается область с некомпенсированным положительным зарядом. То же самое происходит в области р-типа, где возникает отрицательный заряд. Эти заряды образуют потенциальный барьер, препятствующий

Рис. 1.9. Условное обозначение полупроводникового диода, /?-и-переход с обедненным слоем и изменение потенциала.

дальнейшему перемещению электронов через переход, благодаря чему наступает равновесие. В результате такого начального перемещения дырок и свободных электронов вблизи /ья-перехода практически не остается свободных носителей. Эта область, шириной менее 1 мк, называется обедненными слоем.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты