Твердотельная электроника

Министерство образования и науки Российской Федерации

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Петрозаводский государственный университет»

 

Научно‑образовательный центр

«Фундаментальные проблемы

приложений физики низкотемпературной плазмы»

 

В. А. Гуртов

 

Твердотельная электроника

  Учебное пособие  

Гуртов, В. А.

ISBN 5‑8021‑0319‑1    

ББК 22.37

УДК 539.2

 

© В. А. Гуртов, 2004

© Петрозаводский государственный университет, 2004

ISBN 5‑8021‑0319‑1

Оглавление

Предисловие.. 10

Глава 1. Необходимые сведения из физики твердого тела и физики полупроводников.. 12

1.1. Зонная структура полупроводников. 12

1.2. Терминология и основные понятия. 13

1.3. Статистика электронов и дырок в полупроводниках. 15

1.3.1. Распределение квантовых состояний в зонах. 15

1.3.2. Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми. 17

1.4. Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике. 19

1.5. Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике. 21

1.6. Определение положения уровня Ферми.. 22

1.7. Проводимость полупроводников. 23

1.8. Токи в полупроводниках. 24

1.9. Неравновесные носители.. 25

1.10. Уравнение непрерывности.. 28

Глава 2. Барьеры Шоттки, p-n переходы и гетеропереходы 29

2.1. Ток термоэлектронной эмиссии.. 29

2.2. Термодинамическая работа выхода в полупроводниках p‑ и n‑типов. 32

2.3. Эффект поля, зонная диаграмма при эффекте поля. 33

2.4. Концентрация электронов и дырок в области пространственного заряда. 35

2.5. Дебаевская длина экранирования. 36

2.6. Контакт металл – полупроводник. Барьер Шоттки.. 37

2.7. Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении.. 39

2.8. Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки.. 40

2.9. Вольт‑амперная характеристика барьера Шоттки.. 42

2.10. Образование и зонная диаграмма р-n перехода. 44

2.10.1. Распределение свободных носителей в p‑n переходе. 45

2.10.3. Поле и потенциал в p‑n переходе. 47

2.11. Компоненты тока и квазиуровни Ферми в р‑n переходе. 50

2.12. Вольт‑амперная характеристика р‑n перехода. 53

2.14. Гетеропереходы.. 58

Глава 3. Физика поверхности и МДП-структуры... 66

3.1. Область пространственного заряда (ОПЗ) в равновесных условиях. 66

3.1.1. Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника в равновесных условиях 66

3.2. Заряд в области пространственного заряда. 71

3.2.1. Уравнение Пуассона для ОПЗ. 71

3.2.2. Выражение для заряда в ОПЗ. 73

3.2.3. Избыток свободных носителей заряда. 74

3.2.4. Среднее расстояние локализации свободных носителей от поверхности полупроводника 78

3.2.5. Форма потенциального барьера на поверхности полупроводника. 80

3.3. Емкость области пространственного заряда. 82

3.4. Влияние вырождения на характеристики ОПЗ полупроводника. 85

3.5. Поверхностные состояния. 87

3.5.1. Основные определения. 87

3.5.2. Природа поверхностных состояний. 88

3.5.3. Статистика заполнения ПС.. 89

3.6. Вольт‑фарадные характеристики структур МДП.. 91

3.6.1. Устройство МДП‑структур и их энергетическая диаграмма. 91

3.6.2. Уравнение электронейтральности. 94

3.6.3. Емкость МДП‑структур. 98

3.6.4. Экспериментальные методы измерения вольт‑фарадных характеристик. 99

Квазистатический C‑V метод. 100

Метод высокочастотных C‑V характеристик. 101

3.6.5. Определение параметров МДП‑структур на основе анализа C‑V характеристик 102

3.6.6. Определение плотности поверхностных состояний на границе раздела полупроводник – диэлектрик 106

3.7. Флуктуации поверхностного потенциала в МДП‑структурах. 111

3.7.1. Виды флуктуаций поверхностного потенциала. 111

3.7.2. Конденсаторная модель Гоетцбергера для флуктуаций поверхностного потенциала 114

3.7.3. Среднеквадратичная флуктуация потенциала, обусловленная системой случайных точечных зарядов 116

3.7.4. Потенциал, создаваемый зарядом, находящимся на границе двух сред с экранировкой 117

3.7.5. Потенциальный рельеф в МДП‑структуре при дискретности элементарного заряда 121

3.7.6. Функция распределения потенциала при статистических флуктуациях. 123

3.7.7. Зависимость величины среднеквадратичной флуктуации от параметров МДП-структуры 125

3.7.8. Пространственный масштаб статистических флуктуаций. 127

3.7.9. Сравнительный анализ зависимости среднеквадратичной флуктуации σ_ψ и потенциала оптимальной флуктуации 132

Глава 4. Полупроводниковые диоды... 135

Введение. 135

4.1. Характеристики идеального диода на основе p‑n перехода. 135

4.1.1. Выпрямление в диоде. 136

4.1.2. Характеристическое сопротивление. 137

4.1.4. Эквивалентная схема диода. 138

4.2. Варикапы.. 139

4.3. Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на характеристики реальных диодов 139

4.3.1. Влияние генерации неравновесных носителей в ОПЗ p-n перехода на обратный ток диода 140

4.3.2. Влияние рекомбинации неравновесных носителей в ОПЗ p‑n перехода на прямой ток диода 142

4.3.3. Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики. 144

4.3.4. Влияние температуры на характеристики диодов. 146

4.4. Стабилитроны.. 147

4.5. Туннельный и обращенный диоды.. 153

4.6. Переходные процессы в полупроводниковых диодах. 158

Глава 5. Биполярные транзисторы... 163

5.1. Общие сведения. История вопроса. 163

5.2. Основные физические процессы в биполярных транзисторах. 166

5.2.1. Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи. 167

5.3. Формулы Молла – Эберса. 169

5.4. Вольт‑амперные характеристики биполярного транзистора в активном режиме 171

5.5. Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой 172

5.6. Коэффициент инжекции.. 173

5.7. Коэффициент переноса. Фундаментальное уравнение теории транзисторов. 174

5.8. Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода. 177

5.9. Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода. 178

5.10. Коэффициент обратной связи.. 180

5.11. Объемное сопротивление базы.. 182

5.12. Тепловой ток коллектора. 183

5.13. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером.. 184

5.14. Эквивалентная схема биполярного транзистора. 187

5.15. Составные транзисторы. Схема Дарлингтона. 189

5.16. Дрейфовые транзисторы.. 191

5.17. Параметры транзистора как четырехполюсника. 196

h-параметры.. 196

5.18. Частотные и импульсные свойства транзисторов. 201

Глава 6. Полевые транзисторы... 213

6.1. Характеристики МОП ПТ в области плавного канала. 214

6.2. Характеристики МОП ПТ в области отсечки.. 217

6.3. Эффект смещения подложки.. 219

6.4. Малосигнальные параметры.. 221

6.5. Эквивалентная схема и быстродействие МДП‑транзистора. 223

6.6. Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик.. 225

6.7. Подпороговые характеристики МДП‑транзистора. 226

6.8. Учет диффузионного тока в канале. 228

6.9. Неравновесное уравнение Пуассона. 229

6.10. Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях. 231

6.11. Вольт-амперная характеристика МДП‑транзистора в области сильной и слабой инверсии 235

6.12. МДП‑транзистор как элемент памяти.. 240

6.13. МНОП‑транзистор. 242

6.14. МОП ПТ с плавающим затвором.. 244

6.15. Приборы с зарядовой связью.. 246

6.16. Полевой транзистор с затвором в виде р‑n перехода. 248

6.17. Микроминиатюризация МДП‑приборов. 252

6.18. Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию.. 254

6.19. Размерные эффекты в МДП‑транзисторах. 257

Глава 7. Тиристоры... 261

7.1. Общие сведения. 261

7.2. Вольт‑амперная характеристика тиристора. 263

7.3. Феноменологическое описание ВАХ динистора. 264

7.4. Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии.. 266

7.5. Зависимость коэффициента передачи α от тока эмиттера. 268

7.6. Зависимость коэффициента М от напряжения V_G. Умножение в коллекторном переходе 269

7.7. Тринистор. 270

7.8. Феноменологическое описание ВАХ тринистора. 271

Глава 8. Диоды Ганна.. 273

8.1. Общие сведения. 273

8.2. Требования к зонной структуре полупроводников. 273

8.3. Статическая ВАХ арсенида галлия. 276

8.4. Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением 279

8.5. Генерация СВЧ‑колебаний в диодах Ганна. 284

Глава 9. Классификация и обозначения полупроводниковых приборов 287

9.1. Условные обозначения и классификация отечественных полупроводниковых приборов 287

9.2. Условные обозначения и классификация зарубежных полупроводниковых приборов 292

9.3. Графические обозначения и стандарты.. 296

9.4. Условные обозначения электрических параметров и сравнительные справочные данные полупроводниковых приборов. 298

Основные обозначения.. 301

Обозначения приборных параметров.. 304

Приложение.. 308

1. Физические параметры важнейших полупроводников. 308

2. Работа выхода из металлов (эВ) 308

3. Свойства диэлектриков. 308

Список рекомендованной литературы... 309

 

Предисловие

 

Учебное пособие «Твердотельная электроника» представляет собой лекционный курс, который автор в течение длительного времени читает для студентов физико‑технического факультета Петрозаводского государственного университета. Это учебное пособие по структуре и содержанию для специальности 071400 «Физическая электроника» соответствует государственному образовательному стандарту высшего профессионального образования в разделе федерального компонента общепрофессиональных дисциплин ОПД.Ф.08 «Твердотельная электроника».

По другим направлениям и специальностям подготовки, ведущимся в Петрозаводском государственном университете, этот курс находится в рамках естественнонаучного компонента государственного образовательного стандарта, устанавливаемого вузом.

Для Петрозаводского государственного университета это следующие направления и специальности.

Направление 510400 «ФИЗИКА» по программам:

510403 – Физика конденсированного состояния вещества;

510404 – Физика полупроводников. Микроэлектроника.

Направление 553100 «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА», по программам:

553105 – Физическое моделирование структуры, свойств и техники получения материалов;

553117 – Электрофизические технологии.

Направление 552800 «ИНФОРМАТИКА И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА» по программам:

552826 – Автоматизированные системы научных исследований и комплексных испытаний;

552824 – Информационно-измерительные системы.

Специальность 010400 «Физика»;

Специальность 071400 «Физическая электроника»;

Специальность 220200 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»;

Специальность 190900 «Информационно-измерительная техника и технологии».

 

В предлагаемом учебном пособии рассмотрены физические основы работы твердотельных полупроводниковых приборов, использующих как явление инжекции носителей через p-n переходы, так и явления, связанные с эффектом поля.

В связи с тем, что учебный курс читается для студентов третьего курса, в первой главе учебного пособия в кратком виде представлены основные сведения из физики твердого тела и из физики полупроводников. Эти сведения в дальнейшем необходимы при усвоении основного материала курса. В главе второй и третьей излагаются физические основы, связанные с контактными явлениями в барьерах Шоттки, электронно-дырочных переходах и гетеропереходах, а также основы физики поверхности полупроводников и МДП‑структур.

Четвертая и пятая главы посвящены анализу физических основ работы полупроводниковых диодов и биполярных транзисторов. Глава шестая посвящена анализу работы полевых транзисторов. Глава седьмая посвящена приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением – тиристорам. Глава восьмая посвящена приборам функциональной электроники – диодам Ганна. В девятой главе приводятся классификация и обозначения полупроводниковых приборов как российских, так и зарубежных.

Особенность данной книги заключается в том, что при обсуждении физических принципов работы и параметров приборов автор наряду с идеализированными характеристиками старался использовать справочные данные, которые показывают реально характеристики того или иного вида приборов.

В рамках подготовки к изданию учебного пособия «Твердотельная электроника» аспирантом О. Н. Артамоновым была разработана электронная версия указанного учебного пособия, которая представлена на сайте кафедры физики твердого тела, а также прилагается в виде компакт-диска к бумажной версии учебного пособия. При подготовке электронной версии учебного пособия использовались мультимедийные разработки, выполненные студентами физико-технического факультета Петрозаводского государственного университета в рамках курсовых и дипломных работ. Указанные мультимедийные приложения улучшают качество представляемого материала и позволяют более ясно понять основные физические процессы, которые происходят в приборах твердотельной электроники.

В заключение автор выражает благодарность сотрудникам кафедры физики твердого тела Петрозаводского государственного университета, с которыми он длительное время работает, а также О. Н. Артамонову и Ю. М. Листопадову за неоценимую помощь в подготовке указанного учебного пособия.

Глава 1. Необходимые сведения из физики твердого тела и физики полупроводников

Зонная структура полупроводников

Наибольшее значение для электронных свойств твердых тел имеют верхняя и следующая за ней разрешенные зоны энергий. В том случае, если между ними нет… Верхняя, не полностью заполненная, энергетическая зона в полупроводниках… Поскольку в полупроводниках ширина запрещенной зоны меняется в широком диапазоне, то вследствие этого в значительной…

Терминология и основные понятия

Полупроводники, или полупроводниковые соединения, бывают собственными и примесными.

Собственные полупроводники – это полупроводники, в которых нет примесей (доноров и акцепторов). Собственная концентрация (n_i) – концентрация носителей заряда в собственном полупроводнике (электронов в зоне проводимости n и дырок в валентной зоне p, причем n = p = n_i). При Т = 0 в собственном полупроводнике свободные носители отсутствуют (n = p = 0). При Т > 0 часть электронов забрасывается из валентной зоны в зону проводимости. Эти электроны и дырки могут свободно перемещаться по энергетическим зонам. Дырка – это способ описания коллективного движения большого числа электронов (примерно 10²³ см^-3) в неполностью заполненной валентной зоне. Электрон – это частица, дырка – это квазичастица. Электрон можно инжектировать из полупроводника или металла наружу (например, с помощью фотоэффекта), дырка же может существовать только внутри полупроводника.

Легирование – введение примеси в полупроводник, в этом случае полупроводник называется примесным. Если в полупроводник, состоящий из элементов 4 группы (например, кремний или германий), ввести в качестве примеси элемент 5 группы, то получим донорный полупроводник (у него будет электронный тип проводимости), или полупроводник n-типа. Если же ввести в качестве примеси элемент 3 группы, то получится акцепторный полупроводник, обладающий дырочной проводимостью (р-тип) (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Энергетические схемы полупроводников n‑типа (а) и p‑типа (б)

Для того, чтобы использовать для описания движения электронов и дырок в полупроводниках классические представления, вводятся понятия эффективных масс электрона и дырки m_n^* и m_p^* соответственно. В этом случае уравнения механики , или , будут справедливы, если вместо массы свободного электрона (электрона в вакууме) m₀ в эти уравнения подставить эффективную массу электрона m_n^* (p = m_n^*·υ). Эффективная масса учитывает влияние периодического потенциала атомов в кристалле полупроводника на движение электронов и дырок и определяется уравнениями дисперсии [3, 4].

Статистика электронов и дырок в полупроводниках

Рассматриваемая задача распадается на две части: чисто квантово-механическую – нахождение числа возможных квантовых состояний электронов и…

Распределение квантовых состояний в зонах

, , (1.1) .

Концентрация носителей заряда и положение уровня Ферми

. (1.7) Здесь F – электрохимический потенциал, или уровень Ферми. Из (1.7) видно, что… Вид функции Ферми – Дирака схематически показан на рисунке 1.4. При Т = 0 она имеет вид разрывной функции. Для E <…

Концентрация электронов и дырок в собственном полупроводнике

Рис. 1.5. Заброс из валентной зоны При отсутствии внешних воздействий (освещение, электрическое поле и т.д.) будем обозначать концентрации свободных…

Концентрация электронов и дырок в примесном полупроводнике

. (1.16) Пусть полупроводник легирован донорами с концентрацией ND. При комнатной… . (1.17)

Определение положения уровня Ферми

Для собственного полупроводника уравнение электронейтральности приобретает вид p – n = 0 или p = n. Если ширина запрещенной зоны полупроводника… Подставляя (1.10) и (1.13) в уравнение p + pD – n – nA = 0, имеем: . (1.20)

Проводимость полупроводников

(1.26) где μn и μp – подвижности электронов и дырок соответственно [6,… Для легированных полупроводников концентрация основных носителей всегда существенно больше, чем концентрация…

Токи в полупроводниках

, (1.29) где – плотность тока, – дрейфовая компонента электронного тока, – диффузионная… Выражение для каждой из компонент тока дается следующими соотношениями:

Неравновесные носители

Однако помимо теплового возбуждения появление свободных носителей заряда может быть связано с другими причинами, например, в результате облучения… ; (1.31) , (1.32)

Уравнение непрерывности

, (1.43) где Jp – дырочный ток, включающий дрейфовую и диффузионную компоненту, Gp –… Уравнение непрерывности – это уравнение сохранения числа частиц в единице объема. Это уравнение показывает, как и по…

Ток термоэлектронной эмиссии

. Из этого выражения следует, что если энергия электрона E существенно больше,… Рассчитаем величину этого тока исходя из первых принципов квантовой статистики. Выберем элемент объема dτ в…

Эффект поля, зонная диаграмма при эффекте поля

Рис. 2.2. Изменение концентрации свободных носителей в приповерхностной… Случай, когда в приповерхностной области возрастает концентрация свободных носителей, носит название обогащение, а…

Концентрация электронов и дырок в области пространственного заряда

, поскольку EC – F + qj0n = Eg/2. Обозначим , тогда

Дебаевская длина экранирования

, (2.18) где r(z) – плотность заряда в ОПЗ, es – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника.

Зонная диаграмма барьера Шоттки при внешнем напряжении

Рис. 2.5. Зонная диаграмма барьера Шоттки при различных напряжениях на… а) VG = 0; б) VG > 0, прямое смещение; в) VG < 0, обратное смещение

Распределение электрического поля и потенциала в барьере Шоттки

Вне зависимости от полярности напряжения для барьерных структур все внешнее напряжение будет приложено к области пространственного заряда, поскольку… Связь электрического поля и потенциала для любых материалов с пространственно… , (2.30)

Гетеропереходы

С учетом сказанного количество материалов для гетеропереходов ограничено. Наиболее распространенными из них являются германий Ge, арсенид галлия… В зависимости от ширины запрещенной зоны Eg, электронного сродства c и типа…

Глава 3. Физика поверхности и МДП-структуры

Область пространственного заряда (ОПЗ) в равновесных условиях

Зонная диаграмма приповерхностной области полупроводника в равновесных условиях

, (3.1) где NM – плотность зарядов на металлической плоскости единичной площади, ε – относительная диэлектрическая проницаемость промежутка.

Заряд в области пространственного заряда

Одной из основных задач при анализе области пространственного заряда полупроводника является нахождение связи между электростатическим потенциалом ψ(z), с одной стороны, и величинами заряда в области пространственного заряда Q_s, избытка электронов и дырок Γ_p,n, емкости ОПЗ C_s – с другой. Нахождение этой связи основано на решении уравнения Пуассона для ОПЗ [2, 14, 21, 13, 11].

Уравнение Пуассона для ОПЗ

(3.6) Величина ρ(z) в общем случае, когда отсутствует ограничение на малость… . (3.7)

Выражение для заряда в ОПЗ

Область обогащения (ψs < 0). Для полупроводника p‑типа заряд в ОПЗ Qsc обусловлен зарядом свободных дырок Qp, как только . . (3.19)

Избыток свободных носителей заряда

, (3.24) где p(z) – концентрация дырок в ОПЗ, p0 – концентрация дырок в… Таким образом, избыток электронов или дырок – это избыточное по сравнению с равновесным в нейтральном объеме число…

Среднее расстояние локализации свободных носителей от поверхности полупроводника

, (3.37) где r(z) – плотность заряда свободных носителей в направлении,… Очевидно, что интеграл

Форма потенциального барьера на поверхности полупроводника

. (3.43) В общем виде уравнение (3.43) решить и найти аналитическое выражение ψ(z)…  

Обеднение и слабая инверсия в примесном полупроводнике

. (3.48) Используя граничное условие, что при z = W, т.е. ширине ОПЗ в обеднении и… . (3.49)

Область обогащения и очень сильной инверсии в примесном полупроводнике

Из (3.44) и (3.15) следует, что при βψ > 7 . (3.51) Непосредственное интегрирование (3.51) приводит к зависимости:

Емкость области пространственного заряда

Величина Csc, как следует из соотношения (3.18), будет равна: . (3.54) Для того, чтобы получить выражения для емкости ОПЗ в различных случаях (обеднение, обогащение, инверсия), можно либо…

Влияние вырождения на характеристики ОПЗ полупроводника

, , (3.59) где – интеграл Ферми порядка ½, W0 – расстояние от вершины валентной зоны до уровня Ферми в нейтральном…

Поверхностные состояния

Основные определения

Под поверностными состояниями будем понимать электронные состояния, пространственно локализованные на границе раздела полупроводника с какой-либо… По зарядовому состоянию ПС, так же как и объемные состояния в запрещенной зоне…

Природа поверхностных состояний

  1) поверхностные состояния типа Тамма; 2) поверхностные состояния типа Шокли;

Статистика заполнения ПС

. (3.67) Расстояние от уровня Ферми на поверхности Fs до энергетического уровня ПС Et,… , (3.68)

Уравнение электронейтральности

Таким образом, . (3.75) Из (3.75) и анализа зонных энергетических диаграмм на рисунке 3.11 следует, что знак поверхностного потенциала…

Определение типа проводимости полупроводниковой подложки

Как следует из эквивалентной схемы, приведенной на рисунке 3.13, и вида высокочастотной C‑V кривой при обогащении основными носителями емкость…  

Определение толщины подзатворного диэлектрика

, (3.106) где εox – относительная диэлектрическая проницаемость окисла.

Определение величины и профиля концентрации легирующей примеси

. (3.108) Используя для емкости окисла Cox выражение (3.106) и для емкости области… . (3.109)

Определение величины и знака встроенного заряда

. (3.113) Если Qox, Qss > 0, то VFB (эксп.) > VFB (теор.), и наоборот, если Qox,… Таким образом, знак и величина суммарного заряда в плоских зонах определяются соотношением (3.113) однозначно. Для…

Дифференциальный метод

Рис. 3.19. Расчет плотности поверхностных состояний дифференциальным… а) экспериментальная и теоретическая ВФХ для МДП‑системы Si‑SiO2‑Al; б) зависимость сдвига…

Интегральный метод

. (3.116) Интегрируя соотношение (3.116) с граничными условиями ψs = ψsi, VG =… . (3.117)

Температурный метод

Закон изменения φ0(T), а следовательно и φ0(E), известен и в области полной ионизации примеси довольно прост. Из выражения (3.83) для… . (3.119) Графическое дифференцирование соотношения (3.119) приводит к выражению для Nss:

Виды флуктуаций поверхностного потенциала

, (3.121) постоянна в каждой точке на поверхности полупроводника вдоль границы раздела… В реальном случае, вследствие неконтролируемых технологических особенностей обработки поверхности полупроводника и…

Конденсаторная модель Гоетцбергера для флуктуаций поверхностного потенциала

Рассмотрим, каким образом можно получить функции распределения P(ψs) поверхностного потенциала ψs вдоль границы раздела полупроводник –… . (3.122) Величина N и плотность заряда Qox на площадке αs связаны очевидным соотношением:

Среднеквадратичная флуктуация потенциала, обусловленная системой случайных точечных зарядов

Потенциал, который создает произвольный узел в некоторой точке A на расстоянии от него, будет равен: (3.130) где Ui – потенциал, создаваемый заряженным узлом в точке A,

Потенциал, создаваемый зарядом, находящимся на границе двух сред с экранировкой

Точечный пробный заряд поместим на границу раздела окисел – полупроводник. Поскольку величины диэлектрической проницаемости полупроводника εs и…  

Поле заряда, расположенного под границей двух диэлектриков

Рис. 3.24. Схема, поясняющая экранировку зарядов границей раздела двух… Сверху границы в области I, где поле определяется зарядами q1 и q2, находящимися на на расстоянии τ от границы в…

Функция распределения потенциала при статистических флуктуациях

, (3.143) где N – число зарядов, ожидаемое найти на площадке S, – среднее число зарядов, находящееся на произвольной площадке S.

Зависимость величины среднеквадратичной флуктуации от параметров МДП-структуры

. (3.146) Когда диэлектрические постоянные окисла и полупроводника εox и εs… На рисунке 3.31 приведены расчетные зависимости величины среднеквадратичной флуктуации потенциала σψ(λ)…

Пространственный масштаб статистических флуктуаций

Будем считать за плотность заряда σ на таких площадках избыточную, по сравнению со средней, плотность заряда, обусловленную случайным… Величина σ будет равна: . (3.149)

Глава 4. Полупроводниковые диоды

Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт‑амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p‑n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

4.1. Характеристики идеального диода на основе p‑n перехода

Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1а, б, и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода:

а) вольт‑амперная характеристика; б) конструкция корпуса

, (4.1)

 

.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

Выпрямление в диоде

Рис. 4.2. Схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока с помощью диода… Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p‑n перехода. Для этого рассчитаем по…

Характеристическое сопротивление

Дифференциальное сопротивление определяется как . (4.3) На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление rD невелико и составляет значение…

Эквивалентная схема диода

С учетом полученных дифференциальных параметров можно построить эквивалентную малосигнальную схему диода для низких частот (рис. 4.3а, б, в). В этом случае наряду с уже описанными элементами – дифференциальным сопротивлением (рис. 4.3а) и емкостями диода (рис. 4.3б) необходимо учесть омическое сопротивление квазинейтрального объема базы (r_об) диода. Сопротивление квазинейтрального объема эмиттера можно не учитывать, поскольку в диодах эмиттер обычно легирован существенно более сильно, чем база.

Рис. 4.3. Приборные характеристики и эквивалентная малосигнальная схема для выпрямительных диодов [23, 24]:

а) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; б) зависимость емкости диода ГД402 от обратного напряжения; в) эквивалентная малосигнальная схема диода для низких частот

Варикапы

Рис. 4.4. Конструкция варикапа (а) и зависимость емкости варикапа от…

Влияние генерации, рекомбинации и объемного сопротивления базы на характеристики реальных диодов

При рассмотрении влияния генерационно‑рекомбинационных процессов в ОПЗ p‑n перехода будем считать, что доминирующим механизмом… . (4.6) Параметры, входящие в соотношение 4.10, имеют следующие значения:

Влияние объемного сопротивления базы диода на прямые характеристики

где r – удельное сопротивление, l – длина базы, S – площадь поперечного сечения диода. В типичных случаях при r = 1 Ом×см, l = 10-1 см, S = 10-2 см2, rб = 10… При этом падение напряжения Uб на квазинейтральном объеме базы при протекании тока J будет равно:

Влияние температуры на характеристики диодов

Для несимметричного p‑n+ перехода NA << ND концентрация неосновных носителей в p‑области существенно выше, чем в n‑области… Обратный ток диода в этом случае будет . Вблизи комнатной температуры Тк при ее небольших отклонениях можно записать: , тогда температурная зависимость тока…

Стабилитроны

ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рисунке 4.9. Рис. 4.9. Вольт‑амперная характеристика (а) и конструкция корпуса (б) стабилитрона

Туннельный пробой в полупроводниках

Проанализируем более подробно механизмы туннельного и лавинного пробоя. Рассмотрим зонную диаграмму диода с p‑n переходом при обратном смещении…

Лавинный пробой в полупроводниках

Рассмотрим случай однородного электрического поля в полупроводнике. Если двигаясь вдоль силовых линий электрического поля электрон на расстоянии,… Размеры геометрической области полупроводника W, в которой происходит лавинное… . (4.22)

Приборные характеристики стабилитронов

Основными характеристиками стабилитрона являются ток Iст и напряжение Uст стабилизации, дифференциальное напряжение стабилитрона rст и температурная… Рис. 4.13. Дифференциальные параметры различных стабилитронов:

Туннельный и обращенный диоды

Проанализируем особенности вольт‑амперной характеристики туннельного диода. Для этого рассмотрим p+‑n+ переход, образованный двумя… Если концентрация доноров и акцепторов в эмиттере и базе диода будет NA, ND ~…

Переходные процессы в полупроводниковых диодах

Рассмотрим изменения тока I при переключении диода с прямого напряжения U на обратное напряжение. На рисунке 4.20 показаны эпюры изменения… Рис. 4.20. Эпюры изменения напряжения и тока при переключении диода:

Глава 5. Биполярные транзисторы

Общие сведения. История вопроса

В 1958 г. американские ученые Дж. Бардин и В. Браттейн создали полупроводниковый триод, или транзистор. Это событие имело громадное значение для развития полупроводниковой электроники. Транзисторы могут работать при значительно меньших напряжениях, чем ламповые триоды, и не являются простыми заменителями последних: их можно использовать не только для усиления и генерации переменного тока, но и в качестве ключевых элементов. Определение «биполярный» указывает на то, что работа транзистора связана с процессами, в которых принимают участие носители заряда двух сортов (электроны и дырки).

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических сигналов. В транзисторе используются оба типа носителей – основные и неосновные, поэтому его называют биполярным.

Биполярный транзистор состоит из трех областей монокристаллического полупроводника с разным типом проводимости: эмиттера, базы и коллектора (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Схематическое изображение транзистора типа p‑n‑p:

Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор, W – толщина базы, ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход

Переход, который образуется на границе эмиттер – база, называется эмиттерным, а на границе база – коллектор – коллекторным. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы p‑n‑р и n‑р‑n.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рисунке 5.2.

 

Рис. 5.2. Условные обозначения транзисторов:

а) транзистор p‑n‑р, б) транзистор n‑р‑n

 

 

По технологии изготовления транзисторы делятся на сплавные, планарные, а также диффузионно‑сплавные, мезапланарные и эпитаксиально‑планарные (рис. 5.3).

 

 

Рис. 5.3. Разновидности транзисторов по технологии изготовления

 

Конструктивно биполярные транзисторы оформляются в металлических, пластмассовых или керамических корпусах (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Конструктивное оформление биполярного транзистора

Каждый из переходов транзистора можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:

1. Режим отсечки – оба p‑n перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идет сравнительно небольшой ток;

2. Режим насыщения – оба p‑n перехода открыты;

3. Активный режим – один из p‑n переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения управление транзистором невозможно. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причем транзистор может выполнять функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположенная между переходами, называется базой (Б). Примыкающие к базе области чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из нее наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую – так, чтобы соответствующий переход наилучшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением которой является инжекция носителей в базу, называют эмиттером (Э), а соответствующий переход – эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракция носителей из базы, называют коллектором (К), а переход – коллекторным.

Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности – инверсным.

По характеру движения носителей тока в базе различают диффузионные и дрейфовые биполярные транзисторы.

Основные характеристики транзистора определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутствовать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует движению неосновных носителей заряда от эмиттера к коллектору, то транзистор называют дрейфовым, если же поле в базе отсутствует – бездрейфовым (диффузионным).

Основные физические процессы в биполярных транзисторах

Рассмотрим р‑n переход эмиттер – база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р‑n перехода из эмиттера в… . Схематически распределение инжектированных дырок рn(х) показано на рисунке 5.5.

Биполярный транзистор в схеме с общей базой. Зонная диаграмма и токи

Для биполярного транзистора в схеме с общей базой активный режим (на эмиттерном переходе – прямое напряжение, на коллекторном – обратное) является… Для биполярного транзистора p‑n‑р типа в активном режиме… Рассмотрим компоненты токов в эмиттерном и коллекторном переходах (рис. 5.7). Для любого p‑n перехода ток J…

Дифференциальные параметры биполярных транзисторов в схеме с общей базой

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при… . Сопротивление эмиттерного перехода rэ, определяется:

Коэффициент инжекции

Рис. 5.10. Зонная диаграмма эмиттерного перехода БТ при прямом смещении Для анализа коэффициента инжекции g заменим приращение токов dJэ, dJк на их значения Jэ, Jк. Выразим эмиттерный ток Jэ…

Коэффициент переноса. Фундаментальное уравнение теории транзисторов

Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного. Поэтому важны доля дырок, дошедших до коллекторного перехода… . (5.9) Зависимость коэффициента инжекции g от параметров биполярного транзистора была получена ранее. Рассмотрим зависимость…

Дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода

. (5.22) Для примера рассчитаем rэ при Iэ = 1 мА, получим – rэ = 25 Ом. Если Uэ = 0 (условие короткого замыкания), тогда .

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

. В активном режиме при Uк << 0 зависимость тока коллектора Iк от… Проанализируем возможность зависимости коэффициента передачи a от напряжения на коллекторе Uк. Эта зависимость может…

Коэффициент обратной связи

. Ненулевое значение коэффициента обратной связи также обусловлено эффектом… Требование постоянства эмиттерного тока Iэ = const для биполярного транзистора при диффузионном механизме переноса…

Объемное сопротивление базы

Рис. 5.14. Схема БТ, иллюстрирующая расчет объемного сопротивления базы [15] … Геометрический ряд этих сопротивлений дает значение:

Тепловой ток коллектора

Тепловой ток коллектора отличается от обратного тока диодного p‑n перехода, поскольку в биполярном транзисторе есть еще и эмиттерный… Из уравнения (5.16) следует, что условие Iэр = 0 определяет следующее… . (5.27)

Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером

Характеристики транзистора в этом режиме будут отличаться от характеристик в режиме с общей базой. В транзисторе, включенном по схеме с общим… Ранее при анализе биполярного транзистора в схеме с общей базой была получена… .

Эквивалентная схема биполярного транзистора

Полученные в предыдущих разделах соотношения описывают взаимосвязь входных и выходных параметров биполярного транзистора в аналитической форме. Существует и другая форма представления этой взаимосвязи в виде эквивалентных схем, когда реальные процессы в нелинейных устройствах можно заменить на набор активных (источники тока и напряжения) и пассивных (резисторы, емкости) элементов, адекватно описывающих взаимосвязь входных и выходных параметров. На основе рассмотренных характеристик представим эквивалентную схему транзистора при включении по схеме с общей базой в следующем виде. Основные пассивные элементы (сопротивления r_э, r_к, r_б , емкости коллекторного С_Б и эмиттерного С_Д переходов), активные элементы (генератор тока aI_э в коллекторной цепи, источник ЭДС m_экU_к в эмиттерной цепи, отражающей обратную связь между эмиттером и коллектором) изображены на эквивалентной схеме (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общей базой

Приведенная эквивалентная схема справедлива для рассмотрения статических характеристик биполярного транзистора, а также для рассмотрения этих характеристик в области низких частот. Эта схема называется Т-образной эквивалентной схемой, отражает основные физические процессы, происходящие в транзисторе, и удобна для их анализа (рис. 5.18).

Рис. 5.18. Эквивалентная схема биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером

Основные параметры эквивалентной схемы транзистора выражаются через конструктивно-технологические параметры следующим образом:

;

.

Величины коэффициентов a, r_э, r_к, m_эк для биполярного транзистора лежат в пределах:

a = 0,95÷0,995, r_э = 1÷10 Ом, r_к = 10÷10⁶ Ом, m_эк = 10^-3÷10^-5.

Для биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером эквивалентная схема выглядит аналогично.

Основные параметры эквивалентной схемы имеют тот же вид, что и в схеме с общей базой, кроме С_к^* и r_к^*, равных: С_к^* = С_к(b + 1), r_к^* = r_к(b + 1).

Составные транзисторы. Схема Дарлингтона

Создание мощного высоковольтного транзистора, предназначенного для работы в режиме переключения и характеризующегося переходом из закрытого состояния с высоким обратным напряжением в открытое состояние с большим током коллектора, т.е. с высоким коэффициентом b, имеет схемотехническое решение.

Как отмечалось в разделе 5.14, значение коэффициента b характеризует качество биполярного транзистора, поскольку чем больше коэффициент b, тем эффективнее работает транзистор. Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером b определяется следующим соотношением: . Для увеличения значения коэффициента b нужно либо уменьшить ширину базы биполярного транзистора W, либо увеличить диффузионную длину L_p. Так как диффузионная длина , то нужно увеличить либо подвижность носителей m, либо время жизни t_p. Это достаточно трудно, так как необходимо использовать материалы с высокой подвижностью для электронов (например, GaAs, InP), причем только в транзисторах n‑p‑n.

Между тем имеется схемотехническое решение, когда определенным образом соединенные два биполярных транзистора имеют характеристики как для одного транзистора с высоким коэффициентом передачи b эмиттерного тока. Такая комбинация получила название составного транзистора, или схемы Дарлингтона (рис. 5.19). В составном транзисторе база первого транзистора Т₁ соединена с эмиттером второго транзистора Т₂dI_э1 = dI_б2. Коллекторы обоих транзисторов соединены, и этот вывод является коллектором составного транзистора. База первого транзистора играет роль базы составного транзистора dI_б = dI_б1, а эмиттер второго транзистора – роль эмиттера составного транзистора dI_э2 = dI_э.

Рис. 5.19. Схема составного транзистора

Получим выражение для коэффициента усиления по току b для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dI_б и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dI_к составного транзистора следующим образом:

;

;

;

;

.

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно не составляет несколько десятков (β₁, β₂ >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов bS » b₁b₂ и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток первого транзистора I_э1 является базовым током второго транзистора dI_б2, то, следовательно, транзистор Т₁ должен работать в микромощном режиме, а транзистор Т₂ в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов Т₁ и Т₂ не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления b_1, b₂ ~ 30 суммарный коэффициент усиления bS составит bS ~ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов Т₁ и Т₂.

Дрейфовые транзисторы

За счет внешних источников напряжения создать электрическое поле в квазинейтральном объеме барьерных структур не представляется возможным. В… Рассмотрим неоднородно легированный полупроводник n-типа, в котором…

Параметры транзистора как четырехполюсника.

Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы. Для транзистора… Рис. 5.23. Схема четырехполюсника

Система z-параметров

; . Коэффициенты zik в этих уравнениях определяются следующим образом:

Частотные и импульсные свойства транзисторов

Предположим, что в эмиттерной цепи от генератора тока в момент времени t = 0 подали импульс тока длительностью Т, большей, чем характеристическое…  

Глава 6. Полевые транзисторы

Рис. 6.1. Полевой транзистор со структурой металл – диэлектрик –… В области инверсии концентрация неосновных носителей заряда в канале выше, чем концентрация основных носителей в…

Характеристики МОП ПТ в области плавного канала

Получим вольт‑амперную характеристику такого транзистора при следующих предположениях: 1. Токи через р‑n переходы истока, стока и подзатворный диэлектрик равны… 2. Подвижность электронов μn постоянна по глубине и длине L инверсионного канала и не зависит от напряжения на…

Характеристики МОП ПТ в области отсечки

. (6.11) Поскольку максимальная величина напряжения V(y) реализуется на стоке, то… . (6.12)

Эффект смещения подложки

В этом случае при прямом его смещении будут наблюдаться значительные токи, соответствующие прямым токам р‑n перехода. Эти токи попадут в… . (6.17) Поскольку напряжение на затворе VGS постоянно, то постоянен и заряд на затворе МДП‑транзистора Qm.…

Малосигнальные параметры

(6.19) и характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на… Внутреннее сопротивление Ri определяется как

Методы определения параметров МОП ПТ из характеристик

. (6.32) Тангенс угла наклона tg(α) зависимости IDS(VGS) определяет величину… . (6.33)

Учет диффузионного тока в канале

. (6.39) Величина тангенциальной составляющей электрического поля Еy, согласно… . (6.40)

Неравновесное уравнение Пуассона

. (6.48) Здесь n и р – неравновесные концентрации электронов и дырок, описываемые… ,

Уравнение электронейтральности в неравновесных условиях

. (6.59) Заряд в ОПЗ состоит из заряда свободных электронов Qn в канале и заряда… Имеем:

МОП ПТ с плавающим затвором

В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором. Рис. 6.18. Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором:

Приборы с зарядовой связью

Рис. 6.19. Устройство и принцип работы приборов с зарядовой связью Рассмотрим принцип работы ПЗС. При подаче обедняющего импульса напряжения VG1 на затвор 1‑го элемента в ОПЗ…

Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию

Проблемы, связанные с физическими ограничениями микроминиатюризации, требуют рассмотрения основных физических явлений, которые запрещают дальнейшее…   Таблица 5. Физические ограничения микроминиатюризации Величина параметра Физическое ограничение …

Глава 7. Тиристоры

Общие сведения

Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более р‑n переходами, вольт‑амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для переключения.

Структура тиристора показана на рисунке 7.1. Тиристор представляет собой четырехслойный р₁‑n₁‑р₂‑n₂ прибор, содержащий три последовательно соединенных р‑n перехода (П₁, П₂ и П₃). Обе внешние области называют эмиттерами (Э₁, Э₂), а внутренние области – базами (Б₁, Б₂) тиристора (см. рис. 7.1а). Переходы П₁ и П₂ называются эмиттерными, переход П₃ – коллекторный переход.

Рис. 7.1. Схема диодного тиристора:

а) структура диодного тиристора; б) зонная диаграмма

Прибор без управляющих электродов работает как двухполюсник и называется диодным тиристором (динистором). Прибор с управляющим электродом является трехполюсником и называется триодным тиристором.

На рисунке 7.2 показана схема триодного тиристора с управляющими электродами при его приборной реализации и характеристики тиристора. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз (Б₁, Б₂) тиристора, как показано на рисунке 7.2а.

Управляющие тиристоры используются для коммутирования высоких значений токов, напряжений и мощностей. Поэтому корпуса тиристоров как правило являются достаточно массивными и в ряде случаев снабжены радиаторами для улучшения теплоотвода. На рисунке 7.2б приведена топология корпуса тиристора малой мощности. Для коммутации мощностей важными параметрами являются время включения и выключения тиристора. Характерные значения этих времен для тиристоров лежат в микросекундном диапазоне. На рисунке 7.2в в качестве примера приведены такие характеристики для триодного тиристора КУ208.

Рис. 7.2. Схема (а), приборная реализация (б) и характеристики (в) триодного тиристора [23]

При создании тиристора в качестве исходного материала выбирается подложка n‑ или р‑типа. Типичный профиль легирующей примеси в диффузионно-сплавном приборе показан на рисунке 7.3. В качестве исходного материала выбрана подложка n‑типа. Диффузией с обеих сторон подложки одновременно создают слои р₁ и р₂. На заключительной стадии путем сплавления (или диффузии) с одной стороны подложки создают слой n₂. Структура полученного тиристора имеет вид p₁⁺‑n₁‑p₂‑n₂⁺.

Рис. 7.3. Профиль концентрации легирующей примеси (N_s) в эмиттерах и базах тиристора

7.2. Вольт‑амперная характеристика тиристора

Вольт‑амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рисунке 7.4, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению V_G, подаваемому на первый p₁‑эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения V_G падает на коллекторном переходе П₂, который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы П₁ и П₂ включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p‑n перехода.

При достижении напряжения V_G, называемого напряжением включения U_вкл, или тока J, называемого током включения J_вкл, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 7.4. ВАХ тиристора:

V_G – напряжение между анодом и катодом; I_у, V_у – минимальный удерживающий ток и напряжение; I_в, V_в – ток и напряжение включения

Феноменологическое описание ВАХ динистора

Рис. 7.5. Двухтранзисторная модель диодного тиристора Взаимосвязь между токами эмиттера Iэ, коллектора Iк и статическим коэффициентом усиления по току α1…

Зонная диаграмма и токи диодного тиристора в открытом состоянии

Действительно, при больших значениях коэффициента передачи α2 электроны, инжектированные из n2‑эмиттера в р2‑базу, диффундируют к… Инжектированные дырки из эмиттера р1 в базу n1 диффундируют к р‑n… В результате накопления избыточного положительного заряда в базе р2 и отрицательного заряда в базе n1 переход П3…

Тринистор

На управляющий электрод базы подается напряжение такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом… При достаточно больших значениях тока Iупр ВАХ тиристора вырождается в прямую… Таким образом, наличие Iупр принципиально не меняет существа процессов, определяющих вид ВАХ тиристора, но меняет…

Феноменологическое описание ВАХ тринистора

, . (7.7) Сумма всех токов, протекающих через переход П3, будет равна:

Глава 8. Диоды Ганна

Общие сведения

Диод Ганна – полупроводниковый диод, состоящий из однородного полупроводника, генерирующий СВЧ‑колебания при приложении постоянного электрического поля.

Физической основой, позволяющей реализовать такие свойства в диоде, является эффект Ганна, который заключается в генерации высокочастотных колебаний электрического тока в однородном полупроводнике с N‑образной вольт‑амперной характеристикой.

Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (E_пор ≥ 2‑3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n‑типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > E_пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~10⁷ см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

Требования к зонной структуре полупроводников

Для того, чтобы при переходе электронов между долинами возникало отрицательное дифференциальное сопротивление, должны выполняться следующие…   Из изученных и применяемых полупроводниковых материалов перечисленным требованиям наиболее соответствует арсенид…

Статическая ВАХ арсенида галлия

Продифференцировав уравнение по напряженности электрического поля, получим: . (8.2) Тогда условие существования отрицательной дифференциальной проводимости можно записать в виде:

Зарядовые неустойчивости в приборах с отрицательным дифференциальным сопротивлением

Возникшая избыточная концентрация электронов должна изменяться во времени в соответствии с соотношением: , (8.13) представляющим собой закон релаксации основных носителей заряда в полупроводнике.

Глава 9. Классификация и обозначения полупроводниковых приборов

Основные термины, определения и буквенные обозначения основных и справочных параметров полупроводниковых приборов приведены в следующих гостах: ü 25529-82 – Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные… ü 19095-73 – Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров;

Условные обозначения и классификация отечественных полупроводниковых приборов

Первый элемент. Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого создан полупроводниковый прибор.… Таблица 6 Исходный материал Условные обозначения … Второй элемент.Второй элемент (буква) обозначает подкласс полупроводниковых приборов. Обычно буква выбирается из…

Условные обозначения и классификация зарубежных полупроводниковых приборов

В Европе используется система, по которой обозначения полупроводниковым приборам присваиваются организацией Association International Pro Electron.… В системе Pro Electron приняты следующие условные обозначения: Первый элемент.Первый элемент (буква) обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого создан…

Графические обозначения и стандарты

Таблица 13. Графические обозначения полупроводниковых приборов Наименование прибора Обозначение Наименование… Продолжение таблицы 13 Наименование прибора Обозначение …

Условные обозначения электрических параметров и сравнительные справочные данные полупроводниковых приборов

В справочных изданиях приводятся значения основных электрических параметров и предельные эксплутационные характеристики полупроводниковых приборов.… Таблица 14. Биполярные транзисторы Тип прибора Материал,…  

Основные обозначения

А – постоянная Ричардсона С – электрическая емкость CB – барьерная емкость p-n перехода

Обозначения приборных параметров

 

Ниже приводятся обозначения основных параметров полупроводниковых приборов в соответствии с действующими стандартами, а также наиболее часто используемые в международной документации и других изданиях.

Для обозначения амплитудных значений добавляют индекс m. Например: I_em – амплитудный ток эмиттера.

Для обозначения максимально (минимально) допустимых значений добавляют индексы max, min.

 

Диод выпрямительный

CБ – барьерная емкость CD – диффузионная емкость Cп Cd – емкость перехода диода

Диод импульсный

I_f – прямой ток

I_fm – импульсный прямой ток

P_и.макс P_{имп.макс} P_{M макс} – максимально допустимая импульсная мощность

T_rr – время обратного восстановления

U_r – обратное напряжение

U_f – прямое напряжение

 

Варикап

C_tot – общая емкость

К_с – коэффициент перекрытия по емкости

Q – добротность варикапа

U_r – обратное напряжение

 

Тиристор

 

U_вкл – напряжение включения

U_перекл – напряжение переключения

α – суммарный коэффициент передачи тока первого и второго транзисторов

 

Тринистор

 

I_упр – управляющий ток базы

 

Стабилитрон

 

I_ст I_Z – ток стабилизации

Р – рассеиваемая мощность

R_диф – дифференциальное сопротивление

r_ст r_Z – дифференциальное сопротивление стабилитрона

U_стаб U_ст U_z U_Z – напряжение стабилизации

 

Туннельный диод

 

E_пр – напряженность электрического поля пробоя

 

Диод Ганна

E_пор – пороговая напряженность электрического поля

P – генерируемая мощность

W – длина образца

 

Транзистор

 

P – мощность, рассеиваемая в приборе

P_вых P_out – выходная мощность

U_вх U_in, U_BE – входное напряжение

 

Биполярный транзистор

Eк EC – напряжение источника питания коллекторной цепи h11 – входное сопротивление при коротком замыкании на выходе h22 – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи

Полевой транзистор

Сox – удельная емкость подзатворного диэлектрика Iс ID – ток стока Iз IG – ток затвора

Тепловые параметры

R_thja – общее тепловое сопротивление диода или транзистора

R_thjc – тепловое сопротивление переход – корпус транзистора

R_thca – тепловое сопротивление корпус – окружающая среда

 

КНИ K_f – коэффициент нелинейных искажений

 

Приложение

Физические параметры важнейших полупроводников

Работа выхода из металлов (эВ)

Mg	Al	Ni	Cu	Ag	Au	Pt
3,4	4,1	4,5	4,4	4,3	4,7	5,3

 

Свойства диэлектриков

Список рекомендованной литературы

1. Физика твердого тела: Энциклопедический словарь /Гл. ред. В.Г. Барьяхтар, зам. глав. ред. В. Л. Винецкий. Т. 1, 2. Киев: Наукова думка, 1998. 2. Sah C.‑T. Fundamentals of solid-state electronics /C.‑T. Sah.… 3. Киреев А.С. Физика полупроводников /А.С. Киреев. М.: Высшая школа, 1969. 590 с.