РАЗДЕЛ 9

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

ПРИБОРЫ

СОДЕРЖАНИЕ

9-1. Электропроводность полупроводников . Основные принципы теории (380). Проводимость полупроводников (383). Неравновесные носители (384). Составляющие полного тока и полупроводнике (385).

9-2. Полупроводниковые приборы с симметричной вольт-амперной характеристикой .............

Терморезисторы (385). Варисторы (387). Фоторезнсторы (388). Датчики э. д. с Холла (389).

9-3. Контактные явления и электронно-дырочный переход..... ....

Контактная разность потенциалов (390). Запорный слой (391). Односторонняя проводимость (391). Электрои-но-дырочный переход (392). Туннельный эффект (395).

р-4. Полупроводниковые диоды.....

Диоды-вынрямители и детекторы (396). Диоды-детекторы СВЧ, смесители, модуляторы (398). Импульсные дноды (399). Кремниевые стабилитроны (399). Варикапы и параметрические диоды (400) Вентильные фотоэлементы и фотодиоды (402). Туннельные диоды (403).

9-5. Принципы действия и конструкции

транзисторов ...........

Плоскостной транзистор (404). Диффузионная модель транзистора (405).

Стр. 380

Дрейфовая модель транзистора (407). эффекты высокого уровня инъекции (408) Реальный транзистор (409) Конструктивно-технологические разновидности транзисторов (410).

9-6. Характеристики и параметры транзисторов . ... .......

Статические характеристики (412). Ма-лосигиальные параметры (415). Эквивалентные схемы транзисторов (423). Расчет частотно-зависимых параметров эквивалентного четырехполюсника по моделирующим схемам (430). Зависимости малосигнальных параметров транзистора от рабочей точки и температуры (433) Шумовые - характеристики транзисторов (435). Параметры транзистора в режиме большого сигнала (436). Предельные эксплуатационные режимы транзисторов (439).

9-7. Некоторые вопросы применения транзисторов ............

Разброс и нестабильность электрических характеристик (441). Стабилизация рабочей точки (442). Внутренняя обратная связь (444). Теплоотвод (445).

9-8. Прочие полупроводниковые приборы Транзистор с двухслойной базой (446). Тетроды (446). Полевые транзисторы (446). Полупроводниковые приборы с отрицательным сопротивлением (448).

Литература . . ..........

Стр.

412-

446-

9-1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Основные принципы теории

К полупроводникам относится обширная группа веществ (как химических элементов, так и их соединений), отличающихся существенной зависимостью концентрации подвижных носителей электричества от температурь) и наличием отрицательного температурного коэффициента сопротивления в определенных областях температур. Значительные изменения проводимости полупроводников вызывают также освещение

(фотопроводимость), радиоактивное облучение и другие энергетические воздействия.

Наиболее важным в современной технике является класс электронных полупроводников, у которых перенос электричества обусловлен движением электронов. К электронным полупроводникам относятся германий (Ge) и кремний (Si).

Энергетические уровни и зоны электронных полупроводников В отдельном атоме состояние каждого электрона определяется совокупностью ряда квантовых чисел, характеризующих энергию различных форм движения электронов. При этом полная энергия электрона может принимать только ряд дискретных значений, в связи с чем v

говорят о существовании ряда разрешенных энергетических уровней, которые на энергетических схемах (рис. 9-1, а) изображают горизонтальными линиями.

В нормальном (невозбужденном) состоянии электроны занимают нижние уровни, что вытекает из стремления всякой физической системы к состоянию с наимень-

Рис. 9-1 Схема разрешенных уровней энергии электрона в отдельном атоме (о) и разрешенных зон в твердом теле (б).

шим запасом энергии. Нижние уровни соответствуют пребыванию электронов на ближайших к атомному ядру оболочках, обусловливающих достаточно прочную связь электронов с ядром (стабильное состояние атома). Распределение электронов по уровням подчинено принципу Паули, исключающему одновременное пребывание в одном квантовом состоянии более одного электрона.

Переход электрона на более высокий уровень требует сообщения извне энергии, равной разности энергий нового и первоначально занимаемого электроном уровнен. Обратный переход происходит самопроизвольно с выделением такого же количества энергии в форме фотона (кванта света) или нескольких фононов (квантов тепла).

В твердом теле отдельные уровни расщепляются в энергетические зоны (рис. 9-1, б), представляющие собой множество уровней с близкими значениями энергий. Количество уровней в каждой зоне пропорционально общему числу атомов в данном теле, а ширина зон зависит от расстояния между соседними атомами. Наиболее правильная картина энергетических зон свойственна кристаллическим структурам, отличающимся упорядоченным расположением отдельных атомов и фиксированными значениями межатомных расстояний.

Стремление к наименьшей энеогии и принцип Паули приводят к гому, что электроны заполняют ряд нижних зон, а верхние зоны остаются пустыми. Последняя заполненная зона занята электронами, которые Находятся на внешних оболочках атомов и могут участвовать в химических реакциях Эта энергетическая зона, как и электроны, Находящиеся в ней, называется валентной. Следующая за ней первая незаполненная зона называется зоиой проводимости, потому что, переходя в эту зону, электроны теряют связь с материнскими атомами и приобретают способность свободно передви-

гаться внутри твердого тела, в частности под действием внешнего электрического поля, образуя при этом электрический ток.

Электропроводность твердого тела в значительной степени зависит от взаимного расположения валентной зоны и зоны проводимости.

При расщеплении уровней одиночного атома эти две зоны могут перекрываться (рис. 9-2, а) сливаясь как бы в одну частично заполненную зону. При этом в непосредственной близости от верхних занятых электронами уровней оказываются свободные энергетические состояния, для перехода в которые электронам достаточно самых незначительных приращений энергии. Такие приращения энергии способно сообщить внешнее электрическое поле, под действием которого немедленно начинается направленное движение электронов внутри тела, проявляющееся в форме электрического тока. Наличием частично заполненной зоны объясняется хорошая электропроводность металлов-проводников. , )

В другом характерном случае (рис. 9-2, б) между полностью заполненной ва-

Зона

Рис. 9-2. Схемы взаимного pacпdлoжeння валентной зоны и зоны проводимости у проводников (о) и полупроводников (б).

лентной зоной и полностью свободной зоной остается энергетический зазор {запрещенная зона). При этом электропроводность возможна лишь после перехода части электронов из валентной ,зоны в зону проводимости, для чего требуются значительные количества энергии, активирующей этот процесс. Энергия активации равна ширине запрешенной зоны Eg. Такая картина свойственна чистым полупроводникам и диапектрикам, причем.разделение веществ на полупроводники и диэлектрики условно и опирается лишь на количественные различия в значениях ширины запрешенной зоны. Энергию электронов принято выражать в электрон-вольтах (эе); I эв соответствует энергии, которую приобретает электрон в результате ускорения разностью потенциалов в 1 е.

К полупроводникам обычно относят вещества, у которых £g<2 3 эв. Так, у германия £g=0.67 эе, у кремния Eg~\,\2 эе.

Собственная проводимость. Небольшая ширина запрешенной зоны приводит к тому, что тепловые колебания кристаллической решетки полупроводника систематически сообщают некоторой части электронов энергию, достаточную для их перехода из валентной зоны в зону проводимости. Од-

новременно в валентной зоне освобождается соответствующее количество уровней, называемых дырками. Наряду с этим процессом генерации пар электрон - дырка идет процесс их рекомбинации, состоящий в самопроизвольном обратном переходе электронов из зоны проводимости на свободные уровни в валентной зоне. Вероятность рекомбинации возрастает с увеличением концентрации пар электрон - дырка в объеме

совпадает с классическим распределением Максвелла - Больцмана:

Рис. 9-3. Распределение. Ферми - Дирака fф при

различных температурах (а), сопоставление с распределением Максвелла - Больцмана f (б) и

энергетическая схема собственного полупроводника при температуре 7>0 (в).

полупроводника. Поэтому данной температуре соответствует статистически определенная равновесная концентрация электронов и дырок.

Ввиду статистического характера задачи о распределении электронов по энергети-ческим уровням вводится вероятностная функция /(£, Т). указывающая вероятность заполнения электроном уровня с энергией Е при температуре Т. В общем случае для системы частиц, подчиняющихся принципу Паули, справедливо распределение Ферми- Дирака (рис. 9-3,а):

-. (9-1)

е +1

где /г = 1,38-10~ эрг/град - постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура; Еф - уровень Ферми - термодинамическая Характеристика системы, имеющая размерность энергии Если среди разрешенных уровней имеется уровень с энергией, равной Еф, то вероятность его заполнения при любой температуре одинакова и составляет 0,5.

В собственном полупроводнике (у которого можно пренебречь влиянием примесей и прочих несовершенств) уровень Ферми располагается практически посредине запрещенной зоны и концентрация электронов в зоне проводимости описывается хвостом функции Ферми - Дирака (рис. 9-3,6, в). При этом единицей в знаменателе выражения (9-1) можно пренебречь и функция Ферми - Дирака в зоне проводимости

* . (9-2)

Собственная концентрация носителей заряда ftj (концентрация электронов проводимости, равная концентрации дырок в собственном полупроводнике) определяется с помощью функций распределения и составляет:

4 --

щ = АТ е 2*7- , (9-3)

где в качестве £go используется асимптотическое значение ширины запрещенной зоны при 7 О (0.785 эе для германия и 1,21 эе для кремния); А - постоянная, равная

3/2

1,76 10 град см- для германия и

~-3/2

3,9-10в град см- для кремния.

Подвижностью обладают не только электроны проводимости, но и оставленные при их возбуждении дырки. С точки зрения зонной теории подвижность дырки обусловлена легкостью перехода на соответствзто-щий данной дырке уровень одного из ва-. лентных электронов, занимающих ближайшие энергетические состояния. В результате такого перехода дырка оказывается на новом уровне, который до этого занимал перешедший в нее электрон. Описанные пере, ходы сопровождаются перемещением валентных электронов от одного атома к другому, а дырок - навстречу. С этим обстоятельством связано распространенное представление о дырке как подвижной частице, несущей положительный заряд, по абсолютному значению равный заряду электрона.

Приложение внешнего электрического поля вызывает статистически направленное перемещение электронов проводимости навстречу полю и дырок в обратном направлении. При этом постоянные столкновения носителей заряда обоих видов с атомами кристаллической решетки исключают их монотонное ускорение в данном направлении и уместно говорить лишь о средней скорости переноса (дрейфа) зарядов в электри-чегком поле. Исключая случаи чрезмерно сильных полей (порядка 10 в/см), эта скорость Vcr> прямо пропорциональна величине внешнего поля Е:

fcp = (x£, (9-4)

где коэффициент пропорциональности ц представляет собой скорость носителей в поле Е=:] в/см и носит название дрейфа вой подвижности. Величина подвижности зависит от природы полупроводникового материала и обычно для дырок (цр) оказывается в несколько раз меньше, чем для электронов (Цп). В германии Цп = =3 900 см/в-сек и Цр = 1 900 см/в-сек; в кремнии ц = 1900 см1в сек; и Цр = = 480 см1в-сек С повышением температуры подвижность носителей обоих знаков уменьшается.