§ 37. Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые материалы широко применяются в современной электронике. Полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, интегральные схемы — выполняют те же функции, что и электронные вакуумные лампы. Но их габариты и потребляемая энергия настолько меньше, что они сделали возможным решение принципиально новых задач. Например, современный компьютер содержит столько функциональных элементов, что само его существование возможно только благодаря очень малому размеру этих элементов: на кремниевом монокристалле размером около 6,5 мм умещается несколько сотен тысяч транзисторов, соединенных в сложную электрическую схему.

Почти все полупроводниковые приборы имеют в основе монокристалл, содержащий две или более области с различными примесями. На границах областей с разным легированием возникают так называемые переходы. Перепады концентрации примесей в переходе и возникающие благодаря этому электрические поля вызывают целый ряд существенно нелинейных эффектов в электропроводности, благодаря которым и функционируют полупроводниковые приборы.

-переходы. Принцип действия большинства приборов может быть понят на основе простейшего перехода, называемого -переходом. Этот переход представляет собой систему из двух полупроводников, находящихся в контакте, причем в одном из них в качестве носителей преобладают электроны (n-тип), а в другом — дырки (р-тип).

Остановимся подробнее на качественном описании свойств -перехода. Такой переход может быть изготовлен множеством

способов, например диффузией донорных примесей с одного конца и акцепторных примесей с противоположного конца германия с собственной проводимостью, так чтобы возник переход от к -области в очень тонком слое порядка см.

Рис. 119. Схема -перехода, в котором и -области монокристалла отличаются только типом примесей

Схема такого -перехода показана на рис. 119.

Если бы и -области не были в контакте друг с другом, то каждая из них содержала бы определенное число неподвижных доноров и акцепторов, показанных на рис. 119а кружками с плюсами и минусами в них, а также носители — электроны и дырки, показанные знаками минус и плюс (без кружочков). Так как эти не соприкасающиеся области электрически нейтральны, то в каждой из них число носителей заряда равно числу атомов примеси. Конечно, благодаря тепловому движению в каждой из областей могут возникать и электронно-дырочные пары (собственная проводимость), но на этом рисунке они для простоты не показаны.

Диффузия электронов и дырок. Основные и неосновные носители. Поскольку на самом деле и -области перехода находятся в контакте, то действительная картина отличается от нарисованной выше. Наиболее важное отличие определяется диффузией электронов из правой -области в левую -область и диффузией дырок во встречном направлении. В результате этой диффузии нарушается электронейтральность у границ и -областей и в переходе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок через переход. Устанавливается динамическое равновесие, при котором в прилегающих к переходу областях наряду с основными носителями (электронами в -области и дырками в -области) появляются неосновные носители с зарядами противоположного знака (дырки в -области и электроны в -области). Возникшее в переходе электрическое поле представляет собой потенциальный барьер для основных носителей и, напротив, «крутой склон» для неосновных, стремящийся вернуть их в ту область, где они были основными.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Это динамическое равновесие нарушается при включении -перехода во внешнюю электрическую цепь, причем результаты оказываются совершенно различными в зависимости от полярности приложенного к переходу напряжения (рис. 1196, в). Если полярность напряжения

такая, как показано на рис. 1196, то электрический ток через -переход обусловлен движением основных носителей каждой области: вклад в ток дают электроны, пересекающие переход справа налево, и дырки, пересекающие его слева направо. При такой полярности приложенного напряжения потенциальный барьер в переходе понижается. Чем больше приложенное напряжение, тем значительнее понижение барьера, и электронам и дыркам легче диффундировать через переход. Поэтому в отличие от однородного образца, где справедлив закон Ома, здесь зависимость тока от напряжения имеет ярко выраженный нелинейный характер.

Если приложенное напряжение имеет противоположную полярность, как показано на рис. 119в, электрический ток через -переход обусловлен движением неосновных носителей каждой области: вклад в этот ток дают электроны, пересекающие переход слева направо, и дырки, пересекающие его справа налево. Теперь потенциальный барьер в переходе увеличивается с ростом приложенного напряжения. Однако для неосновных носителей это не барьер, а крутой спуск. Поэтому при такой полярности ток через переход, хотя и существенно меньше тока при «прямом» приложенном напряжении, но все же он растет при увеличении такого «обратного» напряжения. Схематически вид вольт-амперной характеристики -перехода показан на рис. 120.

Рис. 120. Вольт-амперная характеристика -перехода

Экспоненциальный характер роста силы тока при прямом напряжении связан с тем, что преодоление основными носителями потенциального барьера обусловлено их тепловым движением: барьер могут преодолеть только достаточно «быстрые» носители. Число носителей с энергией, превышающей высоту барьера, при максвелловском распределении экспоненциально зависит от отношения высоты барьера к характерной тепловой энергии Такая экспоненциальная вольт-амперная характеристика типична для идеального -перехода с плоской границей между и -областями.

При увеличении обратного приложенного напряжения рост силы тока с напряжением быстро замедляется и он достигает насыщения, причем значение силы тока насыщения относительно невелико (по сравнению с силой тока при прямом напряжении). Малое значение силы тока насыщения обусловлено тем, что число неосновных носителей, осуществляющих перенос заряда при обратном напряжении, невелико и уже при сравнительно небольшом напряжении все они пересекают область -перехода. При больших значениях обратного напряжения наступает пробой, т. е. лавинное нарастание тока, приводящее к разрушению -перехода.

Нелинейный, асимметричный характер зависимости силы тока через -переход от приложенного напряжения позволяет использовать такой полупроводниковый диод для выпрямления переменного тока, детектирования (демодуляции) и других преобразований электрических сигналов.

Транзистор. Добавляя в монокристалл еще один -переход или несколько таких переходов, можно получить транзисторы, четырехслойные диоды и другие приборы, позволяющие с помощью слабых сигналов управлять протеканием электрического тока.

Транзистор — это трехэлектродный прибор, аналогичный вакуумной электронной лампе — триоду. Он получается при последовательном включении двух -переходов, например в конфигурации (рис. 121). Узкий слой с проводимостью -типа как бы зажат между двумя слоями с электронной проводимостью. Эту тонкую область между двумя -переходами называют базой транзистора, а примыкающие к ней области эмиттером и коллектором. При включении транзистора в электрическую цепь по схеме, показанной на рис. 121, эмиттером служит левый -переход, а коллектором — правый -переход.

Транзисторное усиление слабого сигнала возникает за счет того, что слабый сигнал в цепи эмиттер—база вызывает сильное изменение большого тока, протекающего между эмиттером и коллектором.

Усилитель на транзисторе. Транзистор может быть включен в электрическую цепь многими способами. Простейшая схема с общей базой наиболее удобна для анализа работы транзистора. К эмиттеру (левому переходу на рис. 121) приложено прямое постоянное напряжение около 1,5 В. Сопротивление порядка 50 Ом. На него и подается переменный сигнал, который требуется усилить. К коллектору приложено более высокое обратное напряжение, например 9 В. Сопротивление Квых в выходной цепи имеет порядок Ом. С него снимается усиленный сигнал.

Электроны, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. В области слабого поля между -переходами они движутся хаотически и могут оказаться вблизи -перехода, отделяющего базу от коллектора. Здесь они оказываются в области сильного поля, затягивающего их в коллекторный переход. При этом электроны приобретают дополнительную энергию от поля, так как спускаются по «крутому склону» этого перехода. Проходя через коллекторную цепь, они создают напряжение на выходном сопротивлении Лвых, которое представляет собой усиленный отклик на сигнал, приложенный к базе.

При достаточно тонкой базе большая доля электронов, проникших в базу через первый -переход и более), проходит через коллектор. Поэтому эффективность прибора велика.

Коэффициент усиления можно оценить следующим образом. Почти все напряжение в цепи эмиттера приходится на входное сопротивление поэтому ток через эмиттер можно записать как Если весь этот ток проходит через коллектор, то напряжение на выходном сопротивлении будет превышать напряжение на входном в раз.

Рис. 121. Схематическое изображение транзистора, в котором две -области монокристалла разделены узкой областью с проводимостью -типа (а) и условное изображение такого транзистора на электрических схемах (б)

Во столько же раз возрастает мощность выходного сигнала. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея, включенная в цепь коллектора.

Транзистор с -структурой работает так же, как только что описанный -транзистор, но только здесь перенос заряда из цепи эмиттера в цепь коллектора через область базы осуществляется положительными дырками. Поэтому все напряжения здесь имеют обратную полярность.

Интегральные схемы. В различных электронных приборах транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы соединяются в сложные электрические цепи. Развитие технологии в течение последних десятилетий позволило создать так называемые большие интегральные схемы, в которых транзисторы, диоды, сопротивления и емкости можно получить в одном монокристалле (пластинке кремния или германия), формируя микроскопически малые р- и n-области. Затем эти элементы связывают друг с другом, металлизируя соответствующие участки поверхности кристалла. Конденсаторы в таком кристалле делаются с помощью оксидных покрытий, наращиваемых на поверхности.

Интегральная схема на одном монокристалле может выполнять функции целого прибора, например процессора в компьютере.

Светодиоды. Полупроводниковые приборы, кроме электрических цепей, находят еще и целый ряд других применений. Важнейшими из них являются оптические применения: светоизлучающие диоды и лазеры на -переходах, солнечные батареи, детекторы излучения и генераторы микроволнового излучения.

Оказывается, что -переходы, изготовленные на основе соединений элементов третьей и пятой групп таблицы Менделеева таких, как арсенцд галлия фосфид галлия антимонид индия могут преобразовывать низковольтный электрический ток в свет с довольно высокой эффективностью. Это явление, называемое электролюминесценцией, было открыто еще в начале XX века в кристаллах карбида кремния

Наиболее эффективная электролюминесценция может быть осуществлена в -переходе, где, пропуская ток через контакт, можно создать высокую концентрацию неосновных носителей. Оптическое излучение возникает при рекомбинации электрона и дырки, т. е. в процессе перехода электрона из зоны проводимости в одно из свободных состояний валентной зоны. Энергия испускаемого при этом светового кванта и, следовательно, частота излучения определяются разностью энергий электрона в начальном и в конечном состояниях.

Рис. 122. Схема энергетических зон в кристаллах АВ На рис. а показано равновесное распределение электронов по уровням энергии, при котором свет поглощается, а на рис. б — сильно неравновесное распределение электронов с инверсией заселенностей, необходимое для усиления света

Эта энергия несколько больше ширины запрещенной зоны, а соответствующая частота у большинства используемых кристаллов приходится на видимую или ближнюю инфракрасную область спектра. Так, светодиоды на основе твердого раствора испускают красный свет, а на основе с примесью азота — зеленый свет.

Выбор материалов типа соединений продиктован тем, что у них дно зоны проводимости и потолок валентной зоны

расположены в одной точке пространства импульсов при Этим они отличаются от германия и кремния, у которых минимумы зоны проводимости расположены при отличных от нуля значениях квазиимпульса, в то время как максимум валентной зоны приходится на значение

В элементарном акте поглощения фотона с образованием пары электрон—дырка и в обратном процессе рекомбинации электрона и дырки с испусканием фотона наряду с законом сохранения энергии должен выполняться закон сохранения импульса. Импульс фотона настолько мал по сравнению с характерными значениями квазиимпульсов электрона и дырки при данной температуре, что на рис. 122 оптические переходы изображаются вертикальными стрелками. Например, при рекомбинации электрон может перейти из зоны проводимости только в такое не занятое состояние валентной зоны, которому соответствует такое же значение квазиимпульса, какое было у него в зоне проводимости.

Полупроводниковые лазеры. Спонтанные переходы электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне в светодиодах сопровождаются некогерентным оптическим излучением, так же, как и спонтанные переходы изолированного атома из возбужденного состояния в основное. Для получения когерентного оптического излучения, т. е. для создания лазера, нужно обеспечить условия преобладания вынужденного излучения над спонтанным.

Рис. 123. Схема устройства полупроводникового лазера

В полупроводниковом лазере, так же, как и в газовом, когерентное вынужденное излучение возникает при инверсии заселенностей энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, как показано на рис. 122б. Такую инверсию заселенностей получают путем накачки электронов пропусканием тока через -переход. Обратная связь излучения с активной средой, необходимая для возникновения лазерной генерации, реализуется благодаря тщательно отполированным параллельным боковым граням монокристалла, образующим оптический резонатор (рис. 123).

Фотодиоды. Полупроводниковые приборы, в которых используется обратный процесс преобразования энергии излучения в электрическую энергию, называются фотодиодами. Они находят широкое применение в солнечных батареях.

Роль процессов рекомбинации. Приведенное выше описание принципа действия полупроводниковых приборов содержит ряд упрощений. Главное упрощение заключается в том, что не рассматривалась роль процессов рекомбинации электронов и дырок. Между тем именно рекомбинация определяет многие характерные черты электронных явлений в полупроводниках.

В некоторых полупроводниковых цепях, например в -переходе, при прохождении электрического тока происходит смена типа носителей тока вдоль цепи. Если в -области ток переносят главным образом электроны проводимости, то в -области этот же ток переносят главным образом дырки валентной зоны. Электроны и дырки движутся в такой цепи навстречу друг другу, приближаются к -переходу и, пересекая его, становятся неосновными носителями. Повышенная концентрация неосновных носителей в примыкающих к -переходу участках приводит к интенсивной рекомбинации электронов и дырок.

Аналогичный рекомбинационный механизм «передачи эстафеты» от носителей одного типа к другим имеет место вблизи контакта подводящего металлического проводника с полупроводником -типа.

Явное рассмотрение роли процессов рекомбинации позволяет объяснить основные особенности действия транзисторов. Для нормальной работы транзистора необходимо выполнение двух важных условий. Прежде всего база должна быть достаточно тонкой. Кроме того, концентрация примесей в эмиттере должна намного превосходить их концентрацию в базе.

О толщине и легировании базы транзистора. Тонкая база желательна по нескольким причинам. Во-первых, для эффективной работы необходимо, чтобы в коллектор попали все те носители, которые покинули эмиттер. Но некоторые из носителей неизбежно будут диффундировать к электрическому контакту базы вместо того, чтобы, пересекая базу, доходить до коллектора. Доля электронов, нашедших дорогу к базовому контакту, зависит от геометрии базы и тем меньше, чем тоньше база. Этот ток, который на языке вакуумных ламп можно назвать сеточным током и который должен быть как можно меньше по сравнению с током в цепи эмиттера (катода), тем меньше, чем тоньше база.

Во-вторых, с уменьшением толщины базы падает вероятность того, что эмитированный электрон рекомбинирует в базе, прежде чем продиффундирует к коллектору. Поскольку ток транзистора в базе создается неосновными носителями, их рекомбинация весьма вероятна и должна быть сведена к минимуму.

В-третьих, характеристики транзистора ухудшаются при высоких частотах сигналов и предельная частота определяется в основном толщиной базы. Прибор может удовлетворительно работать только до тех пор, пока время диффузии носителей через базу меньше периода колебаний усиливаемого сигнала: если напряжение поменяет знак прежде, чем большинство эмитированных электронов пересечет базу, они уже не дадут вклада в ток цепи коллектора.

Легко понять и причину того, почему степень легирования базы должна быть существенно ниже, чем у эмиттера. Во-первых, чем выше степень легирования базы -транзистора, тем больше она содержит дырок. Следовательно, и вероятность того, что электрон рекомбинирует с дыркой прежде, чем достигнет коллектора, больше, а это нежелательно. Во-вторых, когда к эмиттеру приложено напряжение в прямом направлении, возникает не только поток электронов из эмиттера в базу, но и дырочный поток из базы в эмиттер. Чтобы паразитный поток из базы в эмиттер был много меньше потока из эмиттера, степень легирования базы должна быть малой.

Рекомбинация в лазере. Рекомбинация электронов и дырок играет большую роль и в работе полупроводникового лазера, где инверсная заселенность достигается пропусканием тока через -переход, приводящего к увеличению концентрации неосновных носителей по обе стороны перехода. Вблизи -перехода идет рекомбинация электронов и дырок. При низких значениях силы тока преобладающей может быть безызлучательная рекомбинация, но когда неравновесные концентрации неосновных носителей становятся достаточно большими, все большее значение приобретает рекомбинация с испусканием фотонов, приводящая к некогерентному оптическому излучению. При очень больших концентрациях неосновных носителей, когда создается инверсия заселенностей и вынужденное излучение преобладает над спонтанным, испускаемый свет становится когерентным.

• Что такое -переход? Как он устроен?

• Какие причины приводят к появлению электрического поля и потенциального барьера на границе и -областей?

• Что такое основные и неосновные носители? Почему неосновные носители заряда сосредоточены вблизи -перехода?

• Почему электрическое поле в -переходе представляет собой барьер для основных носителей и крутой склон для неосновных?

• Как изменяется потенциальный барьер между и -областями при приложении к нему прямого и обратного напряжения?

• Чем объясняется асимметричный вид вольт-амперной характеристики -перехода?

• Нарисуйте схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с использованием полупроводниковых диодов.

• Как устроен транзистор -тнпа? Опишите, как он работает в схеме усилителя с общей базой.

• Рассмотрите работу в качестве усилителя транзистора -типа. В какой полярности должны быть включены источники постоянного напряжения во входной и выходной цепях?

• Как оценить коэффициент усиления транзистора?

• Что такое интегральная микросхема?

• Поясните, почему полупроводниковые кристаллы поглощают и излучают свет в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

• Какие особенности структуры энергетических зон кристаллов типа определяют их применение в качестве материала для изготовления светодиодов и полупроводниковых лазеров?

• Какую роль играет закон сохранения импульса в процессах взаимодействия света с электронами и дырками в полупроводниках?

• Каким образом осуществляется инверсия заселенностей в полупроводниковых лазерах?