BUREK TOMASZ

ED.3.1

Na ogół do półprzewodników zalicza się ciała stałe, których konduktywność σ (przewodność własną) w temperaturze pokojowej jest rzędu 10^-8...10^-5 1/Ω m . Półprzewodniki wykazują specyficzne właściwości. Ich konduktywność w wyraźny sposób zależy od temperatury, ilości i rodzaju domieszek jak również od natężenia zewnętrznego pola elektrycznego, światła i innego rodzaju promieniowania W elektronice znalazły zastosowanie półprzewodniki o regularnej budowie krystalicznej, charakterystycznej dla pierwiastków IV grupy okresowej, takich jak german i krzem. Czysty german lub krzem o regularnych kryształach jest tzw. półprzewodnikiem samoistnym o paśmie zabronionym 0,72eV dla Ge oraz 1,12eV dla Si.

W temperaturze α zera bezwzględnego wszystkie poziomy pasma walencyjnego są zapełnione, a poziomy pasma przewodnictwa całkowicie wolne. Wraz ze wzrostem temp. kryształu energia cieplna jest magazynowana przede wszystkim w postaci energii drgań sieci krystalicznej zwiększając ich amplitudę, natomiast w przypadku dostarczenia elektronom kowalentnym energii wystarczającej do zerwania wiązania i przeniesienia elektronu do pasma przewodnictwa powstaje tzw. para "elektron - dziura". Elektron znajduje się wówczas w paśmie przewodnictwa , a na jego miejscu w wiązaniu kowalentnym występuje brak elektronu równoznaczny pojawieniu się w węźle sieci ładunku dodatniego, równego co do wartości bezwzględnej ładunkowi wybitego elektronu. Przyjęto nazwać ładunek dodatni w węźle sieci ( po elektronie usuniętym do pasma przewodnictwa ) dziurą. Elektron z pasma przewodnictwa może dokonać przejścia do pasma walencyjnego, zapełniając dziurę w węźle sieci krystalicznej. Mówi się wówczas o rekombinacji pary elektron-dziura.

Powstawanie oraz rekombinacja par elektron-dziura zilustrowałem na poniższym rysunku, przedstawiający model pasmowy półprzewodnika. Na rysunku przedstawiono również poziom Fermiego W_F.

W przypadku doprowadzania do półprzewodnika samoistnego zewnętrznego pola elektrycznego elektrony przebywające w paśmie przewodnictwa, oprócz chaotycznego ruchu cieplnego, będą dryfować wzdłuż linii sił pola w sposób uporządkowany stając się nośnikami ładunku elektrycznego. Unoszone wzdłuż linii sił pola elektrony tworzą prąd elektronowy w półprzewodniku samoistnym. W paśmie walencyjnym dziury mogą być również wypełniane przez elektrony walencyjne sąsiednich węzłów sieci krystalicznej. W obecności pola elektrycznego wypełnianie dziur w paśmie podstawowym jest także uporządkowane. Dziury poruszają się wzdłuż linii sił pola z prędkością o przeciwnym zwrocie niż prędkość elektronów w paśmie przewodnictwa. Tak więc w paśmie walencyjnym dziury są również nośnikami ładunku elektrycznego i płynie tzw. prąd dziurowy.

KONCENTRACJA NOŚNIKÓW ŁADUNKU W PÓŁPRZEWODNIKU

Rozkład energii ładunków elektrycznych w półprzewodniku - tj. elektronów w paśmie przewodnictwa oraz dziur w paśmie podstawowym - w temp. ustalonej jest zgodny ze statyczną charakterystyką Fermiego-Diraca. Funkcja f_n określa prawdopodobieństwo tego, że przy danej temperaturze T poziom energetyczny o energii W jest zajęty przez elektron n o rożnych spinach a mianowicie

gdzie:

T-temp. bezwzględna półprzewodnika, k-stała Boltzmana, W_F-poziom Fermiego

Interpretacja statyczna poziomu Fermiego jest następująca. Załóżmy, że temperatura półprzewodnika T jest różna od zera. Wówczas wartość funkcji dla W=W_f wynosi f_n(W_F)=0,5. Tak więc poziom Fermiego jest to taki poziom energetyczny, którego obsadzenie przez elektron ma prawdopodobieństwo równe 0,5, przy temp. półprzewodnika różnej od zera bezwzględnego. Charakterystyki Fermiego mają różny przebieg przy rożnych temperaturach. Tak więc energia cieplna zwiększa prawdopodobieństwo zapełnienia przez elektrony poziomów leżących powyżej W_F i jednocześnie zwiększa prawdopodobieństwo wystąpienia pustego poziomu energetycznego leżącego poniżej poziomu Fermiego.

PÓŁPRZEWODNIKI NIESAMOISTNE

Półprzewodniki samoistne znalazły tylko ograniczone zastosowanie, a ich znaczenie ma raczej charakter teoretyczny. Powszechnie natomiast w technice elektronicznej stosowane są tzw. półprzewodniki niesamoistne produkowane na bazie germanu i krzemu z odpowiednio dobranymi domieszkami pierwiastków 3- lub 5- wartościowych. I tak półprzewodniki typu N otrzymuje się przez wprowadzenie do czystego chemicznie germanu lub krzemu domieszki pierwiastków 5- wartościowych, np. arsenu lub antymonu, w ilości: jeden atom pierwiastka domieszkowego na około 10⁶ atomów półprzewodnika samoistnego. Przy tak znikomej ilości domieszkowego pierwiastka 5-wartościowego atomy domieszkowe przy tworzeniu się kryształów są wbudowywane w węzłach sieci krystalicznej germanu lub krzemu.

W półprzewodniku tego typu są generowane pary elektron-dziura. Zatem zarówno elektron wyzwolony jak i dziura mogą być nośnikami ładunku z tym jednakże, że dziury przy obecności zewnętrznego pola elektrycznego mogą być zapełniane przez elektrony walencyjne węzłów sąsiednich, co wymaga dostarczenia pewnej energii potrzebnej do zerwania wiązań kowalencyjnych. Wobec tego ruchliwość dziur jest w tym przypadku mniejsza od ruchliwości elektronów. Elektrony w półprzewodniku niesamoistnym typu N są więc głównym nośnikiem ładunku elektrycznego, decydującym o elektronowym charakterze przewodnictwa elektrycznego tego półprzewodnika. Te nośniki ładunku elektrycznego, które decydują o rodzaju przewodnictwa półprzewodnika są nazywane nośnikami większościowymi.

Półprzewodnik niesamoistny typu P otrzymuje się przez wyprowadzenie do chemicznie czystego germanu lub krzemu 3-wartościowych atomów domieszkowych (B, Al., Ga, In) w stosunku : jeden atom domieszkowy na około 10⁶ atomów półprzewodnika samoistnego. W tym przypadku w trakcie powstawania kryształów półprzewodnika atomy domieszkowe są wbudowywane w węzłach sieci krystalicznej zastępując w ten sposób atomy germanu lub krzemu. I tak nośnikami większościowymi ładunku elektrycznego w omawianym półprzewodniku są dziury, a mniejszościowymi -elektrony. Domieszkowe atomy pierwiastka 3-wartościowego są nazywane akceptorami, a domieszka tego typu domieszką akceptorową.

BUDOWA I WŁASNOŚCI ZŁĄCZA p - n

Złącze p - n powstaje wówczas, gdy w krysztale półprzewodnika istnieje granica pomiędzy półprzewodnikiem typu P a półprzewodnikiem typu N. Granicę taką można sobie wyobrazić jako efekt mechanicznego połączenia dwóch kryształów półprzewodników obu typów przez np. zetknięcie ich powierzchniami dokładnie oszlifowanymi. Praktycznie jednak złącze p - n powstaje dzięki wprowadzeniu do kryształu np. germanu domieszkowych atomów 5-wartościowych i 3-wartościowych w ten sposób, że koncentrują się one w niewielkiej od siebie odległości. Granica pomiędzy koncentracjami domieszkowymi atomów donorowych i akceptorowych będzie w tym przypadku analogiczna jak w przypadku zetknięcia dwóch odrębnych półprzewodników typu P i N i trwałego ich połączenia. Nie tracąc na ogólności rozważań przyjmuje się, że koncentracje domieszek donorowych i akceptorowych występują głównie po obu stronach pewnej płaszczyzny granicznej, prostopadłej do długości rozpatrywanego złącza. Mówi się wówczas o płaskim złączu p - n. Zakłada się również, że połączenie obu półprzewodników jest idealne, tj. że wzdłuż płaszczyzny granicznej nie występują defekty sieci krystalicznej oraz inne przeszkody w przenoszeniu nośników ładunku elektrycznego, przy czym natężenie pola zewnętrznego E=0.

Załóżmy, że koncentracje atomów domieszkowych w strefie przyłączowej są różne. W temperaturze pokojowej wszystkie atomy domieszkowe są zjonizowane. Ponieważ na ogół koncentracja dziur P jest znacznie większa od koncentracji N, więc pod wpływem gradientu koncentracji w strefie przyłączowej nośniki będą dyfundować z obszaru o większej koncentracji do obszaru o koncentracji mniejszej. W związku z tym dziury z półprzewodnika typu P będą przenikać do półprzewodnika typu N, a elektrony będą przedostawać się od półprzewodnika typu N do półprzewodnika typu P.

a) nośniki w obszarach p - n ,

b) gęstość ładunku przestrzennego w warstwie zaporowej ,

c) model pasmowy ,

W_Cp W_Cn : dolna krawędź pasma przewodnictwa w obszarach p - n ,

W_Vp W_Vn : górna krawędź pasma walencyjnego w obszarach p - n ,

W_Fp W_Fn : poziom Fermiego w obszarach p - n ,

I_pu I_nu : prądy unoszenia nośników mniejszościowych ,

I_pd I_nd : prądy dyfuzyjne nośników większościowych ,

1 - elektrony z obszaru n rekombinujące z dziurami z obszaru p ,

2,3 - ładunek jonów nieruchomych ,

4 - dziury z obszaru p rekombinujące z elektronami z obszaru n ,

W takim przypadku przez powierzchnię graniczną złącza p - n popłynie prąd dyfuzyjny zarówno dziurowy jak i elektronowy. W wyniku przepływu nośników obu znaków przez złącze p - n w półprzewodniku typu n w strefie przyłączowej zacznie tworzyć się ładunek przestrzenny dodatni dyfundujących dziur, a w półprzewodniku typu P odpowiednio ładunek przestrzenny ujemny elektronów przeniesionych w wskutek dyfuzji.

Do podstawowych właściwości złącza p - n zalicza się :

• -grubość przejścia złącza

gdzie ; Δϕ₀-bariera potencjału złącza

• -pojemność przejścia złącza

gdzie : Q_pn-ładunek zgromadzony na przejściu p - n

POLARYZACJA ZŁĄCZA P - N

Doprowadzenie z zewnątrz napięcia do złącza zakłóca stan równowagi elektrycznej. Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, tzn. tak, że do obszaru P jest dołączony biegun dodatni źródła zasilania, a do obszaru N - ujemny, zmniejsza się bariera potencjału , maleje szerokość warstwy zaporowej, maleją ładunek i natężenie pola elektrycznego. Zmniejszenie bariery potencjału powoduje wzrost prądu dyfuzyjnego, tj. wzrost liczby dziur przechodzących z obszaru P do obszaru N i elektronów przechodzących z obszaru N do P. Wskutek niejednakowej koncentracji, wstrzyknięte nośniki mniejszościowe dyfundują do obszarów o mniejszej koncentracji, a więc w kierunku doprowadzeń. Jednocześnie od strony doprowadzeń napływają nowe nośniki większościowe, wprowadzonego do poszczególnych obszarów. Przy odwrotnej polaryzacji złącza, zwanej polaryzacją wsteczną, następuje dalszy odpływ swobodnych nośników z obszaru otaczającego warstwę zaporową. Zwiększa się jej szerokość i rośnie bariera potencjału. Zwiększenie bariery potencjału powoduje zmniejszenie dyfuzji nośników, czyli zmniejszenie koncentracji nośników wprowadzanych na drugą stronę złącza. Bariera ta nie stanowi „przeszkody” dla przepływu prądu unoszenia - prądu wstecznego. Jest on jednak niewielki ( 10^-6 - 10^-12 )A i bardzo nieznacznie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury złącza ( liczba nośników mniejszościowych ) i technologii jego wytwarzania.

DIODA ZENERA

Innym rodzajem diody półprzewodnikowej jest dioda Zenera. Stosuje się ją w układach stabilizacji napięć, w układach źródeł odniesienia. Wykorzystuje się ich pracę na odcinku charakterystyki prądowo-napięciowej w zakresie przebicia. Wskutek przebicia Zenera lub przebicia lawinowego następuje szybki wzrost prądu przy prawie niezmienionym napięciu. Łącząc taką diodę z rezystorem otrzymuje się najprostszy parametryczny stabilizator napięcia. Dużym zmianom napięcia wejściowego odpowiadają małe zmiany napięcia wyjściowego.

Dioda stabilizacyjna: charakterystyka prądowo-napięciowa, schemat stabilizatora napięcia

Początkowym napięciem pracy diody Zenera jest napięcie przebicia przejścia p - n. Płynie wówczas prąd wsteczny diody, którego wartość wpływa nieznacznie na napięcie panujące na diodzie. Dla danej diody napięcie stabilizacji może się zmieniać w zakresie U_zmin - U_zmax . Ten zakres napięcia stabilizacji jest ograniczony zagięciem charakterystyki I=f(U) oraz dopuszczalnymi stratami mocy

P_{tot max} . Ważnymi parametrami diod stabilizacyjnych są:

• wsp. stabilizacji S =
  ;

• rezystancja dynamiczna r_z =
  ;

• wsp. temperaturowy napięcia stabilizacji α_UZ =
  
  , I_z = const.

DIODA IMPULSOWA

Diody impulsowe są przeznaczone do przełączania napięć i prądów oraz do formowania impulsów elektrycznych. W układach spełniają one najczęściej funkcje tzw. Kluczy, czyli przełączników. Z uwagi na takie zastosowanie diody impulsowe powinny charakteryzować się małą rezystancją w kierunku przewodzenia i dużą rezystancją w kierunku wstecznym oraz małą bezwładnością elektryczną przy przełączaniu. O opóźnieniach i zniekształceniach impulsów podczas przełączania świadczą : czas ustalenia charakterystyki wstecznej t_rr, czas ustalania charakterystyki przewodzenia t_fr, oraz ładunek przełączania Q_rr.

Przełączanie diody w kierunku wstecznym (Rys.1): przy skokowej zmianie napięcia źródła sterującego G od wartości E_f do E_r , prąd diody zmienia się od wartości ustalonej I_f do I_r . W procesie wył. rozróżnia się dwa etapy: 1 etap o czasie trwania t₁ gdy prąd diody I_r jest stały, 2 etap gdy prąd ten maleje do wartości prądu nasycenia. Suma czasów t₁ t₂ nazywa się czasem ustalania charakterystyki wstecznej t_rr.

Przełączanie diody w kierunku przewodzenia (Rys.2): przy skokowej zmianie napięcia źródła od zera do wartości E_f otrzymuje się przebieg napięcia jak na rys. Odcinek czasu od chwili, gdy napięcie na diodzie osiągnie wartość 0,1U_f do chwili, gdy napięcie na diodzie będzie wynosiło 1,1U_f, nazywa się czasem ustalania charakterystyki przewodzenia t_fr.

Rys.1 Rys.2

DIODA TUNELOWA

W diodach o bardzo silnym domieszkowaniu zjawisko przebicia Zenera może wystąpić przy bardzo małym napięciu wstecznym. W rzeczywistości przebicie może nastąpić nawet przy zerowej polaryzacji znajduje się w stanie przebicia Zenera, będzie przepuszczało duże prądy przy napięciu wstecznym ( zwiększającym pole ) i stopniowo będzie powracało do normalnej pracy przy zwiększaniu dodatniego napięcia ( które zmniejsza pole elektryczne ). Dla powstrzymania mechanizmu przebicia Zenera i zmniejszeniu prądu złącza może być wystarczające przełożenie w kierunku przewodzenia napięcia o wartości jednej lub dwóch dziesiątych wolta. Przy dalszym zwiększaniu napięci w kierunku przewodzenia występuje wstrzykiwanie nośników mniejszościowych i prąd wzrasta ponownie. Charakterystykę prądowo-napięciową ilustrującą te własności pokazuję na rysunku. Elementy mające taką właśnie charakterystykę nazywamy diodami tunelowymi. Ta nazwa wywodzi się z pojęć mechaniki kwantowej, za pomocą której objaśnia się mechanizm przebicia Zenera.. Diody tunelowe są przydatne jako podzespoły układów, ponieważ mają na charakterystyce zakres ujemnej konduktancji różniczkowej, a więc zakres, w którym charakterystyka prądowo-napięciowa ma nachylenie ujemne.

Literatura :

• ELEKTRONIKA - A. Chwaleba, B. Moeschke, G. Płoszajski, WsiP

• PODSTAWY ELEKTRONIKI - P. E. Greay, C. L. Searle, PWN

• UKŁADY ELEKTRONICZNE eit - Z. Nosal, J. Baranowski, WT

7

t

t

e_g

E_F

-E_R

0

i_d

-0,1I_R

t₁

t₂

t_rr

t

t

t

e_g

u_d

E_f

U_Fmax

U_f

t_fr

0

0

U_R

U_F

I_F

I_R

U_{z min}

U_Z

U_we

U_wy

DZ

R

U

I

0

Normalna praca diody, wstrzykiwanie nośników mniejszościowych

Przebicie Zenera zanika gdy dodatnie napięcie powoduje zmniejszenie pola w złączu

Przebicie Zenera powoduje dużą konduktancję

w pobliżu u = 0

p

n

Obszar ładunku przestrzennego

( warstwa zaporowa )

++++

____

x

ρ

W_Cp

W_Fp

W_Vp

W_Cn

W_Fn

W_Vn

I_nu

I_nd

I_pd

I_pd

1

2

3

4

qU_D

U

I

0

Charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p - n

w kierunku przewodzenia

w kierunku wstecznym

---