PODSTAWY ELEKTRONIKI

Opracowała: Małgorzata Trojanowska

Elektronika jest dziedziną nauki i techniki zajmującą się wykorzystaniem zjawisk związanych ze sterowanym ruchem elektronów w próżni, gazach lub ciałach stałych. Rozwój elektroniki nastąpił na początku XX wieku i początkowo dotyczył elektroniki próżniowej. Rozwój ten nabrał przyspieszenia z chwilą opracowania w 1948 roku tranzystora, w którym wykorzystuje się zjawisko przewodnictwa elektronowego i dziurawego w półprzewodnikach.

1. Fizyczne podstawy elektroniki półprzewodnikowej

Półprzewodniki są to materiały charakteryzujące się zdolnością przewodzenia prądu pośrednią między przewodnikami i

dielektrykami, czyli ich rezystywność mieści się w zakresie lO^-lO⁷ fll-m, przyjmując wartości pośrednie między

rezystywnością przewodników i rezystywnością dielektryków.

Innym, często stosowanym kryterium zaklasyfikowania materiału do półprzewodników jest wartość szerokości pasma

zabronionego. Zgodnie z teorią pasmową ciał, w powłokach zewnętrznych atomów występują dwa pasma poziomów

energetycznych, na których mogą przebywać elektrony, tj. pasmo walencyjne (podstawowe) odpowiadające energii elektronów

walencyjnych i pasmo przewodnictwa odpowiadające wartościom energii, przy których elektrony stają się swobodne.

Przedzielone są one pasmem zabronionym, zawierającym poziomy energetyczne, na których elektrony nie mogą przebywać

(rys. 1). Szerokość pasma zabronionego W_g w półprzewodnikach zawiera się w granicach ok. 0,1-2 eV (leV=l,6-10~¹⁹ J). Gdy

szerokość pasma zabronionego jest większa niż 2 e V wówczas materiał jest dielektrykiem. W przewodniku z kolei wszystkie

elektrony walencyjne są jednocześnie elektronami swobodnymi.

Półprzewodniki w temperaturze zera bezwzględnego (-273,150C) są doskonałymi dielektrykami, gdyż elektrony walencyjne

obsadzają wyłącznie poziomy energetyczne pasma walencyjnego, a pasmo przewodnictwa jest całkowicie puste. Po

dostarczeniu energii (podgrzanie, napromieniowanie itp.) może nastąpić wzbudzenie atomów, czyli przejście elektronów z

pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Powoduje to powstanie w paśmie wałencyjnym wolnego miejsca po

elektronie, tzw. dziury. Zjawisko takie nazywa się generacją par elektron-dziura.

Procesowi generacji par elektron-dziura towarzyszy zjawisko odwrotne zwane rekombinacją, polegające na powrocie

elektronu do pasma walencyjnego. W warunkach ustalonych istnieje równowaga między generacją par elektron-dziura i

rekombinacją.

Dziura jest więc miejscem w paśmie podstawowym, w którym brakuje elektronu i którą można umownie traktować jak

ładunek dodatni.

Pod wpływem przyłożonego napięcia, w paśmie podstawowym powstaje ruch dziur, tworząc tzw. prąd dziurawy. Dziury nie

mają możliwości swobodnego ruchu, jak elektrony w paśmie przewodnictwa (ruchliwość dziur znacznie mniejsza niż

elektronów). Przesuwają się one jednak w kierunku elektrody ujemnej, przy czym każde poprzednie położenie dziury zostaje

zastąpione przez elektron pasma podstawowego.

Prąd elektryczny w półprzewodnikach polega zatem na ruchu elektronów w paśmie przewodnictwa i dziur w paśmie

podstawowym.

Przewodność półprzewodnika zależy od liczby elektronów swobodnych i dziur. Nośniki ładunku elektrycznego, które

decydują o prądzie w półprzewodniku (nośniki o większej koncentracji) noszą nazwę nośników większościowych, a te które

mają mniejszy wpływ na przewodnictwo półprzewodników (nośniki o mniejszej koncentracji) - nośników mniejszościowych.

Półprzewodniki dzielimy na samoistne i niesamoistne (domieszkowane).

Półprzewodniki samoistne są to czyste półprzewodniki, bez żadnych zakłóceń struktury krystalicznej. W temperaturze

pokojowej rezystywność półprzewodników samoistnych jest duża, gdyż tylko 1 z 10¹³ atomów tych pierwiastków znajduje się

w stanie wzbudzonym.

Półprzewodniki domieszkowane powstają przez wprowadzenie do materiału półprzewodnika domieszki, co powoduje

zakłócenia atomowe jego sieci krystalicznej (atom półprzewodnika zostaje zastąpiony atomem domieszki). Domieszkowanie

powoduje zmniejszenie rezystywności półprzewodnika

Rys. 1. Energetyczne modele pasmowe ciał: a) ogólny układ pasm, b) idealnego dielektryka, c) idealnego przewodnika, d)

półprzewodnika samoistnego

1 - pasmo walencyjne, 2 - pasmo przewodnictwa, 3 - pasmo zabronione, W - energia, W_g - szerokość pasma zabronionego

Podstawowym pierwiastkiem, z którego wytwarzane są współczesne elementy półprzewodnikowe jest krzem (Si). Wcześniej taką rolę odgrywał german (Ge). Atom krzemu zawiera 14 elektronów, rozłożonych na trzech orbitach. Dwie orbity wewnętrzne są całkowicie zapełnione elektronami silnie związanymi z jądrem. Na orbicie zewnętrznej znajdują się cztery elektrony słabiej związane z jądrem, zwane elektronami walencyjnymi. Elektrony walencyjne sąsiednich atomów krzemu tworzą bardzo trwałe wiązania zwane kowalencyjnymi. Taka struktura w warunkach równowagi uniemożliwia istnienie elektronów swobodnych, które są podstawą przewodnictwa elektrycznego półprzewodników.

W celu zmniejszenie rezystywności krzemu wprowadza się do jego siatki krystalicznej niewielką liczbę atomów pierwiastków pieciowartościowych lub trójwartościowych. Stąd mamy dwa rodzaje domieszkowania: typu N i typu P. Domieszki powodują pojawienie się dozwolonych poziomów energetycznych w paśmie zabronionym tj. donorowego w półprzewodniku typu N i akceptorowego w półprzewodniku typu P.

Domieszkowanie typu N (donorowe) polega na wprowadzeniu do monokryształu krzemu domieszki pierwiastka pięciowartościowego np. arsenu, antymonu, fosforu. Domieszkowanie sprawia, że każdy atom domieszki zajmuje miejsce w sieci krystalicznej, a cztery z jego pięciu elektronów walencyjnych wiążą się wiązaniami kowalencyjnymi z sąsiednimi atomami Piąty elektron walencyjny domieszki jest związany z własnym atomem znacznie słabiej niż pozostałe cztery, a do przejścia tego elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa wystarcza dostarczenie mu energii równej 0,01 eV (temperatura pokojowa). W efekcie tego półprzewodnik typu N ma w normalnych warunkach więcej elektronów swobodnych niż dziur, powstałych np. w wyniku generacji termicznej par elektron-dziura i elektrony są większościowymi nośnikami prądu. Domieszkowanie typu P (akceptorowe) polega z kolei na wprowadzeniu do monokryształu krzemu niewielkiej liczby atomów pierwiastka trójwartościowego np. boru, galu, glinu, indu. Trzy elektrony walencyjne domieszki tworzą wiązania kowalencyjne z trzema elektronami walencyjnymi krzemu. Czwarty elektron walencyjny atomu krzemu jest słabo z nim związany. Dostarczenie niewielkiej ilości energii (ok. 0,08 eV) wystarcza by opuścił pasmo walencyjne, pozostawiając po sobie swobodną dziurę, która staje się nośnikiem ładunku elektrycznego.

W efekcie tego półprzewodnik typu P ma w normalnych warunkach więcej dziur niż elektronów swobodnych i dziury są większościowymi nośnikami prądu.

Atomy pierwiastków pieciowartościowych dają elektrony do sieci krystalicznej krzemu i dlatego nazywa się je donorami, natomiast atomy pierwiastków trójwartościowych noszą nazwę akceptorów, gdyż zabierają elektrony z sieci krystalicznej krzemu. Można więc mówić o przewodnictwie typu N polegającym na domieszkowaniu donorowym, dającym elektrony swobodne i przewodnictwie typu P polegającym na domieszkowaniu akceptorowym dającym dziury. Im więcej domieszek wprowadzi się do sieci krystalicznej półprzewodnika, tym więcej powstanie ładunków swobodnych i tym łatwiej półprzewodnik będzie przewodził prąd elektryczny.

2. Sącze PN

Elektroniczne elementy półprzewodnikowe budowane są jako złączowe i bezzłączowe. Elementy złączowe powstają przez połączenie półprzewodników różnych typów, w efekcie czego uzyskuje się przynajmniej jedno złącze typu PN. Złączem PN nazywamy bryłę półprzewodnikową utworzoną przez dwa graniczące ze sobą obszary typu P oraz typu N. Obecnie złącza PN wytwarza się metodami opartymi na procesie dyfuzji domieszek do półprzewodnika (złącza dyfuzyjne) lub w procesie implantacji jonów domieszek do półprzewodnika (złącza implantowane).

Charakterystyczną cechą każdego złącza, mającą istotny wpływ na jego działanie, jest rozkład domieszek w obszarach P oraz N, a zwłaszcza w pobliżu granicy obu obszarów. W rzeczywistych złączach domieszki donorowe i akceptorowe znajdują się z reguły po obu stronach złącza tzn. w strefie półprzewodnikowej typu p znajdują się dziury, które są nośnikami większościowymi i elektrony, noszące nazwę nośników mniejszościowych. W półprzewodniku typu p sytuacja jest odwrotna, nośnikami większościowymi są elektrony, a mniejszościowymi dziury. Stosunek ładunków mniejszościowych do większościowych jest w półprzewodnikach jak 1 do 10⁵.

Na styku obszarów P i N, wskutek różnicy koncentracji nośników większościowych, następuje dyfuzja dziur z obszaru P do obszaru N i elektronów z obszaru N do obszaru P. Nośniki większościowe po przejściu do obszaru o przeciwnym typie przewodnictwa ulegają w krótkim czasie rekombinacji. Po obu stronach powierzchni łączącej obszar typu P z obszarem typu N pojawia się ładunek elektryczny: ujemny w obszarze P, powstały z przybyłych tu elektronów swobodnych i dodatni w obszarze N, powstały z przybyłych tu dziur (rys. 2). Ładunek ten, nazywany ładunkiem przestrzennym, przeciwdziała dyfuzji nośników większościowych.

Obszar ładunku przestrzennego nazywa się warstwą zaporową lub wartą zubożoną, gdyż jest on pozbawiony swobodnych nośników ładunku i ma cechy kondensatora. Zgromadzony ładunek przestrzenny wywołuje różnicę potencjału, zwaną barierą potencjału. Napięcie bariery potencjału jest zależne od rodzaju półprzewodnika i wynosi ok. 0,7 V dla krzemu, 0,3 V dla germanu oraz 1,4 V dla arsenku galu, malejąc ze wzrostem temperatury. Nośniki mniejszościowe, które wskutek chaotycznego ruchu cieplnego znajdą się przypadkowo w obszarze warstwy zaporowej, są unoszone do obszaru przeciwnego typu, zgodnie z kierunkiem działającego pola elektrycznego. Gdy złącze nie jest spolaryzowane napięciem zewnętrznym, prąd wypadkowy płynący przez złącze jest równy zeru. Prądy unoszenia nośników mniejszościowych są bowiem równe i skierowane przeciwnie do prądów dyfuzji nośników większościowych.

Przy polaryzacji złącza napięciem zewnętrznym są możliwe dwie sytuacje: polaryzacja w kierunku przewodzenia i polaryzacja w kierunku zaporowym. Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje, gdy napięcie zewnętrzne jest doprowadzone do złącza PN w taki sposób, że biegun dodatni źródła napięcia jest połączony z obszarem P, a biegun ujemny z obszarem N (rys. 3a). Polaryzacja zewnętrzna jest wówczas przeciwna do biegunowości napięcia bariery potencjału, a zatem napięcie to maleje o wartość napięcia zewnętrznego, czemu towarzyszy zmniejszenie szerokości warstwy zaporowej. Wskutek zmniejszenia bariery potencjału zwiększa się prąd dyfuzji nośników większościowych, osiągając bardzo duże wartości, gdy wartość napięcia zewnętrznego wzrośnie powyżej bariery potencjału.

Rys. 2. Złącze PN niespolaryzowane: a) szkic, b) rozkład koncentracji dziur P oraz elektronów swobodnych N, c) rozkład ładunku przestrzennego q, d) rozkład potencjału V

Rys. 3. Złącze PN: a) spolaryzowane w kierunku przewodzenia, b) spolaryzowane w kierunku zaporowym Ubp - naturalne napięcie bariery potencjału, Ua, - napięcie zasilania

Polaryzacja w kierunku zaporowym występuje wówczas, gdy biegun dodatni źródła napięcia zewnętrznego zostanie połączony z obszarem N, zaś biegun ujemny z obszarem P (rys. 3b). Wtedy bariera potencjału wytworzona przez ładunek przestrzenny zwiększy się o wartość napięcia źródła zewnętrznego oraz ulegnie rozszerzeniu bariera zaporowa. Przepływ przez złącze nośników większościowych nie jest wtedy możliwy. Przez złącze płynie zatem tylko bardzo mały prąd nośników mniejszościowych, nazywany prądem wstecznym złącza. Jest on tym większy im większa jest wartość napięcia zaporowego i staje się lawinowy przy dostatecznie dużej wartości tego napięcia. Zachodzi wtedy zjawisko przebicia, które nie musi prowadzić do zniszczenia złącza, jeśli moc elektryczna nie przekroczy wartości dopuszczalnej.

1

---