Тема 2. Полупроводниковые резисторы

Проводимость примесного проводника имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения и температуры.

Линейный резистор– это полупроводниковый резистор, в котором используется слаболегированный материал, удельное электрическое сопротивление которого мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора остается практически постоянным в широком диапазоне напряжений и токов. Такие резисторы широко применяются в микросхемах.

Нелинейный резистор (варистор)– это проводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения, поэтому его вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейна. ВАХ варистора приведена на рис. 2.1. Нелинейность характеристики обусловлена локальным (местным) разогревом на контактах между многочисленными кристаллами карбида кремния, из которого изготавливают варисторы.

Сопротивление контактов при этом существенно снижается, что приводит к уменьшению общего сопротивления варистора. Один из основных параметров – коэффициент нелинейности:

 = R / R_Д = (U / I) / (du / DI), (2.1)

где U и I -напряжение и ток варистора.

Терморезистор– это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Они делятся на термисторы, сопротивление которых с ростом температуры падает ипозисторы, сопротивление которых

повышением температуры возрастает. Как правило, для их изготовления используют примесные полупроводники n-типа.

На рис. 2.2 приведена типичная температурная характеристика.

Для различных полупроводников характеристика может быть различна, однако для подавляющего большинства полупроводников в широком интервале температур электрическое сопротивление термистора может быть выражено экспоненциальным законом:

R_Т = Ке ^/Т, (2.2)

где К – коэффициент, зависящий от конструктивных размеров термистора; - коэффициент, зависящий от концентрации примесей в полупроводнике; Т – абсолютная температура.

Основным параметром, характеризующим работу терморезистора, является температурный коэффициент сопротивления:

100, (2.3)

который выражает процентное изменение сопротивления терморезистора при изменении температуры.

Терморезисторы используют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, стабилизации.

Контрольные вопросы

1. Приведите классификацию полупроводниковых резисторов.

2. Приведите определение и укажите область применения линейных полупроводниковых резисторов.

3. Какой резистор называется варистором?

4. Чем характеризуются варисторы?

5. Какой резистор называется терморезистором?

6. Приведите классификацию терморезисторов.

7. Чем характеризуются терморезисторы?

8. Укажите область применения терморезисторов.

Тема 3. Электронно-дырочный переход

Область на границе двух проводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочнымилир-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или несколькихр-nпереходов.

3.1. Р-n переход при отсутствии внешнего напряжения

Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное движение, то происходит ихдиффузияиз одного полупроводника в другой, где их концентрация меньше.

Поэтому из полупроводника n-типа в полупроводникр-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении – дырки. В результате по обе стороны границы раздела двух полупроводников создаются объемные заряды

различных знаков (рис.3.1,а), величина которых зависит от концентрации носителей.

Между объемными зарядами возникает контактная разность потенциаловu_К=_n - _ри электрическое поле (вектор напряженности Е_К).

На рис. 3.1,б изображена потенциальная диаграмма для электронов, показывающая распределение потенциала вдоль полупроводника (вдоль оси Х), проходящей перпендикулярно плоскости раздела двух полупроводников), при этом за нулевой потенциал условно принят потенциал граничного слоя. Для наглядности масштаб на рисунке искажен, на самом деле толщина р-nперехода очень мала по сравнению с размерами областейnир.

Следует отметить, что объемные заряды возникают вблизи границы, а потенциалы _n и_рсоздаются одинаковыми по всей областиn илир.

Если бы они в различных частях были бы различны, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциалов в этих областях. Необходимо помнить, что заряд и потенциал имеют различный физический смысл. Там, где электрический потенциал, не обязательно должен быть заряд.

В р-nпереходе возникаетпотенциальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению носителей. Его высота равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация носителей, тем большее их число диффундирует через границу, Плотность объемных зарядов возрастает, увеличивается контактная разность потенциаловu_К, т.е. высота потенциального барьера. Для германия, например, при средней концентрации примесейu_К = 10^-4  10^-5 см, а при больших концентрацияхu_К 0,7 В приd = 10^-6 см.

Практически концентрация основных носителей зарядов в областяхриnмогут быть различны. Контактная разность потенциалов, обусловленная градиентом концентрации носителей зарядов, может быть определена из следующего соотношения:

u_К=ln ln , (3.1)

где k– постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура Кельвина; N_a иN_Дконцентрация акцепторов и доноров в дырочной и акцепторной областях соответственно; р_ри р_nконцентрации дырок вр-иn-областях соответственно;n_i – собственная концентрация полупроводника.

К

1

___

 _pe  _p

онцентрация акцепторов определяется соотношением:

,

N_a =

(3.2)

где  _p - удельное сопротивлениер-области полупроводника; e – заряд электрона;_p– подвижность дырок.

А

1

___

 _ne  _n

налогично определяется концентрация доноров вn– области:

N_Д = . (3.3)

Одновременно с диффузией происходит и обратное движение носителей под действием внутреннего электрического поля, созданного контактной разностью потенциалов – дрейф.Дрейфовый токосуществляютнеосновныеносители областей, т.е. дыркиn-области, притягиваемые отрицательным потенциаломр-области, перемещаются в эту область, а электроны, являющиеся неосновными носителями вр-области, перемещаются в областьn-типа.

При постоянной температурер-nпереход находится в состоянии динамического равновесия, т.е. диффузионный и дрейфовый токи равны по величине и противоположны по направлению, в связи с чем полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

Каждый из токов i_ДИФи i_ДРимеет электронную и дырочную составляющие. Значения этих составляющих при различных условиях различны, т.к. зависят от концентрации и подвижности носителей. На рис. 3.2 приведено распределение концентрации носителей зарядов, из которого видно, что приграничные области обеднены носителями, их концентрации уменьшаются примерно в 10 000 раз.

Соответственно и удельная электрическая проводимость р-nперехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областейnир. Обедненный слой можно рассматривать как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов, т.к. объемный отрицательный заряд «выталкивает» электроны назад в областьn, а положительный объемный заряд – дырки в областьр. Таким образом, вр-nпереходе возникает слой, называемыйзапирающими обладающий высоким сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных частейn-ир -полупроводников.

3.2. Р-n переход при прямом напряжении

Напряжение, у которого полярность совпадаетс полярностью основных носителей, называется прямым(рис. 3.3,а).

Действие прямого напряжения u_ПР, вызывающее прямой токi_ПРчерез переход, поясняет потенциальная диаграмма, изображенная на рис. 3.3,б. На этом и последующих рисунках потенциальная диаграмма изображена упрощенно.

Для рассмотрения р-nперехода процессы в остальных частях цепи не представляют интереса. Поэтому на диаграммах не показано изменение потенциала вдольn-ир-областей, т.е. их сопротивление условно принято равным нулю. Не показано также изменение потенциала в контактах областейnирс электродами, к которым присоединены провода от источника напряжения.

Электрическое поле, создаваемое в р-nпереходе прямым напряжением, действует навстречу контактной разности потенциалов (см. на рис. 3.3,а вектора Е_Ки Е_ПР). Результирующее поле становится слабее, потенциальный барьер снижается, возрастает диффузионный ток, т.е. сниженный потенциальный барьер может преодолеть большее число носителей. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей нар-nпереход изр-иn-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлениях областейn ир, то напряжение на переходе можно считать равным u_К– u_ПР. Для сравнения на диаграммах пунктирной линией повторена диаграмма в отсутствие внешнего напряжения. При прямом напряжении полный ток через прямо смешенный переход уже не равен нулю:

i_ПР= i_ДИФ– i_ДР  0. (3.4)

Если барьер значительно понижен, то i_ДИФi_ДРи можно считать, что i_ДИФi_ДР, т.е. прямой ток можно считать чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер под действием прямого внешнего напряжения, где эти носители являются неосновными, называется инжекциейносителей зарядов. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называетсяэмиттерной областьюилиэмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называетсябазовой областьюилибазой. Для инжекции электроновn-область является эмиттером, ар-область – базой. Для дырок, наоборот,р-область эмиттерная, аn-область – базовая. На практике, в полупроводниковых приборах обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей вn-ир-областях различна. Поэтому инжекция из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этой преобладающей инжекции и дают названия эмиттер или база.

При прямом внешнем напряжении не только понижается высота потенциального барьера, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_ПРd) и его сопротивление в прямом направлении R_ПРстановится малым (единицы – десятки Ом).

Поскольку высота барьера u_Кпри отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного его понижения и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести кр-nпереходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при небольшом прямом напряжении. Очевидно, что при некотором его значении запирающий слой можно вообще уничтожить, при этом его сопротивлением можно пренебречь. Прямой ток в этом случае, возрастает, и будет зависеть только от сопротивленияn-ир-областей. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют силу тока.

Рассмотрим характер прямого тока в различных частях цепи (рис. 3.3,а). Электроны из n-области движутся через переход вр-область, а навстречу им изр-области вn-область перемещаются дырки, т.е. через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника питания кn-области и компенсируют убыль электронов, диффундирующих через переход вр-область. А из р-области электроны уходят в направлении плюса источника, и тогда в этой области образуются новые дырки. Такой процесс происходит непрерывно, что обеспечивает непрерывностьпрямого тока:

i_ПР = i _n + i _p = const. (3.5)

3.3. Р-n переход при обратном напряжении

Напряжение, у которого полярность не совпадаетс полярностью основных носителей, называется обратным (рис. 3.4,а). Под действием обратного напряженияu_ОБРчерез переход протекает очень небольшойобратный ток i_ОБР, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов (см. рис. 3.4,а векторы Е_Ки Е_ОБР).

Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна u_К+ u_ОБР(рис. 3.4,б). Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т.е. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости (дрейфа) остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих нар-nпереход изn-ир-областей.

Выведение неосновных носителей через р-nпереход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением называетсяэкстракцией носителейзаряда.

Таким образом, обратный ток i_ОБРобразуется движением неосновных носителей и имеет малое значение в связи с низкой концентрацией неосновных носителей и высоким сопротивлением запирающего слоя. Действительно при повышении обратного напряжения поле в месте перехода усиливается и все большее количество основных носителей «выталкивается» вглубь областей. При этомобратносмещенныйр-nпереход все более обедняется носителями, проводимость уменьшается, следовательно, сопротивление перехода возрастает, т.е. R_ОБРR_ПР. При обратном смещениир-nперехода сначала возникает переходной процесс, связанный с движением основных носителей: электроны вn-области – по направлению к положительному полюсу источника, т.е. удаляются от перехода, а дырки вр-области – по направлению к отрицательному полюсу. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника. В результатеn-область заряжается положительно, т.к. из нее уходят электроны и остаются положительные атомы донорной примеси. Соответственно р-область заряжается отрицательно. Рассмотренное движение основных носителей продолжается лишь малый промежуток времени. Далее ток уже при небольшом значении обратного напряжения, остается практически постоянным, т.к. образуется неосновными носителями, концентрация которых мала.

Обратно смещенный р-nпереход становится аналогичным заряженному конденсатору с плохим диэлектриком, в котором имеется ток утечки (его роль, играет обратный ток), только ток утечки конденсаторов в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный токр-nперехода сравнительно мало зависит от напряжения.