823

зывает ток, величина которого зависит от светового потока и сопротивления внешней цепи. Ток ^-«-перехода может быть найден из (1.19):

/ = / 0 е^/<Рт - 10 .

При освещении возникает фотоЭДС (еф), которая вызывает фототок, совпадающий по знаку с обратным током /о, тогда

/ = / оееф/фт- / 0 - /ф .

Если разомкнуть внешнюю цепь, то ток будет равен нулю:

Приборы, использующие фотогальванический эффект, называются фотодиодами, фототриодами, фототиристорами.

1.13. Эффект электрического поля

Под действие электрического поля концентрация носителей в припо­ верхностном слое полупроводника может изменяться. Это явление полу­ чило название эффекта электрического поля (эффект поля).

Рассмотрим, что будет происходить в полупроводнике, если к цепи металл - диэлектрик - полупроводник (МДП) будет приложено внешнее напряжение (рис. 1.38). В такой цепи не может протекать ток, а следова­ тельно, контакт можно рассматривать как пло­ ский конденсатор. Одна пластина его металли­ ческая, а вторая - полупроводниковая, и на по­ лупроводниковой пластине будет наводиться такой же заряд, как и на металлической, но, в отличие от металлической, он будет распро­ страняться в глубь полупроводника. Глубина распространения этого заряда получила назва­

ние дебаевской длины (LQ). Для собственного полупроводника дебаевская длина

ервфт

L D j = 2ёщ

Слой с повышенной концентрацией носителей получил название обо­ гащенного слоя. Если поменять полярность внешнего напряжения, то в собственном полупроводнике вблизи границы с диэлектриком будут нака­ пливаться дырки. Таким образом, при любой полярности в собственном полупроводнике происходит процесс обогащения.

В примесных полупроводниках в зависимости от полярности прило­ женного напряжения происходит либо процесс обогащения, либо процесс обеднения основными носителями приповерхностного слоя. Для примера рассмотрим полупроводник w-типа и приложим к нему напряжение, по-

примесных полупроводниках всегда меньше,

Рис. 1.39

чем в собственных, и составляет сотые доли микрометра.

При изменении полярности приложенного напряжения (рис. 1.40) электроны будут отталкиваться от поверхности полупроводника, оставляя 1 неподвижными ионы донора Ф, и, следовательно, получится приповерхно­ стный слой, обедненный основными носителями и имеющий нескомпенсированный объемный заряд со знаком плюс. Величина проникновения этого заряда в глубь кристалла называется глубиной обедненного слоя и обозначается /0. Эта величина может быть найдена аналогично дебаевской длине, но вместо фтмы подставляем значение поверхностного потен­ циала ер*:

Так как q>s зависит от внешнего напряжения, то /0, в отличие от /д, оп­ ределяется не только свойствами материала, но еще и напряжением.

С увеличением внешнего напряжения глубина обедненного слоя рас­ тет, количество основных носителей уменьшается, а количество неоснов­ ных носителей возрастает за счет подтягивания дырок к приповерхностно­ му слою, и при некотором внешнем напряжении концентрация неосновных носителей становится больше, чем основных, т.е. в «-полупроводнике об­ разуется инверсный слой (рис. 1.41). Образование инверсного слоя нашло применение в полевых транзисторах с индуцируемым каналом.

2. ЭЛЕМ ЕН ТН А Я БАЗА ЭЛЕКТРО Н Н Ы Х У СТРОЙСТВ

Л е к ц и я № 7

2.1. П олупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется /?-«-переход, помещенный в герметизированный корпус и имеющий два вывода. В зависимости от тех­ нологии изготовления различают диоды плоскостные, точечные, микро­

сплавные, микросварные, мезадиффузионные, эпитаксально-планарные и др.

По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, опорные (кремниевые стабилитроны), туннельные, точечные, импульсные, Шоттки, варикапы и др.

2.1.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды получают, как правило, двумя методами: сплавным и диффузионным. При сплавном методе в кристалл кремния или германия, имеющего «-проводимость, вплавляется акцептор (индий, алю­ миний и т.д.), а при диффузионном методе происходит диффузия примеси при высокой температуре из среды, содержащей пары примесного мате­ риала. Отличительной особенностью выпрямительных диодов является большая площадь p -и-перехода, что позволяет пропускать через переход большие токи - от сотен миллиампер до сотен ампер.

Основной характеристикой выпрямительного диода является вольтамперная характеристика (ВАХ), такая же, как у р-«-перехода, т.е. в пря­ мой ветви - большой ток при малых напряжениях, а в обратной ветви - большое напряжение при малом обратном токе. К основным параметрам выпрямительных диодов следует отнести:

1Ср - максимально допустимый средний прямой ток диода;

^ср ~ среднее прямое напряжение диода;

Uo6p- максимально допустимое обратное напряжение диода; /0 бр - максимальный обратный ток диода.

По этим параметрам, как правило, выбирается диод для схемы выпря­

При подаче на вход одной полуволны синусоидального напряжения диод откроется и ток потечет через нагрузку, а при подаче другой полу­ волны диод закроется и ток через нагрузку протекать не будет (рис. 2 .2 ). Такой ток (напряжение) называется пульсирующим и характеризуется средним значением или постоянной составляющей.

2.1.2. Кремниевый стабилитрон

Кремниевый стабилитрон, или опорный диод, относится к классу пло­ скостных диодов, но в отличие от выпрямительного диода в обратной вет­ ви его формируется электрический пробой и рабочим участком является участок обратной ветви ВАХ в области пробоя (рис. 2.3).

Как видно из рис. 2.3, в области пробоя напряжение на стабилитроне практически остается неизменным при значительном изменении тока, что позволяет использовать стабилитрон в схемах стабилизации постоянного напряжения. Схема включения стабилитрона представлена на рис. 2.4.

^доб

- о-

Стабилитрон подключается параллельно нагрузке и последовательно с добавочным сопротивлением, на которое падает практически все измене­ ние входного напряжения. При этом напряжение на нагрузке изменяется незначительно.

Сопротивление Ядоб может быть рассчитано следующим образом. По второму закону Кирхгофа

^ВХ ^доб + ^ СТ ~ ^ДОб(^СТ + Ai) + ^ст»

тогда

где UB%2 (l,2 * l,3 )i/CT; / ст = max 2 ПиП ’ ^ ст’ /max’ 7min берутся из

справочных данных.

Основные параметры стабилитрона:

тI - номинальное напряжение стабилизации; /min - минимальный ток стабилизации;

/mev - максимальный ток стабилизации;

Д£/ет

Гдиф - дифференциальное сопротивление, гдиф = — — ;

ТКН - температурный коэффициент напряжения стабилизации, TKII =

= ^^gLiQQ % / °С, где А/ - изменение температуры; ДЦ -

изменение напряжения на стабилитроне.

2.1.3.Туннельный диод

Туннельный диод отличается от других типов диодов тем, что полу­ проводник, идущий на его изготовление, имеет высокое содержание при­ садки - до 5-101 9 атомов на 1 см3 основного вещества. У таких материалов уровень Ферми в полупроводниках л-типа смещается в зону проводимости, а в полупроводниках /7-типа - в ва-

Рис. 2.5

Как видно из рис. 2.5, распо­ ложение энергетических зон тако­ во, что электрон может перейти по туннелю, указанному пунктиром, из зо­

ны проводимости л-полупроводника в валентную зону /7-полупроводника без изменения энергии.

Движение электронов из зоны проводимости л-полупроводника в валентную зону /7-полупроводника называется прямым туннельным током. Движение тока электронов из валентной зоны /7-полупроводника в зону

ся, а обратный ток расти, так как в глубине ВЗ много свободных уровней (дырок). ВАХ туннельного диода может быть построена как сумма токов туннельного (прямого и обратного) диффузионного и дрейфового (рис. 2 .8 ).

Вольт-амперные характеристики для прямого и обратного туннельно­ го тока представлены на рис. 2 .7 , а их общая характеристика - на рис. 2 .8 .

Как видно из ВАХ, туннельный диод имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что дает возможность использовать его в усилительных, генераторных и импульсных устройствах. Благодаря тому, что время перехода носителей по туннелю происходит очень быстро, туннельные диоды могут работать на высоких частотах (ГГц), а в им­ пульсных схемах формировать крутые фронты. Кроме того, эти диоды мо­ гут работать при температурах до 400 °С, так как из-за высокой концен­ трации примесей их характеристики и параметры менее чувствительны к изменению температуры.

Основной характеристикой туннельного диода является ВАХ, приве­ денная на рис. 2.9, основные параметры его следующие:

/п - пиковый ток;

lJ h ~ отношение пикового тока к току впадины;

Un- напряжение пика;

иъ - напряжение впадины.

^обр

Разновидностью туннельных диодов является обращенный диод. В нем нет участка с отрицательным сопротивлением, а имеется участок, на котором ток практически не изменяется (рис. 2.10). Получается, что пря-j мое напряжение больше, чем обратное, а прямой ток меньше, чем обрат-;

ный, поэтому они и получили название обращенных диодов. Такие диоды используются для выпрямления напряжения малой величины по амплиту­ де (менее одного вольта), так как при таких малых амплитудах обычный выпрямительный диод теряет свои вентильные свойства.

Существует большое количество схем включения туннельных диодов в усилительных, генераторных и импульсных режимах работы. Приведем пример включения туннельного диода в пороговых устройствах типа «триггер». Схема включения, ВАХ и нагрузочная прямая представлены со­ ответственно на рис. 2 . 1 ] и 2 .1 2 .

Я]

У , ^вых

_ L

Рис. 2.11

Уравнение нагрузочной прямой с учетом второго закона Кирхгофа имеет вид

^т.д = ~ Л\д ^ 1 *

Нагрузочная прямая, представляющая собой графическое отображе­ ние уравнения, строится по двум точкам: точке холостого хода (т.х.х), при / т д = О, UTд = Еп,и точке короткого замыкания (т.к.з), при и тц= О,

L

/ т д = — . Для этого проведем прямую через эти две точки. Еп и R\ зада-

R\

дим такими, чтобы нагрузочная прямая пересекала участок с отрицатель­ ным дифференциальным сопротивлением так, как показано на рис. 2,12. Несложно показать, что точка С является неустойчивой, т.е. в данной схеме ток и напряжение не могут соответствовать этой точке. Действи­ тельно, любое незначительное отклонение тока (напряжения) в точке С приводит к тому, что в схеме устанавливаются ток и напряжение, соответ­ ствующие точкам А или В, которые являются устойчивыми. Предположим, что в схеме установилось напряжение [/ВЫх 1 , соответствующее точке А.

Если теперь подавать на вход плавно увеличивающееся напряжение (по­ ложительное), то по цепи UBX R i“+Tz ток туннельного диода будет воз­ растать и как только достигнет значения /п, схема скачком перейдет в со­ стояние, соответствующее точке Б, а на выходе установится напряжение С/Вых 2 • Если теперь плавно уменьшить L/BX, то ток туннельного диода нач­ нет уменьшаться и как только достигнет значения /в, схема скачком перей­ дет в состояние, соответствующее точке А (рис. 2.13). Следовательно, при некотором пороговом напряжении (порог срабатывания) на выходе уста­ навливается высокий уровень, а при пороге отпуска - низкий уровень, что позволяет использовать данную схему для формирования прямоугольных импульсов с крутыми фронтами или как пороговое устройство.

Если подать на вход разнополярные короткие импульсы (рис. 2.14), то получим схему, которую можно использовать для хранения одного бита информации (низкий уровень - это 0 , а высокий - 1 ), т.е. использовать се как элемент памяти.

Л е к ц и я 8

2.1.4. Точечные диоды

Точечные диоды характеризуются очень малой площадью р-перехо- ды. Получаются такие переходы следующим образом. Берется пластинка полупроводника «-типа. К одной из поверхностей этой пластинки пристав­ ляется металлическая игла из тонкой вольфрамовой проволоки, обрабо­ танная акцепторной примесью (In, А1 и т.д.). Для получения ^-«-перехода используется метод токовой формовки. Суть его в том, что через этот кон­ такт пропускается кратковременный импульс тока определенной величи­ ны. В результате тонкий слой полупроводника вблизи острия иглы приоб­ ретает дырочную проводимость {р) и внутри полупроводниковой пластин­