Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы

 

Использование одного или нескольких p-n-переходов в одном кристалле полупро­водника позволяет создавать недорогие, надежные и компактные полупроводниковые приборы. Вот о том, какие полупроводниковые приборы получаются при использовании p-n-переходов, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Один p-n-переход образует диод, два p-n-перехода используются в транзисто­рах. Планарная технология позволяет соче­тать в одном кристалле различные элементы и формировать интегральные полупрово­дниковые микросхемы. Полупроводниковые микросхемы занимают от одного до сотен квадратных миллиметров и обычно устанав­ливаются в стандартные оболочки (металли­ческие, керамические, пластиковые).

Диоды

 

Диод — полупроводниковое устройство, содер­жащее один p-n-переход. Свойства единич­ного диода определяются схемой распределе­ния легирующей примеси в кристалле. Диоды, способные пропускать в прямом направлении ток более 1 А, считаются силовыми.

 

 

Выпрямительный диод

 

Вольт-амперная характеристика кремниевого диодаВыпрямительный диод действует как одно­именная электронная лампа — пропускает ток в одном направлении, т.е. идеально под­ходит для выпрямления переменного тока. Обратный ток бывает приблизительно в 107 раз меньше, чем ток в прямом направлении (рис. «Вольтамперная характеристика кремниевого диода» ). Он сравнительно быстро возрастает при повышении температуры.

Выпрямительный диод для высокого обрат­ного напряжения

 

Напряжение в выпрямителях с высоким об­ратным напряжением падает в области про­странственного заряда. Так как эта область, как правило, размером всего несколько микрон, для нее характерна высокая напряженность электрического поля, при которой свободные электроны могут значительно ускоряться. Уско­ренные электроны могут привести к разрушению полупроводника (лавинный пробой). Чтобы из­бежать этого, между р- и n-слоями размещают слой с собственной проводимостью, так как этот слой содержит некоторое количество свободных электронов, что снижает опасность пробоя.

Переключательный диод

 

Переключательный диод обычно используется для бы­строго переключения между высоким и низким полными сопротивлениями. Более быстрая ха­рактеристика переключения может достигаться путем диффузии золота в материал (обеспе­чивает электронно-дырочную рекомбинацию).

 

 

Диод Зенера

 

В диоде Зенера при достижении некоторого начального уровня обратного напряжения происходит резкое возрастание электриче­ского тока. Это явление соответствует пробою Зенера (туннельный пробой p-n-перехода) и/ или лавинному пробою. Диоды Зенера пред­назначены для непрерывной работы в режиме пробоя. Они часто используются для обеспе­чения постоянного или опорного напряжения.

Варикап

 

Область пространственного заряда в p-n-переходе функционирует как конденсатор. Диэ­лектрик конденсатора представляет собой полу­проводниковый материал, в котором отсутствуют носители заряда. Повышение напряжения рас­ширяет обедненный слой и уменьшает емкость, а уменьшение напряжения ее повышает.

Диод Шотки

 

Имеет переход типа металл-полупроводник (барьер Шотки). Поскольку электроны более свободно перемещаются из кремния n-типа в металлический слой, а не наоборот, область, обедненная электронами, становится полу­проводниковым материалом — это и есть «ба­рьер Шотки». Заряды переносятся исключи­тельно электронами, при этом незначительное число переносчиков не позволяет заряду на­капливаться, результатом чего является очень быстрое переключение. Прямое напряжение и, следовательно, падение напряжения в диодах Шотки примерно на 0,3 В меньше, чем в крем­ниевых диодах (примерно 0,6 В).

Солнечный элемент

 

Фотогальванический эффект используется для преобразования световой энергии не­посредственно в электрическую. Солнечные элементы, состоящие, главным образом, из полупроводниковых материалов, в которых на свету образуются свободные носители заряда, — основные элементы фотогальвани­ческой технологии.

Воздействие света может привести к образованию свободных носителей заряда (электронно-дырочной пары) в полу­проводнике. Если полупроводник содержит p-n-переход, свободные носители заряда раз­деляются в его электрическом поле перед тем, как воздействовать на металлические кон­такты на поверхности полупроводника. Посто­янное напряжение (напряжение фото сигнала) возникает между контактами. В зависимости от используемого материала полупрово­дника электрический потенциал изменяется в интервале от 0,5 до 1,2 В. Это происходит только тогда, когда кванты света обладают, по крайней мере, энергией, необходимой для создания электронно-дырочной пары. Теоре­тический КПД кристаллических кремниевых солнечных элементов составляет около 30%.

Фотодиод

 

В фотодиоде используется фотогальва­нический эффект, р-n-переход работает в обратном направлении. Падающий свет соз­дает дополнительные электроны и дырки. Это приводит к пропорциональному росту обратного (фотогальванического) тока в за­висимости от интенсивности света. Таким об­разом, фотодиод, в принципе, очень похож на солнечный элемент.

Светодиод (LED)

 

Светоизлучающий диод, или светодиод пред­ставляет собой электролюминесцентный ис­точник света, состоящий из полупроводни­кового элемента с p-n-переходом. Во время работы носители заряда (электроны и дырки) рекомбинируют в прямом направлении. Вы­свобождаемая в ходе этого процесса энергия преобразуется в энергию электромагнитного излучения.

В зависимости от выбора полупроводника и его легирования светодиод излучает в ограниченном спектральном диапазоне. Как правило, используются арсенид галлия (ин­фракрасный спектр), арсенидфосфид галлия (от красного к желтому) и фосфид галлия (зеленый) и нитрид индия-галлия (синий). Для генерирования белого света исполь­зуется либо комбинация трех светодиодов основных цветов (красный, зеленый, синий), либо осуществляется возбуждение люми­несцентной краски при помощи светодиода, излучающего синий свет или свет в ультра­фиолетовом диапазоне.

 

 

Биполярные транзисторы

 

Транзистор п-р-п типаДва смежных р-n-перехода создают тран­зисторный эффект, который используется в компонентах, предназначенных для усиления и переключения электрических сигналов. Имеются три различных зоны проводимо­сти, при этом могут использоваться схемы как р-п-р, так и п-р-п. Зоны (и их выводы) называются эмиттером (Е), базой (В) и кол­лектором (С) (рис. «Транзистор n-р-n типа» ).

В зависимости от области применения транзисторы разделяются на различные классы: транзисторы малой мощности (рассе­иваемая мощность до 1 Вт); силовые транзи­сторы, коммутирующие транзисторы; высо­кочастотные транзисторы; СВЧ-транзисторы; фототранзисторы. Они называются биполяр­ными, потому что в транзисторном эффекте принимают участие носители заряда обеих полярностей (дырки и электроны).

Работа биполярного транзистора

 

Работа биполярного транзистора поясня­ется на примере транзистора п-р-п-типа (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Транзистор p-n-p-типа получа­ется аналогично, путем переключения n- и р-легированных зон.

Эмиттерный переход (ЕВ) — прямо включен­ный, показан на рис. «Транзистор n-р-n типа» , в, как диод, включен­ный между базой В и эмиттером Е. При доста­точно высоком напряжении Uве электроны инжектируются в область базы, и через тран­зистор протекает ток базы.

Коллекторный переход — обратно вклю­ченный, показан на рис. «Транзистор n-р-n типа» , в, как диод, вклю­ченный между базой В и коллектором С. Это создает область пространственного заряда в районе р-n-перехода между базой и коллек­тором с высокой напряженностью электри­ческого поля.

Принцип действия транзистора n-р-n типаБлагодаря включенному в обратном на­правлении диоду между базой и эмитте­ром, из эмиттера в базу течет большой ток, состоящий из электронов. Однако только небольшая часть электронов может реком­бинировать со значительно меньшим коли­чеством дырок и утекать через вывод базы, как ток базы Iв. Следует иметь в виду, на рис. «Транзистор n-р-n типа» показано техническое направление тока, т.е. направление движения носителей положительного заряда. Значительно боль­шее количество электронов, инжектирован­ных в базу, диффундирует через зону базы в переход база-коллектор и затем проходит к коллектору, как ток коллектора Iс (рис. «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ). Поскольку диод «база-коллектор» включен в обратном направлении, и преобладает об­ласть пространственного заряда, практиче­ски все (приблизительно 99 %) электроны, вытекающие из эмиттера, «вытягиваются» сильным электрическим полем, имеющим место в области пространственного заряда из коллектора. При этом имеет место при­близительно линейная зависимость между током коллектора Iс и током базы Iв:

Iс = В·IB

где значение В (коэффициент усиления по току) составляет обычно от 100 до 800. В би­полярном транзисторе имеет место также следующее соотношение для тока эмиттера IЕ (см. рис. «Транзистор n-р-n типа» и «Принцип действия транзистора n-р-n типа» ):

IE = IB+IC

В связи с тем, что Iв за счет коэффициента усиления по току В значительно меньше, чем Iс:

IE≈IC

Выходные характеристики транзистора n-р-n типаОчень тонкий (и относительно низколеги­рованный) слой базы представляет собой барьер, проводимость которого может регу­лироваться посредством изменения напря­жения база-эмиттер UВЕ. Путем небольших изменений UВЕ и тока базы Iв, можно управ­лять значительными изменениями тока кол­лектора Iс и напряжения коллектор-эмиттер UCE. Таким образом, малые изменения Iв вызывают значительные изменения тока коллектора Iс. Транзистор п-р-п-типа явля­ется биполярным, управляемым током полу­проводниковым усилителем. В целом имеет место усиление мощности.

Выходные характеристики транзистора п-р-п-типа показаны на рис. «Выходные характеристики транзистора n-р-n типа«. Начиная с напряжения насыщения UСЕ, равного при­близительно 0,2 В, ток коллектора Iс зависит практически только от тока базы Iв. Эта об­ласть имеет название «активной зоны»: здесь UCE практически не оказывает влияние на Iс, и имеет место следующее соотношение:

IC=B·IB

Область, которой напряжение коллектор- эмиттер ниже напряжения насыщения, на­зывается «зоной насыщения». В этой зоне /с резко возрастает с увеличением UСЕ.

 

 

Полевые транзисторы

 

Управление током в полевых транзисторах (FET) осуществляется электрическим полем, которое генерируется напряжением, при­кладываемым к управляющему электроду (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» ). Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типаВ полевых транзисторах использу­ется только один тип носителей заряда (элек­тронов или дырок), поэтому их называют также «униполярными». Существуют следу­ющие виды полевых транзисторов: полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (FET, JFET) и полевые транзисторы с изо­лированным затвором, в частности полевые MOS-транзисторы (на основе структуры металл-оксид-полупроводник).

Полевые MOS-транзисторы хорошо подхо­дят для применения в интегральных схемах с высокой степенью интеграции. Полевые транзисторы большой мощности во многих случаях представляют серьезную альтерна­тиву биполярным транзисторам.

Преимущества биполярных и полевых транзисторов используются в силовых электронных элементах, известных под на­званием «биполярные транзисторы с изо­лированным затвором» (IGBT), которые де­монстрируют низкое сопротивление (малые потери мощности) и сравнительно низкую мощность, требуемую для управления.

Работа обедненного слоя (управляющего р-n-перехода) полевого транзистора с управляющим р-n переходом

 

Работа полевого транзистора с управляющим p-n-переходом поясняется на примере тран­зистора с каналом n-типа (рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа«). Выводы полевого транзистора имеют названия затвор (G), исток (S) и сток (D).

Положительное прямое напряжение UDS приложено к концам кристалла p-типа. При этом электроны движутся от истока (S) к стоку (D) по каналу, ширина которого опреде­ляется двумя поперечно-диффундирующими областями p-типа и отрицательным напряже­нием затвор-исток UGS. Таким образом, на­пряжение UGS между затвором (G) и истоком (S) управляет величиной тока ID между ис­током и стоком (D).

Для работы полевого транзистора тре­буются носители заряда только одной по­лярности, а мощность, необходимая для управления током, фактически равна нулю. Таким образом, полевой транзистор с управ­ляющим p-n-переходом представляет собой униполярный, управляемый напряжением компонент. Увеличение UGS вызывает расши­рение областей пространственного заряда и их внедрение в каналы, что приводит к суже­нию канала и, следовательно, к ограничению пути тока (показано на рис. «Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа» пунктирными линиями). Если напряжение UGS на затворе равно нулю, сечение канала между двумя зонами p-типа не ограничено, и ток ID стока D к истоку S имеет максимальное значение.

Кривая переходной характеристики, т.е. ID в функции UGS выглядит точно так же, как характеристическая кривая самопроводящего полевого транзистора с каналом n-типа (NM0S), как показано на рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа«.

Работа MOS-транзистора

 

Работа MOS-транзистора (металл-оксид- полупроводник) поясняется на примере самоблокирующегося (обогащенного типа) канала n-типа M0SFET (рис. «Сечение полевого MOS-транзистора с каналом n-типа» ). Сечение полевого MOS-транзистора с каналом n-типаЕсли к электроду затвора никакого напряжения не прикладывается, между истоковой и стоко­вой областями ток протекать не будет: р-п-переход остается закрытым. Подача поло­жительного напряжения на затвор вызывает, за счет электростатической индукции, в зоне p-типа под этим затвором, смещение дырок внутрь кристалла, а электронов, которые всегда присутствуют в кремнии р-типа, как вторичные носители заряда, притягиваются к поверхности. Под поверхностью кристалла формируется узкий слой (канал) n-типа. Теперь электрический ток может проходить между двумя n-областями (исток и сток). Он обеспечивается исключительно электронной проводимостью. Поскольку напряжение за­твора подается на изолирующий оксидный слой, то в управляющей цепи ток отсутствует, и мощности на выполнение управляющих функций не требуется.

 

Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа

 

Для перезарядки емкости затвора требуется только активировать и деактивировать напряжение. В целом MOS-транзистор представляет собой унипо­лярный, управляемый напряжением элемент. Выходная характеристика канала n-типа полевого MOS-транзистораВ случае самопроводящего канала n-типа MOS-транзистора (обедненного типа, см. рис. а, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ), напряжение затвор-исток UGS нахо­дится в диапазоне от отрицательного порого­вого напряжения UT до нуля вольт (рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ). При UGS = 0 В самопроводящий канал n-типа MOS-транзистора имеет канал, проходящий ниже затворов, позволяющий протекать току. На рис. «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» , с показана зависимость ID от UGS, где цепь находится в активной зоне с достаточным и постоянным напряжением UDS. Переходная характеристика представляет собой параболу. В отличие от MOS-транзистора с самопроводящим каналом самоблокирующийся канал MOS-транзистора n-типа (см. рис. Ь, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ) прово­дит только при UT > 0 В (см. рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ). Самоблокирующиеся полевые MOS-транзисторы получили значительно большее распростране­ние, чем самопроводящие MOS-транзисторы.

Выходная характеристика самоблокирую­щегося полевого MOS-транзистора с каналом n-типа представлена на рис. «Выходная характеристика канала n-типа полевого MOS-транзистора«. Область, лежа­щая ниже кривой напряжения насыщения UK, т.е. область, в которой UDS < UK в связи с линей­ным характером характеристической кривой, называется линейной или омической областью. Здесь полевой MOS-транзистор ведет себя по­добно омическому сопротивлению. В области, лежащей выше кривой напряжения насыщения UK, т.е. в области, в которой UDS > UK, выходной ток ID практически не зависит от напряжения исток-сток UDS. Эта область известна под на­званием области отсечки. Величина ID зависит только от напряжения затвор-исток UGS. Рас­считывается по формуле:

ID= 0,5K(UGS-UT)2

где:

К — коэффициент пропорциональности (среди прочего зависящий от технологии изготовления),

UT — пороговое напряжение, начиная с которого транзистор начинает про­водить ток, т.е. при котором образуется канал (см. рис. с, «Полевой MOS-транзистор с каналом n-типа» ).

 

 

р-канальные MOS-транзисторы, n-канальные MOS-транзисторы и CMOS-транзисторы

 

CMOS-инвертор на основе p-MOS и n-MOS структурТак же как для n-канальных MOS-транзисторов, смешанное легирование дает р-канальный MOS-транзистор. Так как элек­троны в n-канальном MOS-транзисторе более подвижны, он работает быстрее по сравне­нию с р-канальным MOS-транзистором.

Также применяется технология, основан­ная на соединенных попарно р-канальных и n-канальных MOS-транзисторах в одном крем­ниевом кристалле. Такие устройства называ­ются комплементарными MOS-транзисторами (CMOS-транзисторами, см. рис. «CMOS-инвертор на основе p-MOS и n-MOS структур» ). Особен­ными преимуществами CMOS-транзисторов можно назвать крайне низкое рассеивание энергии, высокую степень устойчивости к по­мехам, относительную нечувствительность к изменению напряжения питания.

Гибридная технология BCD

 

Все более важную роль начинают играть интегрированные структуры для силовой электроники. Такие структуры реализуются путем объединения биполярных и M0S-компонентов в одном кремниевом чипе, что позволяет использовать преимущества обеих технологий. Гибридная технология BCD, ис­пользуемая для получения силовых MOS-компонентов (DMOS-структуры), играет важ­ную роль в автомобильной электронике. Эта технология представляет собой комбинацию CMOS и DMOS-технологий.

В следующей статье я расскажу об операционных усилителях.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *