Тенденции развития автомобильного транспорта, применение современных двигателей, выполняемых на основе принципиально новых конструктивных решений и материалов, выдвигают требования работы электронных устройств в расширенных температурных диапазонах и меньших по объему пространствах. Поиск альтернативных методов получения энергии и развития беспроводных коммуникационных систем требуют повышения многофункциональности и снижения энергоемкости используемых для решения этих задач микроэлектронных устройств. Вот о том, что представляют собой современные полупроводниковые технологии в автомобилестроении, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Электрическая проводимость твердых тел

 

Способность отдельных материалов проводить электрический ток определяется количеством и подвижностью имеющихся в них свободных носителей заряда. Так, различие в удельной электропроводимости для твердых тел при комнатной температуре проявляется в преде­лах диапазона, определяемого от 10-й до 24-й степени. Поэтому материалы соответствующим образом могут быть подразделены по электри­ческим свойствам на три электрических класса. В табл. «Классификация проводимости материалов» приведено их описание с примерами.

 

Проводники (металлы)

 

В твердых телах содержится приблизительно 10²² атомов на кубический сантиметр. Вместе их удерживают электрические силы. В ме­таллах имеется большое число свободных носителей заряда (один свободный электрон приходится на атом). Свободные носители зарядов обеспечивают металлам высокую электрическую проводимость. Для хоро­ших проводников она составляет примерно 10⁶ См/см.

 

Диэлектрики (изоляторы)

 

Число свободных носителей заряда, обнару­живаемое в изоляторах, практически равно нулю. Соответственно, их электрическая про­водимость незначительна. Для хороших изо­ляторов она составляет примерно 10¹⁸См/см.

 

Полупроводники

 

Полупроводники по электрической проводи­мости занимают промежуточное положение между металлами и изоляторами. Это — в от­личие от проводимости металлов и диэлек­триков — в значительной степени зависит от следующих факторов:

• Давление влияет на подвижность носите­лей заряда;
• Температура влияет на количество и под­вижность носителей заряда;
• Воздействие света влияет на количество и подвижность носителей заряда;
• Присутствие добавок также определяет, среди прочего, количество и тип носите­лей заряда.

 

Так как полупроводники зависят от указанных факторов, они пригодны для использования в ка­честве датчиков давления, температуры и света.

 

Легирование полупроводников

 

Легирование (дозированная добавка к основному материалу электрически активной примеси) в ло­кальной области обеспечивает полупроводнику определенную величину проводимости; именно эта процедура лежит в основе современной технологии полупроводников. Производимая и также регулируемая электропроводность крем­ния, которая может быть воспроизведена леги­рованием, равна от 10^-2 до 10⁴ См/см.

 

Электрическая проводимость полупроводников

 

Рассмотрим изменение этого параметра на примере кремния. В твердом состоянии кремний имеет кристаллическую решетку с четырьмя равноудаленными смежными атомами. Каждый атом кремния имеет че­тыре валентных электрона с двумя парными электронами, формирующими валентную связь между каждой парой атомов крем­ния. В таком идеальном состоянии кремний не имеет свободных носителей заряда и не является проводимым. Условия резко из­меняются при добавлении соответствующей присадки и подводе энергии.

Здесь мы поясним легирование на простой и очевидной модели. Тем не менее, важно помнить, что далеко не все эффекты можно объяснить при помощи этой модели.

 

n-легирование

 

Введение примесных атомов с пятью валент­ными электронами, например, фосфора, обеспечивает появление в кристаллической решетке кремния (см. рис. а, «Лигированный кремний«) 4 свобод­ных электронов. Таким образом, каждый дополнительный атом фосфора будет пре­доставлять свободный, отрицательно заря­женный электрон, и при этом остается одно положительно заряженное ядро фосфора. Кремний превращается в n-проводник (крем­ний n-типа), так как возникает избыток от­рицательного заряда (электроны). В ответ на внешнее приложенное напряжение создается электрическое поле Е, см. рис. «Лигированный кремний» , которое придает подвижным носителям заряда вы­деленное направление для движения.

 

р-легирование

 

Введение примесных атомов с тремя валент­ными электронами (например, бор) обеспе­чивает появление дырок, так как атом бора имеет на один электрон меньше, чем в кри­сталлической решетке кремния (рис. в, «Лигированный кремний«). Дырка означает нехватку электрона. Дырки перемещаются внутри кремния; в электриче­ском поле они перемещаются в направлении, противоположном направлению движения электронов. Дырки являются носителями свободного положительного заряда. Таким образом, каждый дополнительный атом бора предоставляет свободную положительно за­ряженную дырку (положительная дырка). Кремний превращается в p-проводник и на­зывается кремнием р-типа.

 

Собственная электропроводность

 

Под действием температуры и света в необ­работанном кремнии могут образоваться свободные носители заряда, представляющие собой связанные электронно-дырочные пары (экситоны), которые обеспечивают материалу собственную проводимость. Она является объединением проводимостей р- и n-типа, по­лучаемых легированием. Повышение темпера­туры ведет к экспоненциальному росту числа электронно-дырочных пар, в конечном счете устраняющему разность электрических потен­циалов между р- и n-областями, созданными легированием. Это явление налагает ограни­чение температуры, которым могут подвер­гаться полупроводниковые компоненты. Для германия — это 90-100 °С, для кремния —150— 200 °С, а для арсенида галлия — 300-350 °С.

В полупроводниках как n-, так и р-типа всегда имеется небольшое количество носи­телей заряда противоположной полярности. Их наличие сказывается на рабочих характе­ристиках практически всех полупроводнико­вых приборов.

 

p-n-переход

 

Пограничный слой между р и n-областью в пределах одного и того же кристалла полу­проводника называется p-n-переходом. Его свойства определяют рабочие характери­стики большинства полупроводников.

 

р-n-переход без внешнего электрического напряжения

 

P-область характеризуется наличием большого количества дырок, в то время как n-область имеет их очень немного. В n-области присутствует большое количество электронов, в то время как в p-области их исключительно мало. Каждый тип подвиж­ного носителя заряда стремится двигаться в противоположную зону (диффузионные токи) (рис. в, «р-n-переход в диоде» ).

 

 

Диффузия дырок в n-область приводит к тому, что p-область становится отрицательно заряженной в области пространственного за­ряда, так как отрицательно заряженные атом­ные радикалы, например, бора, остаются неподвижными. Недостаток электронов при­водит к тому, что n-область становится по­ложительно заряженной, так как в ней обра­зуется избыток неподвижных положительно заряженных атомных радикалов, например, фосфора. Возникает разность потенциалов между p- и n-областями (потенциал поля p-n-перехода U_D), противодействующая ми­грации носителей заряда и в конечном счете приводящая к полному прекращению обмена дырок и электронов. Потенциал U_D создан за счет диффузии, и его невозможно непо­средственно измерить извне, для кремния он обычно составляет всего лишь 0,6 В.

В p-n-переходе образуется область с не­достаточным количеством подвижных носи­телей заряда. Эта зона называется областью пространственного заряда или запирающим слоем. Она имеет электрическое поле, напря­женность которого также зависит от внеш­него приложенного напряжения.

 

р-n-переход с внешним электрическим напряжением

 

Теперь можно описывать условия работы ди­ода, так как p-n-переход соответствует струк­туре диода. Анод находится в p-легированном кремнии, а катод — в n-легированном кремнии.

При подаче напряжения U в обратном направлении (отрицательный полюс — в p-области, а положительный — в n-области) область пространственного заряда расширя­ется (рис. с, «р-n-переход в диоде» ). В этих условиях электрический ток I прерывается, за исключением мини­мального остаточного тока (обратный ток), поддерживаемого незначительным количе­ством носителей заряда. Напряжение U затем падает в области пространственного заряда. Соответственно, эта область становится зоной высокой напряженности электрического поля.

Напряжение туннельного пробоя р-п- перехода — это напряжение обратной полярно­сти и такой величины, когда минимальное его увеличение становится достаточным для рез­кого возрастания обратного тока (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ). Этот эффект объясняется следующим. Электроны, достигающие области пространственного за­ряда, значительно ускоряются за счет высокой напряженности поля. Таким образом, они мо­гут, в свою очередь, генерировать свободные носители заряда в результате такого воздей­ствия; этот эффект также известен как ударная ионизация. Это приводит к резкому возрас­танию тока и вызывает лавинный пробой. До­полнительно к лавинному пробою на основе туннельного эффекта возникает также зене­ровский пробой. Пробой может привести к нарушению p-n-перехода и поэтому иногда нежелателен. Тем не менее, во многих случаях пробой бывает полезен. Лавинный и зенеров­ский пробои возникают только в том случае, когда диод работает в обратном направлении.

При подаче напряжения U в прямом направ­лении (положительный полюс в p-области, а отрицательный — в n-области) область про­странственного заряда уменьшается (рис. d, «р-n-переход в диоде» ). Носители заряда проникают в p-n-переход под действием большого тока в прямом направле­нии (рис. «Вольт-амперная характеристика кремниевого диода» ), так как область пространствен­ного заряда больше не имеет значительного сопротивления. Эффективно только объемное сопротивление, то есть активное сопротивле­ние легированных слоев. Ток I возрастает экс­поненциально как функция U. Однако, следует помнить о «тепловом пробое», так как при этом полупроводник может полностью выйти из строя из-за перегрева. Это может прои­зойти, например, если диод работает в прямом направлении при недопустимо высоком токе.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: