Полупроводниковые приборы и их применение

Приложения для полупроводниковых приборов

Все типы транзисторов могут использоваться в качестве строительных блоков логических вентилей , которые являются фундаментальными при проектировании цифровых схем . В цифровых схемах, таких как микропроцессоры , транзисторы действуют как двухпозиционные переключатели; Например, в полевом МОП-транзисторе напряжение, приложенное к затвору, определяет, включен или выключен переключатель .

Транзисторы, используемые для аналоговых схем , не действуют как двухпозиционные переключатели; скорее, они реагируют на непрерывный диапазон входных данных с непрерывным диапазоном выходных данных. Общие аналоговые схемы включают усилители и генераторы .

Цепи, которые взаимодействуют или преобразуются между цифровыми цепями и аналоговыми цепями, называются цепями со смешанными сигналами .

Силовые полупроводниковые устройства — это дискретные устройства или интегральные схемы, предназначенные для приложений с высоким током или высоким напряжением. Силовые интегральные схемы сочетают в себе технологию ИС с технологией силовых полупроводников, их иногда называют «интеллектуальными» силовыми устройствами. Несколько компаний специализируются на производстве силовых полупроводников.

Идентификаторы компонентов

В десигнаторами полупроводниковых приборов часто определяется изготовителем. Тем не менее, были попытки создать стандарты для кодов типов, и некоторые устройства им следуют. Например , для дискретных устройств существует три стандарта: JEDEC JESD370B в США, Pro Electron в Европе и промышленные стандарты Японии (JIS).

Собственная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная основными носителями
Описание
При T=0 K  все собственные электроны полупроводника находятся в валентной зоне, целиком заполняя её (рис. 1).
 
Энергетическое распределение электронов в валентной зоне при нулевой температуре

Рис. 1

С повышением температуры тепловое движение «выбрасывает» в зону проводимости электроны из валентной зоны, при этом в валентной зоне остаются «пустые» состояния, которые называются дырками (рис. 2).

 Энергетическое распределение электронов в валентной зоне и зоне проводимости при ненулевой температуре

Рис. 2

Собственной проводимостью полупроводников называется проводимость, обусловленная движением под действием электрического поля одинакового числа свободных электронов и дырок, образовавшихся вследствие перехода электронов полупроводника из валентной зоны в зону проводимости. В идеальном полупроводнике при собственной проводимости концентрации электронов (ni) и дырок (pi) равны и много меньше числа уровней в валентной зоне и зоне проводимости. Поэтому свободные электроны занимают уровни вблизи дна зоны проводимости Ec, а свободные дырки — вблизи потолка валентной зоны Ev (рис. 1). При этом:

ni = pi = A exp(-DE/2kT),  (1)

где A=4,82Ч1015T 3/2(mn*mp*/m2)3/4;

mn*, mp* — эффективные массы электрона и дырки;

m — масса электрона;

k — постоянная Больцмана;

DE — ширина запрещенной зоны полупроводника;

T — абсолютная температура (дыркам приписывается эффективная масса mp, равная по абсолютной величине эффективной массе того электрона, который занял бы это валентное состояние, но с противоположным знаком; эффективная масса электрона в валентной зоне вблизи Ev отрицательна).

В общем случае эффективная масса зависит от направления движения носителя, что отражает анизотропию кристалла.

Для образования пары электрон-дырка, т.е. для возникновения собственной проводимости необходимо, чтобы температура полупроводника  была отлична от нуля.

Величина собственной проводимости:

,  (2)

где mn, mp — подвижности электронов и дырок, связанные с временем их свободного пробега (tn, tp):

mn = etn /mn*, … mp = etp /mp*.

При Т=300 К 

s = 2,1 Ом-1м-1 для Ge  (mn = 0,37 м2/ВЧс; mp = 0,18 м2/ВЧс);

s = 2Ч10-4 1Ом-1м-1 для Si  (mn = 0,17 м2/ВЧс; mp = 0,025 м2/ВЧс).

Собственная проводимость наблюдается только в очень чистых (без примесей) и совершенных (без дефектов) полупроводниках, в основном при достаточно высоких температурах.

Временные характеристики

Время инициации (log to от -3 до 2);

Время существования (log tc от -3 до 15);

Время деградации (log td от -3 до 2);

Время оптимального проявления (log tk от -1 до 1).

Диаграмма:

Технические реализации эффекта
Термистор
Техническая реализация — термистор (терморезистор). В среде с температурой T находится образец собственного полупроводника, например, Ge. Измеряя зависимость проводимости образца от температуры, убеждаемся, что при охлаждении проводимось уменьшается. Если построить эту зависимость в логарифмических координатах, то видно, что она стремится к нулю при абсолютном нуле температуры.
Применение эффекта
Использующие явление собственной проводимости термисторы используются как датчики температуры. Принцип действия такого датчика основан на изменении тока в цепи датчика при нагреве вследствие явления собственной проводимости: Jдатчика = s(T)ЧE, где E — поле внутри полупроводника.

Транзистор

Биполярный переходной транзистор

Структура транзистора с биполярным переходом n – p – n

Транзисторы с биполярным переходом (BJT) состоят из двух p – n-переходов в конфигурации n – p – n или p – n – p. Середина или основание , область между стыками обычно очень узкая. Другие области и связанные с ними клеммы известны как эмиттер и коллектор . Небольшой ток, вводимый через соединение между базой и эмиттером, изменяет свойства перехода база-коллектор, так что он может проводить ток, даже если он смещен в обратном направлении. Это создает гораздо больший ток между коллектором и эмиттером, управляемый током база-эмиттер.

Полевой транзистор

Другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), работает по принципу, согласно которому проводимость полупроводника может увеличиваться или уменьшаться в присутствии электрического поля . Электрическое поле может увеличивать количество свободных электронов и дырок в полупроводнике, тем самым изменяя его проводимость. Поле может быть приложено с помощью обратносмещенного p – n-перехода, образующего переходный полевой транзистор ( JFET ), или посредством электрода, изолированного от основного материала оксидным слоем, образуя полевой транзистор металл-оксид-полупроводник. ( МОП-транзистор ).

Металл-оксид-полупроводник

Работа полевого МОП-транзистора и его кривая Id-Vg. Сначала, когда напряжение на затворе не подается. В канале нет инверсионного электрона, прибор выключен. По мере увеличения напряжения на затворе увеличивается плотность инверсионных электронов в канале, увеличивается ток, устройство включается.

Металл-оксид-полупроводник полевой транзистор (МОП — транзистор, или МОП — транзистор), A твердотельное устройство, на сегодняшний день наиболее широко используется полупроводникового устройства сегодня. На его долю приходится не менее 99,9% всех транзисторов, и, по оценкам, в период с 1960 по 2018 год было произведено 13 секстиллионов полевых МОП-транзисторов

Затвора электрод заряжаются , чтобы произвести электрическое поле , которое управляет проводимость о «канале» между двумя терминалами, называемой источником и стоком . В зависимости от типа носителя в канале устройство может быть n-канальным (для электронов) или p-канальным (для дырок) MOSFET. Хотя MOSFET частично назван из-за его «металлического» затвора, в современных устройствах вместо него обычно используется поликремний .

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы применяют в качестве выпрямителей — диодов, а также триодов. В технике используют кремниевые, селеновые, германиевые и другие полупроводниковые диоды. На рис. 99, а приведена принципиальная схема однополупериодного выпрямителя с применением полупроводникового диода. К первичной обмотке трансформатора подключен источник переменного тока. Последовательно со вторичной обмоткой включены полупроводниковый диод и приемник постоянного тока r.
Через первичную обмотку в течение одного полупериода протекает переменный ток в направлении от точки 1 к точке 2, в течение второго полупериода — в обратном направлении, т. е. от точки 2 к точке 1. Когда в точке 3 вторичной обмотки будет положительный потенциал относительно точки 4, через диод и приемник будет протекать ток в направлении, показанном на схеме стрелкой (от + к —).
В следующий полупериод, когда в точке 3 вторичной обмотки будет Отрицательный потенциал относительно точки 4, ток через приемник протекать не будет (поскольку диод обладает односторонней проводимостью). В следующие полупериоды процесс повторится. Схема двухполупериодного выпрямления показана на рис. 99, б. К первичной обмотке трансформатора подключен источник переменного тока. В цепь вторичной обмотки включены два полупроводниковых диода. К средней точке этой обмотки присоединена нагрузка.

Рис. 99, Схемы полупроводниковых приборов

Допустим, что в точке 3 вторичной обмотки в первый полупериод будет положительный потенциал относительно точки 5, а в точке 4 отрицательный. Тогда ток пройдет через диод Д1. дроссель Др и приемник в точку 5 трансформатора. В это время диод Д2 тока не пропустит. В течение второго полупериода потенциал на концах вторичной обмотки трансформатора изменится, в точке 3 будет отрицательный потенциал, а в точке 4 — положительный. Ток пройдет через диод Дг, дроссель Др и приемник в точку 5. В это время диод Д) тока пропускать не будет. В следующие полупериоды процесс повторится. Таким образом, через приемник будет проходить ток в одном и том же направлении в течение каждого полупериода. Двухполупериодное выпрямление часто осуществляется также по мостовой схеме, приведенной на рис. 99, в. В этой схеме общее напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора равно половине общего напряжения на зажимах вторичных обмоток (двух половин) обычной двухполупериодной схемы.
Полупроводниковые триоды, называемые транзисторами, служат для тех же целей, что и ламповые триоды, т. е. для усиления и генерирования колебаний, но они по сравнению с электронными лампами обладают рядом преимуществ: большим сроком службы, малыми размерами, большой механической прочностью, отсутствием расхода энергии на накал, незначительным собственным потреблением энергии. Полупроводниковый триод представляет собой пластинку из кремния или германия, состоящую из трех областей: две крайние всегда с одинаковым типом проводимости, а средняя — с противоположной проводимостью.

Триоды, у которых средняя область обладает электронной проводимостью, сокращенно называются триодами типа р—п—р; триоды, у которых средняя область имеет дырочную проводимость, — триодами типа п—р—п, Каждая из трех областей полупроводникового триода имеет свое название: левая область, испускающая (эмиттирующая) электроны — носители зарядов, называется эмиттером Э; правая область, собирающая носители зарядов, — коллектором К, а средняя область — основанием или базой Б. По своему назначению эмиттер подобен катоду, коллектор — аноду, а база — управляющей сетке трехэлектродной лампы. Простейшая схема усилителя с полупроводниковым триодом изображена на рис. 99, г.
На вход трансформатора подается усиливаемый сигнал. В цепь эмиттера включена вторичная обмотка трансформатора, а для ограничения силы тока введено сопротивление. В цепь коллектора (на выходе триода) включена нагрузка Rн. Сопротивление нагрузки Rн при соответствующем подборе напряжения батареи может быть достаточно большим по сравнению с сопротивлением на входе усилителя. Триод будет усиливать мощность подаваемого сигнала, так как мощность, подводимая к его входу, меньше полезной мощности сигнала на выходе, т. е.

• Назад
• Вперёд

Механизм электрической проводимости

Проводимость таких материалов, как полупроводники, имеет иной характер, чем у обычных проводников. Главное условие возникновения тока в материалах – наличие достаточного количества свободных электронов. Кристаллическая структура полупроводниковых материалов характеризуется ковалентными химическими связями, когда каждый электрон ядра связан с двумя рядом стоящими атомами.

Электроны веществ участвуют в переносе заряда при получении некоторой энергии. Работа энергии для полупроводников имеет значение порядка единиц электрон-вольт (эВ). У проводников это значение меньше, у диэлектриков, соответственно, больше.

Дырка

Важная особенность рассматриваемых материалов – они могут обладать особым типом проводимости – дырочной. В электронной оболочке атома в момент отрыва и ухода электрона образуется свободное место, которое принято именовать дыркой. Соответственно, дырка имеет положительный заряд, направление движения противоположно потоку электронов.

Энергетические зоны

Все вещества характеризуются энергетическими зонами электронов оболочки атома. Таких зон три:

• Зона проводимости;
• Запрещенная зона;
• Зона валентности.

Название запрещенной зоны говорит о том, что электрон находиться в ней не может. Поэтому для возникновения тока электрон должен переместиться в зону проводимости из стабильной валентной зоны. Чем шире запрещенная зона, тем свойства материала приближаются к диэлектрикам.

Подвижность

При воздействии электрического поля в материалах начинается движение носителей заряда. В рассматриваемом случае это электроны и дырки. Зависимость между скоростью движения и величиной напряженности электрического поля при отсутствии влияния нагрева называется подвижностью. Рост числа взаимных столкновений является причиной того, что при увеличении концентрации подвижность падает.

Электронно-дырочный переход

У полупроводника имеется два типа электропроводимости – электронная и дырочная. В чистых полупроводниках (без примесей) у дырок и электронов концентрация (N Д и N Э соответственно) одинаковая. По этой причине такая электропроводность называется собственной. Суммарное значение тока будет равно:

I = I Э+I Д.

Но если учесть тот факт, что у электронов значение подвижности больше, чем у дырок, можно прийти к такому неравенству:

I Э > I Д.

Подвижность заряда обозначается буквой М, это одно из главных свойств полупроводников. Подвижность – это отношение двух параметров. Первый – скорость перемещения носителя заряда (обозначается буквой V с индексом «Э» или «Д», в зависимости от типа носителя), второй – это напряженность электрического поля (обозначается буквой Е). Можно выразить в виде формул:

М Э = (V Э / Е).

М Д = (V Д / Е).

Подвижность позволяет определить путь, который проходит дырка или электрон за одну секунду при значении напряженность 1 В/см. можно теперь вычислить собственный ток полупроводникового материала:

I = N * e * (М Э + М Д) * E.

Но нужно отметить, что у нас есть равенства:

V Э =М Э.

N = N Э = N Д.

Буквой е в формуле обозначается заряд электрона (это постоянная величина).

Помогла вам статья?

ДаНет

Логические элементы

Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем.

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.

Полупроводники в процессорах. Закат эпохи кремния

В таких передовых областях, как разработка и производство процессоров,
где размер и скорость полупроводниковых элементов играют решающую роль,
развитие технологий использования кремния практически подошло к пределу своих возможностей.
Улучшение производительности интегральных схем,
достигающееся путем наращивания рабочей тактовой частоты и увеличения количества транзисторов,
при дальнейшем использовании Si становиться все более сложной и дорогостоящей задачей.

По мере повышения скорости переключения транзисторов, их тепловыделение усиливается по экспоненте.
Это остановило в 2005 году максимальную тактовую частоту процессоров где-то в районе 3 ГГц
и заставило разработчиков перейти на стратегию «многоядерности».

Количество полупроводниковых элементов в одном чипе увеличивается путем уменьшения их физических размеров –
переход на более тонкий технологический процесс.
Каждый такой шаг означает снижение линейных размеров транзистора примерно в 1,4 раза и площади примерно в 2 раза.
Всем известный Intel на данный момент (2011 год) владеет технологией в 32 нм при которой длина канала транзистора составляет 20 нм.
Переход на более тонкий тех. процесс осуществляется этой компанией примерно каждые 2 года.

Быстродействие транзисторов по мере их уменьшения растет,
но уже не повышается тактовая частота ядра процессора, как было до 90 нм тех. процесса.
Это оставляет дальнейшее развитие кремниевых технологий малоперспективным.

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si).
На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием,
у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V).
Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам.
К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge,
довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые.
Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.

Использование полупроводниковых приборов

Действие полупроводниковых приборов основывается на электронных процессах, которые протекают в кристаллах полупроводников. Основным материалом, использующимся для производства полупроводниковых приборов, является кремний.

Одни из самых широко используемых видов полупроводниковых приборов являются полупроводниковые диоды. Полупроводниковые диоды способны пропускать электрический ток только в одном направлении — от анода к катоду. Они делятся на следующие виды:

1. Выпрямительные диоды, которые используются для превращения переменного тока низкой частоты в постоянный ток. К основным параметрам данных диодов относятся максимально допустимые обратное напряжение и прямой электрический ток.
2. Универсальные диоды применяются для выпрямлений токов в широком диапазоне. Основные параметры таких диодов такие же, как у выпрямительных.
3. Импульсные диоды применяются для преобразования импульсного сигнала.
4. Стабилитроны используются для стабилизации напряжения. В данных устройствах падение напряжения почти не зависит от протекающего электрического тока.
5. Варикапы используются, как конденсаторы переменной емкости, которые управляются напряжением.

У транзисторов существуют три режима работы, в зависимости от выполняемых ими функций. В активном режиме транзисторы применяются для усиления электрического сигнала в аналоговых устройствах. В режимах отсечки и насыщения они используются в коммутационных, цифровых и импульсных схемах.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор, который функционирует в режимах — высокой и низкой проводимости. Тиристоры используются для бесконтактного включения/выключения электрической цепи. Эти приборы характеризуются способностью коммутации электрического тока значительной величины, а также высоким быстродействием. Различают следующие виды тиристоров: динистор (при увеличении прямого напряжения открывается), тринистор (имеется дополнительный управляющий электрод), запираемый тиристор (можно перевести в закрытое состояние, если подать управляющий импульс обратной полярности), симистор (способен проводить электрический ток в обоих направлениях).

Тиристоры применяются, как бесконтактные переключатели и управляемые выпрямители в преобразователях электрического тока и устройствах автоматики. В цепях с импульсным или переменным электрическим током есть возможность изменять время открытого состояния тиристора, что позволяет регулировать мощность, которая выделяется в нагрузке.

Полевой транзистор

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Каналом называют центральную область транзистора.

Исток (И) это электрод, из которого в канал входят основные носители заряда. Сток (С) это электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (З).

Условное обозначение полевого транзистораТиристор это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами. Он подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью небольшого управляющего тока. Условное обозначение тиристора в схемах
(УЭ – управляющий электрод).

Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Их широко используют в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный) преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводами.

Усилителем называют устройство, которое позволяет увеличивать без искажения мощность слабого сигнала за счет дополнительного источника энергии, питающего усилитель.

Свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению К_u называют отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

Генератором называют автоколебательную систему, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Форма колебаний определяется спектром генерируемых частот.

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют двух типов:
LC – генератор или RC – генератор. В основе LC — генератора лежит колебательный контур, с его помощью получают синусоидальные колебания в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц.

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Термоэлектронная эмиссия

В металлах вокруг каждого атома имеются электроны, слабо связанные с ним. Часть этих электронов, оторвавшихся от своих ядер, находится в беспорядочном движении. Скорость хаотического движения этих свободных электронов зависит от температуры металла: чем выше температура, тем быстрее перемещаются электроны. При некоторых значениях температуры (900— 1000°С) скорость движения части электронов становится настолько значительной, что, преодолевая силы притяжения ядер атомов, они вырываются из металла и вылетают за его пределы. Это явление носит название термоэлектронной эмиссии. Наибольшей термоэлектронной эмиссией обладают натрий, калий, цезий, барий и некоторые другие металлы.

Основные особенности полупроводников

Показатель проводимости составляет около 1000 Ом*м (при температуре 180 градусов). Если сравнивать с металлами, то у полупроводников происходит уменьшение удельной проводимости при возрастании температуры. Такое же свойство имеется у диэлектриков. У полупроводниковых материалов имеется достаточно сильная зависимость показателя удельной проводимости от количества и типа примесей.

Допустим, если ввести в чистый германий всего тысячную долю мышьяка, произойдет увеличение проводимости примерно в 10 раз. Все без исключения полупроводники чувствительны к воздействиям извне – ядерному облучению, свету, электромагнитным полям, давлению и т. д. Можно привести примеры полупроводниковых материалов – это сурьма, кремний, германий, теллур, фосфор, углерод, мышьяк, йод, бор, а также различные соединения этих веществ.