Лекция № 5

Мощные электровакуумные приборы СВЧ: клистроны, магнетроны, амплитроны, лампы бегущей волны, предназначены для работы в радиолокационных станциях, станциях спутниковой связи, линейных ускорителях, телевизионных передающих устройствах.

Уровень Ферми при повышении температуры смещается в направлении середины запрещенной зоны. Процесс переноса заряда в полупроводнике может наблюдаться при наличии электронов как в зоне проводимости, так и в валентной зоне. Движение носителя заряда под действием электрического поля в кристалле полупроводника называется дрейфом. Векторы скорости дрейфа дырок и напряжённости электрического поля сонаправлены. Векторы скорости дрейфа электроновпроводимости и напряжённости электрического поля направлены противоположно.

Плотность дрейфового тока J_др в полупроводнике прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, обратно пропорциональна удельному сопротивлению (закон Ома в дифференциальной форме j_др = sЕ, где s - удельная проводимость.) При увеличении напряженности электрического поля при постоянной удельной электропроводности полупроводника увеличивается плотность электрического тока.

Направленное движение носителей заряда в полупроводнике, обусловленное неравномерным их распределением, называется диффузией. Вектор плотности тока диффузии дырок направлен в направлении уменьшения концентрации дырок. Вектор плотности тока диффузии электронов проводимости направлен в направлении уменьшения концентрации электронов проводимости.

Отдельные собственные или примесные полупроводники для изготовления электронных приборов применяются редко, в основном используются электрические переходы: электронно-дырочный (р-n-переход)-ВАХ₁, гетеропереход- ВАХ₁, переход металл-полупроводник (омические (невыпрямляющий- ВАХ₂) или Шоттки (выпрямляющий-ВАХ₁)). В невыпрямляющем переходе "металл-полупроводник" приконтактный слой полупроводника обогащен основными носителями и по сравнению с удельным сопротивлением объема полупроводника, обладает малым удельным сопротивлением. Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника р-типа А_р для невыпрямляющего контакта соотносятся A_м > A_p. Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника n-типа А_n для невыпрямляющего контакта соотносятся А_м < A_{n .}

Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника р-типа А_р для выпрямляющего контакта соотносятся А_м < A_{p ,}и А_м <<A_{p .} Работа выхода электрона из металла А_м и работа выхода из полупроводника n-типа А_n для выпрямляющего контакта соотносятся A_м > A_n и А_м >>A_{n .}Приборы на основе перехода Шоттки отличаются от приборов с p-n-переходом следующими параметрами: более высокий обратный ток, более лучшие динамические свойства, более низкое прямое напряжение.

Гетеропереход -переходный слой между двумя различными по химическому составу полупроводниками (Ge-GaAs), основной метод изготовления- эпитаксиальное наращивание.

р-n-переход – переход созданный в одном кристалле полупроводника методом диффузии донорных примесей- с одной стороны и акцепторных - с другой, либо методом эпитаксиального наращивания на пластину р-типа, эпитаксиальной пленки n-типа. Возможно изготовление переходов методом сплавления. В гетеропереходах, образованных полупроводниками с одним типом электропроводностивыпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда. В гетеропереходах, образованных полупроводниками с различным типом электропроводности, инжекция неосновных носителей происходит всегда из широкозонного полупроводника в узкозонный.

В р-n-переходе - области, окружающей границу раздела p- и n- областей полупроводникового кристалла, наиболее высокоомной частью является обедненная носителями область самого перехода. Нескомпенсированный положительный заряд ионов примеси сосредоточен в р-n переходе со стороны n-области, отрицательный -со стороны р-области. Напряжённость внутреннего электрического поля в р–п–переходе направлена из n–области в р–область.

Максимум модуля напряжённостиэлектрического поля в р-n переходе находится на границе раздела р- и n- областей. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода называют резким переходом, а больше –плавным.

В р-n-переходе при отсутствии внешних напряжений токи дрейфа и диффузии равны по модулю и противоположны по направлению. На энергетической диаграмме р–n–перехода, находящегося в состоянии равновесия, уровень Ферми в р– и n–области имеет одинаковые значения. В состоянии равновесия (при напряжении U=0) между полупроводниками р и n типа образуется контактная разность потенциалов φ _к (высота потенциального барьера), которая при прямом включении уменьшается на величину поданного напряжения U _пр, а при обратном увеличивается на величинуU_обр. Увеличиваетсяона и при повышении концентрации примесей. При одних и тех же концентрациях примесей (Na и Nd) высота потенциального барьера больше в переходах с большей шириной запрещенной зоны.

Другим параметром p-n-перехода является ширина перехода (толщина обеднённого слоя δ), которая с увеличением концентрации акцепторной примеси в р–области или концентрации донорной примеси в n–области р–n–перехода уменьшится. Уменьшится она и при прямом включении p-n-перехода. Соответственно- при обратном- увеличится. При прямом включении p-n-переходак p-области подключен плюс источника питания, к n-области – минус, при обратном включении наоборот.

В р–n–переходе, включенном в прямом направлении, преобладает диффузионная составляющая тока,т.е. происходит процесс инжекции носителей заряда- диффузия основных носителей под действием разности концентраций, при этом возрастает ток основных носителей заряда, напряженность внешнего электрического поля направлена противоположно напряженности внутреннего поля p-n-перехода. Движение носителей из р-области в n-область под действием градиента концентрации называется диффузией дырок, Движение носителей из n-области в p-область под действием градиента концентрации называется диффузией электронов.

В р–n–переходе, включенном в обратном направлении, преобладает дрейфовая составляющая тока, т.е. происходит процесс экстракции– дрейф неосновных носителей заряда под действием электрического поля, которое для неосновных носителей является ускоряющим. При обратном включении p-n-перехода напряженность внешнего электрического поля совпадает по направлению с напряженностью внутреннего поля p-n-перехода. Ток экстракции (дрейфа) очень мал и измерить его возможно только для узкозонных полупроводниковых приборов. Поэтому считается, что р-n-переход обладает вентильными свойствами,т.е. пропускает ток в прямом включении (малое R_пр) и не пропускает в обратном (большое R_обр). Обратный ток в p-n-переходе, работающем при напряжениях много меньших напряжению пробоя, практически не зависит от приложенного напряжения.Движение носителей из р-области в n-область под действием электрического поля называется дрейфом электронов, соответственно из n-области в p-область - дрейфом дырок.

На рисунке сплошной линией изображена ВАХ p-n-перехода в прямом включении. При увеличении температуры она р-n переход откроется быстрее, а значит хар-ка сместится в сторону кривой 1, при увеличении концентрации примесей или ширины запрещенной зоны характеристика сместится в сторону кривой 2.Диоды Шоттки обладают меньшими прямыми напряжениями по сравнению с обычным p-n переходом, а значит ВАХ диода Шоттки – 1.

На рисунке изображены вольт-амперные характеристики p-n-переходов, выполненных из Ge, Si, GaAs. Зная значения ширины запрещенных зон полупроводниковых кристалловΔW_Ge=0.69 эВ, ΔW _Si=1.12 эВ, ΔW_GaAs=1.43 эВ легко определить, что кривые 1 и 6 – Ge, 2 и 5-Si, 3 и 4 –GaAs. Параметрами диодов являются статическое R=U₀/I₀ и дифференциальное сопротивлениеRi=ΔU/ΔI, и крутизна ВАХ-величина, обратная R_i.Нелинейность вольт-амперной характеристики p-n–перехода объясняется примесными дефектамикристаллической структуры. Уравнение вольт-амперной характеристики p-n-перехода или

У диодов на основе p-n-перехода один контактвыпрямляющий идва омических (выводы для подключения к цепи). Резкий рост прямого тока в кремниевом p-n­-переходе начинается при напряжении 0,5–0,7 В, в германиевом p-n­-переходе - 0,2–0,4 В. Падение напряжения на переходе у кремниевых выпрямительных диодов при прямом включении ограничено напряжением 1 В. С ростом температуры напряжение на p-n-переходе при неизменном токе уменьшается. Допустимая температура составляет 120 ⁰С, а для германиевых - +60 ⁰С. Минимальная температура, при которой могут работать полупроводниковые приборы, составляет - - 60 ⁰С; Преимуществом германиевых выпрямительных диодов перед кремниевыми является небольшое падение напряжения на переходе при прямом включении. Выпрямительный диод предназначен для преобразования напряжения переменной полярности в напряжение постоянной полярности, получается однополярный пульсирующий ток, из которого путем фильтрации получают постоянный.

на рис- условное обозначение выпрямительных и импульсных диодов. Вывод 1 – положительный (р-область)-анод, вывод 2- отрицательный (n-область)-катод.

По размеру электрического перехода диоды классифицируют на плоскостные и точечные. Линейные размеры точечного перехода соизмеримы с толщиной его обедненной области. Основное достоинство точечного диода малая емкость p-n-перехода,т.к. Площадь контакта менее 50 мкм², прямые токи не превышают десятков миллиампер. Они являются маломощными, но высокочастотными.

Электронно–дырочный переход обладает барьерной и диффузионной ёмкостями. Барьерная ёмкость обусловлена зарядами примесных ионов, сосредоточенными в обеднённом слое, с увеличением абсолютного значения обратного напряжения уменьшается. (вольт-фарадная характеристика- кривая 1)

Диффузионная ёмкость (кривая 2) обусловлена неравновесными свободными носителями заряда, сконцентрированными вне обеднённого слоя. Образуется в основном при прямом включении, и с ростом прямого напряжения увеличивается, полупроводниковый прибор – варикап - строится на свойствах барьерной емкости p-n- перехода, т.е. его емкость меняется в зависимости от поданного обратного напряжения (кривая 1), с ростом которого емкость уменьшается. Более крутая характеристика получается по планарно-эпитаксиальной технологии, менее крутая по диффузионной технологии возможно изготовление варикапов по сплавной технологии. Основные параметры варикапа: максимальная емкость (на ВФХ обозначена буквой «А»), минимальная емкость (обозначена буквой «В»), добротность, которая с ростом частоты сначала увеличивается до некоторой f, затем уменьшается. Добротность варикапа на ВЧ описывается формулой на НЧ. С ростом обратного напряжения добротность высокочастотного варикапа увеличивается.

Импульсный полупроводниковый диод — это электрический переход, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Свойства и параметры импульсных диодов определяются переходными процессами. В настоящий момент времени лучшими импульсными характеристиками обладают переход Шоттки. Накопление неравновесных носителей заряда в металле отсутствует, поэтому его импульсные характеристики определяются только барьерной емкостью и временем пролета электронов через высокоомный слой кремния (10^–11с). Импульсные диоды могут работать как от генератора тока (рис 1) так и от генератора напряжений при высоком уровне инжекции. Чем меньше время установления прямого напряжения-t_х на рис.1, или время восстановления обратного сопротивления t_х на рис.2, тем более быстродействующий ИД. Другие параметры: буквой А обозначено прямое напряжение, В- обратное, С- прямой ток, D-ток насыщения.

При больших обратных напряжениях происходит резкий рост обратного тока- пробой перехода, иногда приводящий к разрушению р–n–перехода. В результате пробоя теряется свойство односторонней проводимости p-n-перехода. Виды пробоя, возможные в p-n-переходе: лавинный пробой, тепловой пробой, туннельный пробой. Самопроизвольное увеличение рассеиваемой мощности на р-n-переходе лежит в основе теплового пробоя. Переход при этом разрушается, такой вид пробоя необратим. С ростом обратного напряжения увеличение обратного тока вызывает увеличение температуры, усиление процесса термогенерации носителей, повышение концентрации неосновных носителей и, следовательно, еще более резкий рост обратного тока. Подводимая к переходу мощность Р_под становится больше отводимой Р_{отв .}Лавинный и туннельный пробои относятся к электрическим видам пробоев, они обратимы. В основе лавинного пробоя лежит эффект размножения носителей заряда в сильном электрическом поле. Туннельный пробой р–п–перехода обусловлен проникновением электронов сквозь ( а не над ним) потенциальный барьер, что возможно при больших значениях концентраций примесей в р– и п–областях (становятся вырожденными) и, как следствие,малой толщине перехода.

С увеличением концентрации акцепторной примеси в р–области или концентрации донорной примеси в n–области абсолютное значение напряжения электрического пробоя р–n–перехода уменьшается. P-n-переход в режиме электрического пробоя используется в стабилитронах – приборах, предназначенных для стабилизации обратного напряжения. Их делают только из кремния. У германия тепловой пробой наступает раньше, чем электрический. Величина напряжения стабилизации кремниевых стабилитронов определяется концентрацией примесей. Условно разделяют стабилитроны с напряжением стабилизации до 1,5 до 6 В – с туннельным пробоем, свыше 6В (высоковольтные стабилитроны до 400 В из слаболегированного кремния) – с лавинным пробоем.На рис. показаны ВАХ: 1 – лавинного пробоя, 2 –туннельного, 3-теплового. С увеличением температуры окружающей среды абсолютное значение напряжения теплового и туннельного пробоя р–n–перехода уменьшится (кривые 2 на рис. 2 и 3), а лавинного- увеличится (кривая 1- на рис.1). Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации –об. буквой D и соответствующий ему ток стабилизации (б.В), минимальный ток стабилизации (б.А)- ток при котором стабилизация еще не удовлетворительна, максимальный ток стабилизации (б.С)- ток после которого возможен тепловой пробой перехода.

Стабистор- прибор, предназначенный для стабилизации прямого напряжения, делают из низкоомного кремния, напряжение стабилизации не превышает 0,7 В.

Прибор на основе перехода, образованного вырожденными полупроводниками (уровень Ферми заходит в валентную зону в р - области, и в зону проводимости в n-области) -с высокой концентрацией примесей, и как следствие малой толщиной перехода, называется туннельным диодом. Принцип его действия основан на туннельном эффекте, т.е. когда электроны могут пройти через переход не меняя своей энергии сквозь потенциальный барьер, а не над ним,, при этом при малых напряжениях напряженность электрического поля достигает величин порядка 10⁶ В/см

Туннельные диоды на ВАХ имеют падающий участок- с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который используется для генерации сигналов. Для переключательных диодов отношение пикового тока I _п (максимального- в точке А) к току впадины -I_в (минимальному- в точке С)– должно быть максимально возможным, оно характеризует различимость двух логических уровней сигнала. Туннельные диоды обладают чрезвычайно малой инерционностью, так как имеют малую диффузионную емкость. Энергетическая диаграмма ТД в состоянии равновесияизображена на рис. 3. На рис. 1 – энергетическая диаграмма обычного диода на р-n-переходе, образованного низколегированными полупроводниками (обычный p-nпереход). Диод с критической концентрацией примесей, когда уровень Ферми соответствует в р-области энергии потолка валентной зоны, а в n-области энергии дна зоны проводимости, имеет диаграмму, как на рис.2. Такой диод называется обращенным. В прямом включении у него есть проводимость, но при более высоких напряжениях, чем при обратном, причем в обратном включении -за счет туннельного эффекта, а в прямом за счет инжекции носителей. Поэтому считается, что выпрямляющим эффектом обращенные диоды обладают при обратном включениии основными кривыми, поясняющими принцип действия обращенного диода являются ВАХ 3 и 4. Германиевый диод характеризуют кривые 2 и 3, из антимонида галлия- 1 и 4.

Полупроводниковый прибор, в котором при прохождении прямого электрического тока генерируется оптическое излучение называется излучающим диодом. Диоды излучающие в видимом диапазоне - называютсясветодиодами (СИД, LED)(ширина запрещенной зоны должна быть более 1,7 эВ), в инфракрасном диапазоне – инфракрасные диоды (ИКД) (меньше 1,7эВ). К излучающим приборам относят так же лазеры. В полупроводниковых лазерах излучение порождается рекомбинацией электронов и дырок. Эта рекомбинация оказывается вынужденной. Излучение в лазерах когерентное. Природа светового излучения двойственная: квантово-волновая. Энергия кванта излучения (фотона) зависит от частоты излучения. ВАХ светодиода такая же как у обычного p-n-перехода, но открываются они при более высоких напряжениях, чем выпрямительные диоды, т.к. сделаны из материала с большей шириной запрещенной зоны.В инжекционном светодиоде электрическая энергия преобразуется в энергию некогерентного светового излучения. На основе светодиодов делают индикаторы- приборы отображения информации. Конструкция индикаторов может быть семисегментная (8-элементная) и матричная. Все буквы алфавита позволяет воспроизводить матричная конструкция.

На рисунке изображены вольт-амперные характеристики светодиодов, выполненных из: SiC, GаAs, GaP. (1-∆W_GaAs=1.43 эВ, 2- ∆W_GaР =2.26 эВ, ∆W_SiC =2.39эВ)

 

Полупроводниковый прибор, обладающий способностью проводить электрический ток при освещении p-n-перехода называется фотодиодом, для его работы в фотодиодном режиме требуется обратное включение перехода. Режим работы фотодиода, когда к полупроводниковому переходу не подключены внешние источники напряжения, называется фотогальваническим режимом (солнечные батареи). Анализируя ВАХ фотодиода, видно, что ток, протекающий через диод зависит только от величины светового потока Ф и не зависит от приложенного напряжения. Поглощение света полупроводником повышает его электропроводность, т.к. при данной температуре дополнительно появляются неравновесные носители заряда. При Ф=0 (кривая А) протекает темновой ток. Ф_А<Ф_Б <Ф_С

Оптрон – прибор, содержащий источник и приемник излучения, помещенные в один корпус. В оптроне электрическая энергия преобразуется в оптическую, затем из оптической в электрическую, в оптроне входная и выходная цепь гальванически развязаны друг от друга. Свойства зависят как от приемника, так и от излучателя. В оптронной паре в качестве излучателей используются светоизлучающий диод, инфракрасные диод, лазерный диод,электролюминесцентные излучатели, в качестве приемника излучения – фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, фототиристоры. Классифицируются оптроны по фотоприемникам. На рис. УГО оптронов:1. динисторный, 2-диодный, 3,4,6-транзисторные, 5-резисторный.

Полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на возникновении в диапазоне сверхвысоких частот отрицательного динамического сопротивления, вызванного процессами лавинного умножения носителей заряда и их пролетом через полупроводниковую структуру, называется лавинно-пролетный диод.

Условно-графические обозначения диодов показаны на следующем рисунке: 1-импульсные и выпрямительные диоды, 2-СВЧ- диоды, 3-фотодиод, 4-светодиод, 5- стабилитрон, 6-варикап, 7-туннельный диод, 8- обращенный диод, 9- диод Шоттки.

Действие полупроводниковых термоэлектрических устройств основано на использовании термоэлектрических эффектов Пельтье или Зеебека. Термоэлемент состоит из двух ветвей, обладающих разным типом электропроводности: p-типа – положительная ветвь и n-типа - отрицательная Положительную и отрицательную ветвисоединяют между собойпоследовательнометаллической контактной пластиной. Зону электрического соединения ветвей термоэлемента называют спаем. При работе термоэлемента его спаи имеют различные температуры: один из них является теплопоглащающим, другой тепловыделяющим При наличии разности температур спаев в цепи с термоэлементом появляется термо-ЭДС (эффект Зеебека). Эффект Пельтье- поглощение и выделение теплоты в спаях термоэлемента при прохождении через него постоянного тока. Диффузия носителей заряда в термоэлементе проходит от горячего спая к холодному.

В полупроводниковых гальваномагнитных приборах используется воздействие магнитного поля на движущиеся в электрическом поле носители зарядов. Различают 2 Эффекта:1- эффект Холла- возникновение поперечной разности потенциалов в полупроводнике, по которому проходит электрический ток, в том случае, когда есть магнитное поле, перпендикулярное направлению тока; 2- магниторезистивный эффект- эффект изменения электрического сопротивления под действием магнитного поля (эффект Гаусса)

К электровакуумным приборам относятся электрические приборы, действие которых основано на использовании потока электрических зарядов в вакууме или в среде разреженного газа. В отличие от полупроводниковых приборов, где используются два вида носителей, в электронных лампах используется только один вид носителей заряда – электрон.

Процесс выхода электронов с поверхности твердых тел в результате внешних физических воздействий называется электронной эмиссией. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов нагретыми телами в вакуум или др. среду. Фотоэлектронная эмиссия (внешний фотоэффект)-испускание электронов под действием квантов электромагнитного излучения (света).

Источником потока электронов является катод. Анод- принимает поток электронов. Между анодом и катодом располагается от 1 до 7-8 сеток (управляющие, экранирующие, антидинатронные), получаются триоды, тетроды, пентоды, гексоды, октоды и пр.У пентода имеются катод, анод, нить накала и три сетки. Этот прибор обладает меньшей проходной ёмкостью, и как следствие, большими коэффициентом усиления и диапазоном частот.

В Электронно-лучевых трубках применяется оксидный подогревный катод, изготовленный в виде небольшого никелевого цилиндра, внутри которого находится подогреватель, а на дно нанесен активный слой. Электроны излучаются узким лучом, в направлении экрана. Управляющий электрод, или модулятор, предназначен для регулировки яркости светящегося пятна на экране, т.е. управления величиной тока луча. Для перемещения светящегося пятна по экрану электронно-лучевой трубки нужны отклоняющие пластины. К первому аноду подводится напряжение порядка +300 - 1000 В (относительно катода). На второй анод подаётся более высокое напряжение (1000-16000 В). В кинескопах, используется комбинированное управление лучом: электростатическая фокусировка и магнитное отклонение луча. Экран, покрыт люминофором — веществом, светящимся при попадании на него пучка электронов; отклоняющая система, управляет лучом таким образом, что он формирует требуемое изображение.