Электрические свойства полупроводников

неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата.

Рис. 19. Конструкция фотодиода в металлическом корпусе:

1−кристалл полуповодника с p−n−переходом;

2−кристаллодержатель;

3−корпус;

4−внутренний вывод;

5−коваровая трубка;

6−стеклянный проходной изолятор;

7−ножка корпуса;

8−кольцо припоя;

9−стеклянная линза.

 

Следствием линейности световой характеристики фотодиода является независимость интегральной чувствительности фотодиода от приложенного обратного напряжения. Поэтому одним из основных параметров фотодиода является не удельная интегральная чувствительность, а просто интегральная чувствительность:

.

Другой особенностью фотодиодов и важным преимуществом их по сравнению с фоторезисторами является малая инерционность. Вообще на инерционность фотодиодов могут влиять три физических фактора: время диффузии или дрейфа неравновесных носителей заряда через базу ; время их пролета через p-n-переход ; время перезаряда барьерной емкости p−n−перехода, характеризующееся постоянной времени .

В сплавных германиевых фотодиодах толщина базы составляет 20...30 мкм и 50 ≈ нс.

Время пролета носителей через p-n-переход

,

где — толщина p-n-перехода; — максимальная скорость дрейфа носителей заряда.

В германии и кремнии ≈ см/с, толщина p−n−перехода, зависящая от обратного напряжения и концентрации примесей в базе, обычно меньше 5 мкм. Следовательно, время пролета носителей через p−n−переход ≈0,1 нс.

Постоянная времени фотодиода определяется барьерной емкостью p-n-перехода, зависящей от напряжения, и сопротивлением базы фотодиода при малом сопротивлении нагрузки во внешней цепи. Сопротивление базы у фотодиодов значительно больше, чем у других диодов, так как невыпрямляющий контакт к базе фотодиода расположен по краям базы, а не по всей поверхности (рис. 19). Поэтому уменьшение толщины базы может привести не к уменьшению, а к увеличению сопротивления базы. Постоянная времени фотодиодов получается порядка наносекунд.

Таким образом, инерционность сплавных фотодиодов определяется временем диффузии носителей заряда через базу. В диффузионных фотодиодах, создав ускоряющее электрическое поле в базе из−за неравномерного распределения примесей, можно понизить время пролета носителей через базу до нескольких наносекунд. В таких фотодиодах все три фактора оказывают приблизительно одинаковое влияние на инерционность.

Спектральная характеристика фотодиодов также определяется со стороны больших длин волн шириной запрещенной зоны исходного полупроводникового материала, при малых длинах волн — большим показателем поглощения и увеличением влияния поверхностной рекомбинации носителей заряда с уменьшением длины волны квантов света. Таким образом, коротковолновая граница фоточувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Уменьшая эти величины, можно существенно сдвигать коротковолновую границу фоточувствительности фотодиодов в сторону меньших длин волн.

Положение максимума на спектральной характеристике фотодиода сильно зависит от степени роста коэффициента поглощения в данном полупроводнике. При резком увеличении коэффициента поглощения с уменьшением длины волны падающего света, например в германии, положение максимума определяется шириной запрещенной зоны = 1,55 мкм) и практически не зависит от толщины базы.

Если зависимость коэффициента поглощения от длины волны слабая, как, например, в кремнии, то эффект уменьшения проникновения квантов света в глубь полупроводника и увеличения роли поверхностной рекомбинации будет сказываться слабее с уменьшением длины  волны. Поэтому максимум спектральной характеристики может смещаться при изменении толщины базы и скорости поверхностной рекомбинации. Так, максимум спектральной характеристики кремниевых фотодиодов можно смещать в диапазоне от 0,6 до 1 мкм путем изменения их конструкции и технологии изготовления.

 

 

§3. Транзистор.

 

Свойство односторонней проводимости n−p−перехода в полупроводниках может быть использовано для усиления и генерации электрических колебаний, для чего применяются полупроводниковые триоды или транзисторы.

Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится  примесь атомов индия.   Две области монокристалла германия  с

примесью индия становятся полупроводниками с дырочной     проводимостью,   а     на     границе

                                                 соприкосновения         их         с           основным                                                                                                  

кристаллом возникают два n−p−перехода.

Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного

 Эмиттер   База   Коллектор    базе     типа,     называются      коллектором     и                                                                              

               (рис. 20)                    эмиттером, это показано на рисунке 20.

Транзисторы,  в которых эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью, а база — электронной, называются транзисторами p−n−p−перехода.

Транзисторы p−n−p−перехода имеют аналогичное устройство, только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер − электронной.

 

 

 

 

 

 

                                                    

                                                     (рис. 21)

Условное   обозначение  транзистора на схемах представлено на рисунке 21, а, б.

Таким образом, в транзисторе появляются два n−p−перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включить его в цепь, схема которой изображена на рисунке 22. В соответствии с технологией производства концентрация атомов примеси (а значит, и концентрация основных носителей тока) у эмиттера и коллектора должна быть различной.

Область с самой высокой концентрацией носителей тока (в нашем слчае дырок) называется эмиттером, область с меньшей концентрацией носителей тока (тоже дырок в нашем случае) − коллектором − средняя часть (с проводимостью n−типа) − базой. Толщина базы составляет 10−50 мкм, а концентрация носителей тока в базе во много раз меньше, чем в коллекторе.

При данном включении левый p−n−переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью p−типа, называемой эмиттером. Если бы не было правого n−p−перехода, в цепи "эмиттер − база" существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б и источника тока переменного напряжения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого перехода "эмиттер − база".

 

 

 

 

 

                                                        

                                                            (рис. 22)

Батарея Б включена так, что правый p−n−переход в схеме (рис. 22) является обратным. Он отделяет базу  от  правой  области   с  проводимостью

p−типа, называемой  коллектором. Если бы не было левого p−n−перехода, сила тока в цепи коллектора была бы близка к нулю, так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом p−n−переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере. Это можно объяснить тем, что при создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника p−типа − дырки − проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней не велико, попавшие в нее дырки почти не рекомбинируют с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый p−n−переход закрыт для основных носителей заряда базы − электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (по рис. 22) плоскости много меньше площади сечения в вертикальной плоскости.

Сила тока в коллекторе, практически равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в цепи коллектора, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника тока переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R. При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Одновременно и мощность, выделяющаяся на нагрузке R, будет значительно превышать мощность, расходуемую в цепи эмиттера. Происходит усиление мощности. Транзисторы получили широкое применение в технике.

 

 

 

 

§4. Термистор.

 

Полупроводниковый терморезистор — это резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Термистор — это полупроводниковый терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления.

Различают термисторы прямого и косвенного подогрева. В термисторах прямого подогрева сопротивление изменяется или под влиянием теплоты, выделяющейся в них при прохождении электрического тока, или в результате изменения температуры термистора из-за изменения его теплового облучения (например, при изменении температуры окружающей среды).

Уменьшение сопротивления полупроводника с увеличением температуры (отрицательный температурный коэффициент сопротивления) может быть вызвано разными причинами — увеличением концентрации носителей заряда, увеличением интенсивности обмена электронами между ионами с переменной валентностью или фазовыми превращениями полупроводникового материала.

1. Первое явление характерно  для термисторов, изготовленных из монокристаллов ковалентных полупроводников (кремний, германий, карбид кремния, соединения типа и др.). Такие полупроводники обладают отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих примесной электропроводности, когда не все примеси ионизированы, а также в диапазоне температур собственной электропроводности, когда концентрация носителей изменяется из-за ионизации собственных атомов полупроводника. И в том и в другом случае зависимость сопротивления полупроводника определяется в основном изменением концентрации носителей заряда, так как температурные изменения подвижности при этом пренебрежимо малы.

В этих диапазонах температур зависимость сопротивления полупроводника от температуры соответствует уравнению

,

где B — коэффициент температурной чувствительности; — коэффициент, зависящий от материала и размеров термистора. При неполной ионизации примесей и отсутствии компенсации

,

где — энергия ионизации примесей (доноров или акцепторов).

Для скомпенсированного полупроводника при неполной ионизации примесей

.

При собственной проводимости

,

где — ширина запрещенной зоны полупроводника.

2. Основная часть термисторов, выпускаемых  промышленностью, изготовлена из оксидных полупроводников — оксидов металлов переходной группы таблицы Д. И. Менделеева (от титана до цинка). Такие термисторы в форме стержней, трубок, дисков или пластинок получают методом керамической технологии, т. е. путем обжига заготовок при высокой температуре.

Электропроводность оксидных полупроводников с преобладающей ионной связью отличается от электропроводности ковалентных полупроводников. Для металлов переходной группы характерны наличие незаполненных электронных оболочек и переменная валентность. В результате при образовании оксида в определенных условиях (наличие примесей, отклонение от стехиометрии) в одинаковых кристаллографических положениях оказываются ионы с разными зарядами. Электропроводность таких материалов связана с обменом электронами между соседними ионами. Энергия, необходимая для такого обмена, экспоненциально уменьшается с увеличением температуры. В результате изменения интенсивности обмена электронами между ионами температурная зависимость сопротивления термистора из оксидного полупроводника имеет такой же характер, как и у термисторов из ковалентных полупроводников (рис. 23),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(рис.23) Температурная зависимость одного из термисторов

 

но коэффициент температурной чувствительности в этом случае отражает изменение интенсивности обмена электронами между ионами, а не изменение концентрации носителей заряда.

3. В оксидах ванадия  и при температуре фазовых превращений    (68 и —110 °С)   наблюдается   уменьшение  удельного сопротивления на несколько порядков. Это явление также может быть использовано для создания термисторов с большим отрицательным температурным коэффициентом сопротивления в диапазоне температур, соответствующих фазовому превращению.

Термисторы прямого подогрева имеют следующие характеристики и параметры:

Температурная характеристика термистора — это зависимость его сопротивления от температуры. Пример температурной характеристики одного из термисторов приведен на рис. 23.