Wykład 15
advertisement
Wykład 15 Przyrządy półprzewodnikowe Ostatnie lata przyniosły ogromny rozwój mikroelektroniki, a głównie mikroelektroniki półprzewodnikowej. Nawet zwięzły przegląd podstawowych przyrządów mikroelektroniki nie jest możliwy w ramach niniejszego wykładu. A zatem rozważane niżej zasady działania niektórych prostych przyrządów półprzewodnikowych można uważać raczej jako ilustrację tego, jakie duże możliwości w rozwoju nowej techniki (nowych elementów konstrukcyjnych mikroelektroniki) dają zastosowania nawet tych prostych zjawisk fizycznych, które omawialiśmy wyżej. Dioda tunelowa W diodach tunelowych jest wykorzystywany efekt tunelowania występujący w cienkich złączach pn wykonanych z silnie domieszkowanych półprzewodników znajdujących się w stanie zwyrodnienia. Rys.15.1. Zasada działania diody tunelowej W takich półprzewodnikach po złączeniu półprzewodników i ustalaniu się stanu równowagowego, który następuje po wyrównaniu potencjałów chemicznych półprzewodników, okazuje się, że równowagowy potencjał chemiczny (poziom Fermiego) dwóch półprzewodników leży wewnątrz pasma przewodnictwa półprzewodnika typu n i wewnątrz pasma walencyjnego półprzewodnika typu p (rys.15.1). 178 Z rys.15.1 widzimy, że gdy zachodzi nakrywanie się pasma walencyjnego przewodnika typu p na pasmo przewodnictwa półprzewodnika typu n , wzrasta prawdopodobieństwo przejścia tunelowego elektronów z obszaru typu p do n (strumień 1) oraz z obszaru typu n do p (strumień 2). W nieobecności zewnętrznego pola elektrycznego prądy te są równe i skierowane w przeciwne strony. Wskutek tego wypadkowy prąd płynący przez złącze p n jest równy zeru (rys.15.1a). Gdy zwiększa się napięcie polaryzujące złącze w kierunku wstecznym, zwiększa się stopień nakrywa się pasm i rośnie liczba elektronów tunelujących z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa (rys.15.1b). A zatem rośnie prąd wsteczny. Gdy zwiększa się napięcie polaryzujące złącze w kierunku przewodzenia, zmniejsza się stopień nakrywa się pasm i rośnie liczba elektronów tunelujących z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego (rys.15.1c). Powoduje to zwiększenie prąd przewodzenia. Prąd ten osiąga wartość maksymalną, gdy dno pasma przewodnictwa obszaru n i poziom Fermiego w obszarze p pokrywają się (rys.15.1d). Przy dalszym zwiększeniu napięcia polaryzacji liczba zajętych stanów w obszarze typu n leżących naprzeciw nieobsadzonych stanów w obszarze typu p maleje (rys.15.1e), co powoduje zmniejszenie prądu przewodzenia. Prąd osiąga minimum wtedy, kiedy dno pasma przewodzenia obszaru n i wierzchołek pasma walencyjnego obszaru typu p pokrywają się (rys.15.1f). Kolejne zwiększenie polaryzacji w kierunku przewodzenia powoduje, podobnie jak w zwykłej diodzie, wstrzykiwanie nośników mniejszościowych i pojawienie się w złączu p n prądu dyfuzyjnego. Prąd ten rośnie wykładniczo ze wzrostem napięcia polaryzacji w kierunku przewodzenia (rys.15.1g). Z charakterystyki prądowo-napięciowej diody tunelowej widzimy, że charakterystyka ta ma odcinek, na którym dioda ma ujemny opór różniczkowy: na tym odcinku prąd maleje ze wzrostem napięcia. Z taką charakterystyką spotykaliśmy rozważając diodę Gunna. Dzięki tej właściwości diody tunelowe stosują do generacji drgań elektromagnetycznych; jako przełączniki (przełącznik albo klucz działa na przemian w jednym z dwóch stanów, nazywanych blokowaniem (bardzo duża rezystancja elementu – klucz rozwarty) i przewodzeniem (bardzo mała rezystancja – klucz zwarty)); jako mieszacze (mieszacz jest układem, który przyjmuje kilka sygnałów na swoje wejście i generuje z nich pojedynczy sygnał o innej częstotliwości) itd. 179 Ogniwo fotoelektryczne Budowa ogniwa fotoelektrycznego jest pokazana na rys.15.2. Na powierzchni półprzewodnika typu p jest naniesiona cienka warstwa półprzewodnika typu n . Między tą warstwą a półprzewodnikiem typu p tworzy się złącze p n z warstwą zaporową. Gdy złącze jest oświetlone i energia fotonów hν jest większa niż szerokość przerwy energetycznej materiału homozłącza p n , w obszarze półprzewodnika generowane są pary elektrondziura. Elektrony z obszaru p dyfundując do złącza p n zostają przenoszone przez pole kontaktowe złącza do obszaru typu n . Generowany pod wpływem działania światła dziury przechodzą z obszaru n do obszaru typu p . A zatem obszar typu p ładuje się dodatnio, a obszar typu n - ujemnie. W taki sposób w złączu p n powstaje dodatkowa różnica potencjałów U fot , działająca w kierunku przewodzenia. Ta dodatkowa różnica potencjałów nosi nazwę siły fotoelektromotorycznej (SFEM). Rys.15.2. Ogniwo fotoelektryczne: a) schemat budowy, b) schemat energetyczny działania ogniwa Fotoelementy służą jako detektory energii promienistej nie wymagające zasilania zewnętrznego, a także mogą być stosowane jako przetworniki energii świetlnej w energię elektryczną (ogniwo fotoelektryczne). Fotodioda Fotodioda, jak i fotoelement, jest też złączem p n . Ale w odróżnieniu od fotoelementu, fotodioda jest spolaryzowana zewnętrznym polem w kierunku wstecznym. Przez fotodiodę nieoświetloną płynie niewielki prąd wsteczny (ciemny prąd). Oświetlenie 180 złącza p n znów powoduje zwiększenie liczby nośników mniejszościowych: elektronów w obszarze typu p i dziur – w obszarze typu n . Rys.15.3. Fotodioda: a) schemat włączenia, b) charakterystyka prądowo-napięciowa To powoduje wzrost natężenia prądu wstecznego i zwiększenie spadku napięcia na oporze obciążenia Robc (rys.15.3). Zmiana prądu wstecznego będzie wprost proporcjonalna do strumienia świetlnego. Fototranzystor W fototranzystorze przez nie oświetlany tranzystor płynie prąd ciemny. Gdy baza tranzystora zostaje oświetlona światłem, powstają w niej pary elektron-dziura (rys.15.4). W przypadku tranzystora typu p n p , powstające w bazie dziury dyfundują do kolektora, zwiększając jego prąd. Rys.15.4. Fototranzystor: a) budowa fototranzystora, b) schemat włączenia w obwód Elektrony, powstające w bazie nie mogą przejść do emitera z powodu bariery potencjału występującej dla nich w złączu p n emitera. Elektrony te zwiększają nieskompensowany ładunek ujemny bazy i powodują zwiększenie liczby wstrzykiwanych dziur z emitera do bazy. Osiągając kolektorowe złącze p n , wstrzyknięte dziury zwiększają prąd kolektorowy w 181 znacznie większej mierze niż dziury, które powstały w bazie pod wpływem światła. W ten sposób zachodzi wewnętrzne wzmocnienie fotoprądu. Ten efekt wzmocnienia fotoprądu powoduje, że czułość fototranzystorów jest znacznie większa niż czułość fotodiod. Fotorezystor Fotorezystor jest przyrządem półprzewodnikowym, którego rezystancja zmienia się pod wpływem padającego promieniowania świetlnego. Fotorezystory wykonuje się najczęściej w postaci cienkich półprzewodnikowych warstw monokrystalicznych lub polikrystalicznych naniesionych izolacyjne np. szklane podłoże (rys.15.5). Materiał światłoczuły rozdzielają dwie metalowe elektrody mające wyprowadzenia. hν Elektroda CdS Podłoże Rys.15.5. Schemat budowy fotorezystora Fotorezystory wykonuje się z materiałów półprzewodnikowych takich jak: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, jak również z półprzewodników domieszkowanych. Od materiału półprzewodnikowego zależy zakres widmowy wykrywanego promieniowania. Oświetlenie fotorezystora powoduje zwiększenie natężenie przepływającego prądu i odpowiednio - zmniejszenie jego rezystancji. Prąd będący różnicą całkowitego prądu płynącego przez fotorezystor i prądu ciemnego (prąd płynący przez fotorezystor przy braku oświetlenia) nosi nazwę prądu fotoelektrycznego. Jego wartość zależy od natężenia oświetlenia i jest określona zależnością I fot a EVβ , (15.1) gdzie a i β są stałe zależne od materiału półprzewodnikowego; EV - natężenie padającego na fotorezystor światła. Fotorezystory są wykorzystywane do pomiaru temperatury i ostrzegania w systemach przeciwpożarowych, wykrywania zanieczyszczeń rzek i zbiorników wodnych, detekcji strat ciepła przez izolację termiczną budynków, badania zasobów ziemi z samolotów i satelitów. 182 Dioda elektroluminescencyjna (światłodioda - LED) Przepływowi prądu elektrycznego przez złącze p n w kierunku przewodzenia towarzyszy, jak już wiemy wstrzykiwanie dziur z półprzewodnika typu p do półprzewodnika typu n , w którym staja się one nośnikami mniejszościowymi oraz wstrzykiwanie elektronów w kierunku odwrotnym. Wstrzyknięte nośniki mniejszościowe rekombinują z nośnikami większościowymi i ich koncentracja szybko maleje w miarę oddalania się w głąb półprzewodnika. W wielu półprzewodnikach wskutek takiej rekombinacji energia wydzielająca podczas rekombinacji zostaje przekazana sieci krystalicznej, a więc zamienia się na ciepło. Jednak istnieją półprzewodniki, takie jak SiC , GaAs , GaP , InSb , InAs , w których podczas rekombinacji dziur i elektronów energia jest wydzielana w postaci kwantów światła – fotonów ν EC EV / h . Dlatego o częstości w takich półprzewodnikach przepływowi prądu przez złącze pn w kierunku przewodzenia towarzyszy świecenie obszaru złącza. Na tym zjawisku jest oparte działanie tak zwanej diody elektroluminescencyjnej - LED (ang. Light-Emitting Diode), która obecnie Rys.15.6. Schemat powstawania fotonów w diodzie świecącej ma wydajność świetlną w trzy albo cztery razy większą niż tradycyjne żarówki. Lasery półprzewodnikowe W laserach (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) półprzewodnikowych stymulowana emisja zachodzi w wyniku promienistej rekombinacji elektronów i dziur. W większości używanych laserów półprzewodnikowych obecnie stosuje 183 się podwójne heterozłącze (rys.15.7). Odwrócenie (inwersja) obsadzeń elektronów i dziur oraz akcja laserowa zachodzą w półprzewodniku, który znajduje się między półprzewodnikami szerokopasmowymi przeciwnie domieszkowanymi p i n typu, na przykład GaAs znajduje się między półprzewodnikami ( Al , Ga) As . Inwersję obsadzeń uzyskuje się za pomocą przyłożonego w kierunku przewodzenia napięcia polaryzacji większego od napięcia V równoważnego z przerwą energetyczną warstwy aktywnej. Wskutek tej polaryzacji półprzewodnika typu półprzewodnika wstrzykiwane n elektrony z i typu do dziury z będą p obszaru czynnego. Istniejąca bariera potencjalna na złączu zapobiega odpływowi elektronów do obszaru typu p , a przeciwna bariera nie pozwala na ruch dziur do obszaru typu n . W optycznie aktywnym obszarze wstrzyknięte ładunku (elektrony i dziury) Rys.15.7. Laser zbudowany na podwójnym heterozłączu rekombinują wysyłając kwanty światła. Tyrystory i dynystory Tyrystory to są cztery złącza (albo więcej) zawierające trzy Z1, Z 2 , Z3 połączonych szeregowo p n złącza (rys.15.8). Rys.15.8. Dynystor: a) złącze p n p n , b) analog tranzystorowy, c) charakterystyka prądowo-napięciowa dynystora 184 Zewnętrzne obszary tyrystora nazywają emiterami. Dwa wewnętrznych obszary tyrystora nazywają bazami. Sterujące tyrystory zawierają sterującą elektrodę podłączoną do jednej z baz (rys.15.9). Tyrystory wykorzystują się jako przełączające urządzenia w technice obliczeniowej, w technice wysokich prądów i napięć. Tyrystory bez sterujących elektrod noszą nazwę dynystorów. Dynystory zawierają dwa wyprowadzenia (dwie końcówki). Dynystor (dioda przełączająca) wygodnie jest rozpatrywać jako dwa tranzystory: tranzystor typu p n p i typu n p n , połączonych ze sobą jak pokazano na rys.15.8. Przy połączeniu przedstawionym na rys.15.8 złącza Z1 i Z 3 są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze Z 2 jest spolaryzowane w kierunku wstecznym. Całkowity prąd I , płynący przez złącze Z 2 składa się z trzech części I I p In Ik , (15.2) gdzie I p - prąd dziurowy, uwarunkowany wstrzyknięciem dziur z obszaru 1 do obszaru 2; I n - prąd elektronowy uwarunkowany iniekcją elektronów z obszaru 4 do obszaru; I k - prąd wsteczny przepływający przez złącze Z 2 . Oznaczając przez α p i αn współczynniki wzmocnienia prądu dla tranzystorów p n p i n p n , możemy zapisać I p αpI , I n αn I . (15.3) A zatem, biorąc pod uwagę wzory (15.3) z (15.2) otrzymujemy I Ik . 1 α p αn (15.4) Charakterystyka prądowo-napięciowa diody przełączającej (dynystora) jest przedstawiona na rys.15.8c. Zwiększenie przyłożonego do dynystora napięcia powoduje wzrost prądu wstecznego I k . Zgodnie z (15.4) wzrost prądu I k wywołuje wzrost prądu I płynącego przez diodę. Współczynniki α p i αn wzmocnienia prądu zależą od I i zwiększają się przy zwiększeniu I . Gdy napięcie osiąga wartości V przel , przy którym α p αn 1 , prąd płynący przez diodę, zgodnie z (15.4), silnie wzrasta. Opór diody staje się bardzo mały ( Rd 0 ) i dioda jest otwarta. Napięcie V przel nosi nazwę napięcia przełączania. Aby ograniczyć prąd płynący przez diodę stosuje się opór Rogr połączony szeregowo z diodą. W stanie otwartym 185 diody prąd I I wyl płynący przez diodę jest określony głównie przez wielkość oporu ograniczającego Rogr ( I wyl V przel /( Rogr Rd ) V przel / Rogr ), a spadek napięcia Vszcz I wyl Rd V przel ( R / Rogr ) na diodzie staje się dużo mniejszy od V przel . W takim stanie dioda pozostaje dotąd, dopóki płynący przez nią prąd jest większy od I wyl (rys.15.8c). Przy I I wyl dioda zostaje zablokowana, tzn. wraca do stanu wyjściowego o dużym oporze. Dla dynystora wartość przełączającego jest napięcia stosunkowo duża. W tyrystorach zmniejszenie V przel osiąga się stosując trzecią sterującą elektrodę (rys.15.9 a). Gdy elektroda ta dodatnio, bariera złączu jest spolaryzowana potencjalna emiterowym Z3 w zostaje obniżona i dzięki temu zwiększa się Rys.15.9. Tyrystor: a) schemat włączenia, b) charakterystyka prądowo-napięciowa ( I b3 I b 2 I b1 I b0 - prądy bazy, V0 ,V1,V2 ,V3 napięcia przełączania trystora) strumień elektronów wstrzykiwanych z obszaru 4 do obszaru 3, czyli zwiększa się prąd I n . Zwiększenie I n powoduje, że warunek α p αn 1 zostaje spełniony przy mniejszej wartości napięcia przełączania V przel (rys.15.9 b). Diody pojemnościowe - warikapy i waraktory Zależność pojemności złącza p n od przyłożonego napięcia jest wykorzystywana w tak zwanych diodach pojemnościowych. Diody pojemnościowe dzielą się na warikapy (ang. VARIable CAPAcitance) oraz waraktory (ang. VARiable reACTOR). W zależności od zastosowań parametry techniczne warikapów i waraktorów różnią się. Warikapy przeznaczone do zastosowań jako zmienne pojemności. Natomiast waraktory stosują się w wzmacniaczach parametrycznych lub parametrycznych powielaczach częstości itd. jako zmienne reaktancje, spełniające funkcje elementów czynnych. Diody pojemnościowe znajdują zastosowanie w układach automatycznie strojonych obwodów rezonansowych, wzmacniaczach i generatorach parametrycznych, powielaczach częstości, przełącznikach sygnałów mikrofalowych. 186 Stabilitrony Stabilitrony lub diody Zenera są to diody warstwowe, zawierający złącze p n , przeznaczone do stabilizacji napięć w układach ograniczników, jako źródła napięć odniesienia itp. W stabilitronach jest wykorzystywane zjawisko przebicia tunelowego lub lawinowego, czyli silna zależność natężenia prądu wstecznego od polaryzacji wstecznej złącza p n przy zbliżaniu się do obszaru przebicia. Najprostszy schemat stabilizatora napięcia stałego za pomocą stabilitrona jest przedstawiony na rys.15.10b. Przy zwiększeniu napięcia wejściowego Vwej , gwałtownie rośnie prąd w obwodzie zawierającym opór tłumiący Rtl i stabilitron. Zgodnie z charakterystyką stabilitronu (rys.15.10a) spadek napięcia na stabilitronie oraz na oporze obciążenia Robc praktycznie Rys.15.10. a) Wsteczna charakterystyka prądowo-napięciowa złącza p n . 1 – prze- nie ulega zmianie i cały wzrost napięcia bicie cieplne; 2 – przebicie tunelowe; 3 – przewejściowego przypada na opór tłumiący Rtl . bicie lawinowe. b) Schemat stabilizatora napięcia Mikroelektronika a układy scalony. Fizyczne zjawiska ograniczające mikrominiaturyzacje Układem scalonym (ang. integrated circiut, chip) nazywamy mikrominiaturowy układ elektroniczny, charakteryzujący się tym, że wszystkie lub część jego elementów wraz z połączeniami są wykonane w jednym cyklu technologicznym wewnątrz lub na powierzchni jednego podłoża (zwykle to jest płytka krzemowa). Układ scalony ma obudowę hermetyczną i nie może być demontowany (rys.15.11). Układ scalony zawiera w swym wnętrzu od kilku do setek milionów podstawowych elementów elektronicznych, takich jak tranzystory, diody, rezystory, kondensatory. Ze względu na sposób wykonania układy scalone dzieli się na dwie główne grupy: monolityczne, w których wszystkie elementy wykonany są w monokrystalicznej strukturze półprzewodnika; hybrydowe – na płytkę z izolatora nanoszone są warstwy przewodnika oraz materiału rezystywnego, które następnie są wytrawiane, tworząc układ połączeń 187 elektrycznych oraz rezystory. Do utworzonych połączeń dołącza się indywidualne, miniaturowe elementy elektroniczne (diody, tranzystory itd.) Obecnie większość układów scalonych wykonuje się w technologii monolitycznej. W procesie produkcji monolitycznego układu scalonego wykonują więcej niż 350 operacji technologicznych. Dominującej technologią wytwarzania monolitycznych układów scalo- Rys.15.11. Układy scalone nych jest technologia CMOS (ang. Complementary Symmetry MOS). W tej technologii stosując cykl podobny jak w układach bipolarnych (z wyspami izolacyjnymi) wykonuje się we wspólnym podłożu półprzewodnikowym, pary tranzystorów MOS z kanałem typu p i typu n . Taka para tranzystorów nosi nazwę pary symetrycznie komplementarnej a układy CMOS wskutek szczególnie korzystnych właściwości mają szerokie zastosowanie w układach scalonych cyfrowych. Obecnie ze zmniejszeniem geometrycznych wymiarów każdego z elementów w układzie scalonym półprzewodnikowym zwiększa się liczba elementów w układzie. Jeżeli na początku lat 60 - tych ubiegłego wieku jeden układ zawierał kilka dziesięć elementów, to teraz ta liczba przekracza setki milionów. Ta gęstość upakowania elementów osiąga już granicę, która ogranicza mikrominiaturyzację układów elektronicznych. Główne fizyczne ograniczenia mikrominiaturyzacji elektronicznych półprzewodnikowych układów są przedstawione w tabeli niżej. Granicy mikrominiaturyzacji układu Ograniczenie fizyczne scalonego półprzewodnikowego Minimalne pole powierzchni jednego Fluktuacji statystyczne domieszkowania podłoża; elementu - 100 100 nm promieniowanie kosmiczne, szerokość złącza p n itd. Minimalna grubość izolatora w Prądy tunelowe przez izolator od bramki do kanału strukturach MIS – 50 Ǻ Minimalne napięcie zasilania – 0,025 V Potencjał cieplny kT / e Minimalna gęstość prądu – 10-6 A/cm2 Dyskretność ładunku przestrzennego ładunku 188 elektronu, fluktuacji Minimalna moc przy ν 1 kHz – 10-12 Szum, energia cieplna, przenikalność dielektryczna W/element Graniczna szybkość działania – 0,03 ns Prędkość światła Maksymalne napięcie zasilania Przebicie dielektryka, złączenie obszarów zasilania i drenu (zlewu) Maksymalne domieszkowanie podłogi Przebicie tunelowe złącza p n drenu (zlewu) Maksymalna moc Przewodnictwo cieplne podłogi i składowych układu Całkowita liczba elementów na jeden Wszystkie ograniczenia fizyczne przedstawione kryształ - 108 wyżej Obecnie kolejny postęp w mikrominiaturyzacji urządzeń elektronicznych wiąże się z wykorzystaniem zjawisk kwantowych w niskowymiarowych nanoukładach (układach o rozmiarach mniej niż 100 nm) – kropkach kwantowych, nanodrutach, nanopłaszczyznach itd. Inna gałąź mikrominiaturyzacji jest związana z rozwojem tak zwanej elektroniki molekularnej. W elektronice molekularnej wykorzystują się fizyczne procesy zachodzące w pojedynczych molekułach albo w niewielkich klasterach molekularnych, które intensywnie badają w nowych dziedzinach nauk ścisłych – fizyce, chemii i biologii supramolekularnej. 189
