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
pn
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
pn
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
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards