Физические основы электронных устройств

Iк = αIэ + Iкбо (2.9)

Учитывая, что ток Iкбо по величине незначителен, можно принять

Iк = αIэ (2.10)

Из выражения (2.10) следует, что транзистор представляет собой управляемый прибор, так как величина его коллекторного тока зависит от величины тока эмиттера.

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различа

ют четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Этот режим является основным режимом работы транзистора. Вследствие того, что напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведенное к эмиттерному переходу, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напряжения. Поэтому через них проходит лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда. Практически транзистор в режиме отсечки оказывается запертым.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практически не регулируется током входной цепи. В этом режиме транзистор полностью открыт.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а к коллекторному — прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями—эмиттер выполняет функции коллектора, а коллектор—функции эмиттера. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

2. Поверхностные явления в полупроводниках

Энергетический спектр электрона, движущегося в строго периодическом поле неограниченного кристалла, имеет зонную структуру: полосы разрешенных энергий отделены друг от друга зонами запрещенных энергий. Нарушение периодичности потенциала, вызванное дефектами решетки (примесными атомами, вакансиями и др.), приводит к возникновению в запрещенной зоне дискретных уровней.

Подобными дефектами являются и свободные поверхности кристалла, на которых происходит обрыв решетки и нарушение периодичности ее потенциала (рис.3.1,а). Влияние такого рода дефектов на энергетический спектр электронов было исследовано Таммом в 1932 г Он показал, что обрыв решетки приводит к появлению в запрещенной зоне полупроводника разрешенных дискретных уровней энергии для электронов, расположенных в непосредственной близости от поверхности кристалла (рис.3.2, б). Такие уровни получили название поверхностных уровней или поверхностных состояний.

Рис. 3.1. Возникновение поверхностных состоянии:

а — обрыв периодического потенциала решетки у поверхности кристалла; б — поверхностные состояния, возникающие вследствие обрыва решетки; в — чужеродные атомы М на поверхности; г — типы поверхностных состояний (Ед — донорные, Еа — акцепторные, Ер — рекомбинационные)

Наглядное представление о возникновении поверхностных состояний можно получить из рассмотрения связей, действующих между атомами в объеме и на поверхности кристалла. На рис. 3.2 изображена плоская модель решетки германия. Атом в объеме кристалла окружен четырьмя ближайшими соседями, связь с которыми осуществляется путем попарного обобществления валентных электронов. У атомов, расположенных на свободной поверхности АА, одна валентная связь оказывается разорванной, а электронная пара неукомплектованной. Стремясь укомплектовать эту пару и заполнить свою внешнюю оболочку до устойчивой восьмиэлектронной конфигурации, поверхностные атомы ведут себя как типичные акцепторы, которым в запрещенной зоне соответствуют акцепторные уровни Еа (рис. 3.1, б). Электроны, попавшие на эти уровни из валентной зоны, не проникают в глубь кисталла и локализуются на расстоянии порядка постоянной решетки от поверхности. В валентной зоне возникают при этом дырки, а в поверхностном слое полупроводника — дырочная проводимость.

Рис. 3.2. Схема возникновения акцепторных поверхностных состояний на чистой поверхности полупроводника

Рассмотренные поверхностные состояния возникают на идеально чистой бездефектной поверхности, получить которую практически невозможно. В реальных условиях поверхностные свойства полупроводников определяются поверхностными состояниями, созданными главным образом чужеродными атомами (молекулами).на поверхности. На рис. 3.1, в показана зонная структура полупроводника. Вертикальной прямой ВС обозначена одна из свободных его поверхностей. Предположим, что на этой поверхности химически сорбировалась частица М. При такой сорбции волновые функции решетки и частицы перекрываются настолько, что частицу можно рассматривать как примесь, локально нарушающую периодичность потенциала решетки и приводящую к возникновению в запрещенной зоне поверхностного уровня.

Характер таких уровней зависит от природы поверхности и частиц. Они могут быть акцепторными, донорными и рекомбинациониыми (рис. 3.1, г). Так, кислород, сорбированный на поверхности германия, создает акцепторные уровни, вода — донорные. Если уровни Р являются акцепторными, то они захватывают электроны и заряжают поверхность полупроводника отрицательно с поверхностной плотностью σ - = gNf -ф-д, где N — число молекул, адсорбированных единицей поверхности кристалла; fф_д — функция Ферми — Дирака, выражающая вероятность заполнения поверхностных уровней электронами; q — заряд электрона. Если уровни Р являются донорными, то они, отдавая электроны кристаллу, заряжают поверхность полупроводника положительно с плотностью σ+ = qNf ф-д; где f ф_д — вероятность того, что поверхностные уровни являются пустыми, т. е. частицы М ионизированы.

При высокой плотности поверхностных состояний они, взаимодействуя друг с другом, могут размыться в поверхностную зону. Электроны в этой зоне могут двигаться только вдоль поверхности.

Быстрые и медленные поверхностные состояния. Поверхностные состояния, обусловленные дефектами поверхности и адсорбциее на ней чужеродных частиц, располагаются в непосредственной близости от поверхности и находятся в хорошем контакте с объемой полупроводника. Поэтому время установления равновесия этим состояний с объемом полупроводника (время перехода электронов из энергетических зон на поверхностные уровни или обратно) оказывается очень небольшим (≈10-7с). Такие состояния называют быстрыми поверхностными состояниями. Они имеют плотность порядка 1015 м-2, зависящую от характера обработки поверхности, и могут обладать большими сечениями захвата как для электронов, так и для дырок, вследствие чего могут служить эффективными центрами рекомбинации.

В нормальных условиях поверхность полупроводника покрыта слоем окисла толщиной по крайней мере в десятки ангестрем (рис. 3.3, а). На внешней поверхности окисла сорбируются примесные атомы, создающие внешние или медленные поверхностные состояния (рис. 3.3, б). Время установления равновесия таких состояний с объемом полупроводника значительно больше, чем для быстрых состояний, и колеблется от микросекунд до минут, часов и даже суток. Это обусловлено тем, что вероятность прохождения электронов сквозь окисный слой, являющийся изолятором, весьма низка. С увеличением толщины окисной пленки постоянная времени увеличивается.

 Скачать реферат