Полупроводниковые элементы электронных устройств

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 
Г.А. ОРЛОВ, А.К. ТОКАРЕВ 
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ  
ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ 
 
Под редакцией Г.А. Орлова 
 
Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве  учебного пособия  
по курсам «Электронные устройства роботов», 
«Электронные устройства в мехатронике» 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2009 

УДК 621.382(075.78) 
ББК 32.852.3 
О-66 
Рецензенты: Н.И. Жуков, В.А. Коваленко 
Орлов Г.А. 
О-66 
Полупроводниковые элементы электронных устройств: 
учеб. пособие по курсам «Электронные устройства роботов», 
«Электронные устройства в мехатронике» / Г.А. Орлов, 
А.К. Токарев; под ред. Г.А. Орлова. – М.: Изд-во МГТУ  
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 91[1] с.: ил.  
 
Рассмотрены физические принципы работы полупроводниковых структур, а также конструктивные особенности, основные технические параметры и характеристики диодов, биполярных и полевых транзисторов и схем их включения. 
Для студентов, обучающихся по специальностям «Роботы и 
робототехнические системы», «Мехатроника и робототехника». 
УДК 621.382(075.78) 
 
ББК 32.852.3 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009 

ВВЕДЕНИЕ 
Физические принципы работы полупроводниковых приборов 
должен хорошо знать специалист по разработке и исследованию 
автоматических приводов и систем управления.  
Несмотря на то, что в современной электронной технике используются преимущественно интегральные микросхемы, специалисту в названной области необходимо хорошо представлять себе 
их состав и функционирование, чтобы не допустить предельных 
режимов работы микросхем и правильно сформировать цепи питания с учетом действия существующих помех.  
Особенно нужны знания физики полупроводниковых приборов 
при разработке выходных силовых каскадов усилительных устройств, что является важным вопросом проектирования автоматических систем. 
 
3 

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ  
1.1. Основы электрической проводимости твердых тел 
Физические принципы работы полупроводниковых приборов 
основаны на явлениях электрической проводимости в твердых телах. Твердые тела состоят из атомов, связанных между собой силами притяжения, а каждый из атомов состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Из квантовой теории известно, что электроны могут двигаться вокруг ядра 
только по определенным орбитам, поскольку электрон может иметь 
только дискретные значения энергии и орбитальной скорости. 
При образовании кристаллической решетки внешние электронные оболочки атомов соприкасаются и могут даже перекрываться. Взаимодействие большого числа атомов вызывает смещение и расщепление энергетических уровней электронов, в результате чего разрешенные энергетические уровни изолированного 
атома в твердом теле образуют разрешенные энергетические зоны. 
Расстояния между уровнями в зонах твердого тела настолько малы, что можно считать дискретные энергетические уровни зоны 
непрерывным множеством. 
Разрешенные зоны могут перекрывать друг друга или разделяться между собой запрещенными зонами энергий – областями 
значений энергии, которыми электрон не может обладать в идеальном кристалле. Энергетические зоны в твердом теле могут 
быть заполнены электронами в различной степени.  
Разрешенная зона, в которой при абсолютном нуле температуры 
все энергетические уровни заняты электронами, называется заполненной зоной. Верхняя заполненная зона называется валентной.  
Разрешенная зона, в которой при температуре абсолютного нуля электроны отсутствуют, называется свободной. Свободная зона, 
на уровнях которой при возбуждении могут находиться электроны, носит название зоны проводимости. 
Электроны в твердом теле могут совершать переходы внутри 
разрешенной зоны (при наличии в ней свободных уровней), а также переходить из одной разрешенной зоны в другую. Для перемещений электронов внутри разрешенной зоны достаточно энергии 
тепловых колебаний атомов, а для перехода из низшей энергетической зоны в высшую необходимо затратить энергию, равную ши 
4 

рине запрещенной зоны энергий ΔWз, под которой понимают разность энергий между нижним уровнем (дном) зоны проводимости 
и верхним уровнем (потолком) валентной зоны. Ширина запрещенной зоны – основной параметр, определяющий электрические 
свойства твердого тела. 
Способность твердых тел проводить ток под действием электрического поля зависит от структуры энергетических зон и от 
степени их заполнения электронами. Необходимым условием возникновения проводимости в твердом теле является наличие в разрешенных зонах незанятых (свободных) энергетических уровней. 
В зависимости от вида диаграммы распределения энергетических 
зон твердые тела подразделяются на проводники, диэлектрики и 
полупроводники. 
Энергетическая диаграмма твердого тела из класса проводников может иметь валентную зону, обладающую свободными энергетическими уровнями, либо может иметь перекрывающиеся валентную зону и зону проводимости, т. е. ΔWз = 0 эВ (рис. 1.1, а). 
Электроны слабо связаны со своими атомами (даже незначительного внешнего воздействия достаточно, чтобы они получили дополнительную энергию и перешли в зону проводимости), поэтому 
в проводниках при комнатной температуре имеется большое число 
свободных носителей заряда – электронов. При действии электрического поля возникает электрический ток, причем в его образовании принимают участие все валентные электроны. 
а 
б 
Рис. 1.1 
 
5 

Энергетическая диаграмма диэлектриков (рис. 1.1, б) имеет 
запрещенную зону энергий сравнительно большой ширины,  
ΔWз > 5 эВ. Это затрудняет переход электронов в зону проводимости, поэтому электрическая проводимость в диэлектриках возникает лишь при высоких температурах или при действии сильного 
электрического поля (явление пробоя). 
Энергетическая диаграмма полупроводников имеет такой же 
вид, что и у диэлектриков (см. рис. 1.1, б), но ширина запрещенной 
зоны энергий для них меньше, ΔWз < 3 эВ. Валентная зона при 
температуре абсолютного нуля заполнена полностью, но при повышении температуры электроны, получающие достаточную энергию для преодоления ширины запрещенной зоны, переходят в зону проводимости из валентной зоны, оставляя в ней свободные 
уровни. В результате образуются свободные носители заряда – 
электроны в зоне проводимости и в валентной зоне. При появлении электрического поля электроны принимают участие в создании электрического тока. Количество носителей заряда зависит от 
температуры, причем при низких температурах свойства полупроводников близки к свойствам диэлектриков, а при высоких – к 
свойствам проводников. 
Наиболее широко при изготовлении полупроводниковых приборов используются германий и кремний (четырехвалентные элементы) с шириной запрещенной зоны, равной 0,72 и 1,12 эВ соответственно. Четыре валентных электрона на внешних электронных 
оболочках каждoго атома образуют с валентными электронами 
соседних атомов парноэлектронные (ковалентные) связи атомов в 
кристалле.  
При увеличении энергии электронов вследствие повышения 
температуры часть ковалентных связей разрывается, электроны 
уходят в зону проводимости, а в валентной зоне освобождаются 
энергетические уровни, получившие название дырок. При этом 
атомы становятся положительно заряженными ионами. Образовавшиеся вакантные уровни могут быть заняты соседними электронами в этой зоне, что приводит к появлению вакантных уровней (дырок) и положительных ионов в другом месте. Условно этот 
процесс принимается за движение дырок, которым приписывается 
единичный положительный заряд.  
При наличии электрического поля электроны в зоне проводимости и в валентной зоне принимают участие в образовании электрического тока, причем электроны валентной зоны переносят заряд, по очереди занимая вакантные уровни, т. е. как бы эстафет 
6 

ным способом. Для упрощения картины переноса принято считать, 
что в валентной зоне ток создается в результате непрерывного движения фиктивных носителей заряда – дырок, имеющих единичный 
положительный заряд. 
Процесс образования электронно-дырочных пар называется 
термогенерацией, а процесс взаимоуничтожения – рекомбинацией. 
При неизменной температуре между этими процессами устанавливается динамическое равновесие.  
В беспримесных полупроводниках концентрация свободных 
носителей электронов ni равна концентрации свободных носителей 
дырок pi, причем значения концентраций зависят от температуры и 
типа полупроводникового материала: 
W
kT
e


 
з
2
,
ni = pi = A
где А – коэффициент, определяемый типом полупроводника; k –
постоянная Больцмана.  
Электрическая проводимость чистого полупроводника, обусловленная температурой, называется собственной.  
При производстве полупроводниковых приборов в основном 
используются примесные полупроводники, в которых примеси 
строго дозированы. Различают примесные полупроводники п-типа 
(с донорной проводимостью), в которых при введении примеси 
создаются свободные носители – электроны, и полупроводники  
р-типа (с акцепторной проводимостью), в которых имеются свободные носители – дырки. Полупроводники n-типа получаются 
при внесении в четырехвалентный кремний или германий пятивалентной примеси (мышьяк, сурьма и др.) При этом четыре валентных электрона примеси участвуют в ковалентных связях с атомами чистого полупроводника, а пятый оказывается свободным, поскольку для его отрыва от атома требуется небольшая энергия 
(рис. 1.2, а). При комнатной температуре практически все донорные примеси ионизированы, их свободные электроны находятся в 
зоне проводимости. Количество дырок, образовавшихся в результате термогенерации, значительно меньше, чем свободных электронов. Здесь электроны, которые составляют большинство, являются основными носителями, а дырки – неосновными. 
На энергетической диаграмме эффект введения в полупроводник донорной примеси показан новыми уровнями энергии свобод 
7 

ных электронов (рис. 1.2, б). Эти уровни отстоят от дна зоны проводимости на незначительную величину: Wд< 0,07 эВ. Иными словами, получив дополнительную энергию – Wд, свободные электроны доноров переходят в зону проводимости. 
а 
б 
Рис. 1.2 
Полупроводники р-типа образуются при введении в чистый 
полупроводник трехвалентной примеси (индий, галлий и др.). В 
кристаллической решетке в этом случае одна из ковалентных связей остается незавершенной (рис. 1.3, а). Энергетическая диаграмма для этого вида примеси, получившей название акцепторной, показана на рис. 1.3, б. Соседний электрон в валентной зоне 
может завершить ковалентную связь, оставив дырку на своем 
месте. В таком полупроводнике дырки являются основными носителями, а образовавшиеся при термогенерации электроны – 
неосновными. 
Концентрация основных носителей заряда в примесном полупроводнике значительно выше, чем неосновных. Можно записать 
pn  nn; np  pp, 
где pn – концентрация дырок в полупроводнике n-типа; nn – концентрация электронов; np – концентрация электронов в полупроводнике р-типа, рp – концентрация дырок.  
 
8 

а 
б 
Рис. 1.3 
При этом произведение концентраций основных и неосновных 
носителей в примесном полупроводнике является постоянным для 
данной температуры: 
W
kT
e


 
(1.1)  
з
.
 
nn pn = np pp =A
1.2. Физические основы работы р – n-перехода 
1.2.1. Образование р – n-перехода 
Работа различных типов полупроводниковых приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между слоями полупроводников разного типа электропроводности либо в контакте 
полупроводника с металлом. Контакты между дырочными и электронными полупроводниками получили название p–n-переходов. 
Рассмотрим два образца полупроводника с дырочной и электронной проводимостью, находящихся в контакте (рис. 1.4, а).  
Предположим, что граница раздела образцов плоская, контакт является идеальным (без зазоров и механических дефектов). При температурах, отличных от абсолютного нуля, в каждом из полупроводников есть основные и неосновные носители. 
При этом nn nр, pp  pn. 
 
9 

а 
б 
в 
г 
Рис. 1.4 
Следовательно, в р–n-переходе имеется градиент концентрации носителей заряда каждого знака (рис. 1.4 б), под действием 
которого заряды будут двигаться (диффундировать) из области с 
высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. 
Диффузия начинается из приграничных областей. Дырки из рслоя, уходя в n-слой, оставляют неподвижные отрицательно заряженные ионы. Электроны из n-слоя, уходя в р-слой, оставляют не 
10