Вступ . 2

Розділ 1. Електрофізичні властивості напівпровідників. 3

1.1 Власні й домішкові напівпровідники. 3

1.2. Енергетичні діаграми напівпровідників. 6

1.3 Силові діоди. 11

Розділ 2. Загальні відомості про напівпровідниковірозмикачі струму. 13

Розділ 3. Основні типи напівпровідниковихрозмикачів струму. 18

3.1. Дрейфовий діод з різким відновленням. 18

3.2. SOS-діоди. 25

3.3. Розмикачі струму на основі карбіду кремнію. 30

Розділ 4. Промислові генератори імпульсів на основі ДДРВ й SOS-діодів. 32

Висновок. 35

Список використаної літератури. 41

Вступ

Для проведення досліджень в експериментальній фізиці широко використовують імпульсні джерела живлення для потужніх лазерів, прискорювачів заряджених частинок, рентгенівських апаратів. Але для створення таких імпульсних джерел живлення потрібно мати потужні перемикаючі пристрої, які б перемикали, із достатньо високою швидкістю джерела живлення із режиму накопичення енергії в режими розряду та навпаки. Такі перемикаючі пристрої повинні витримувати напруги порядку 10³ - 10⁶ В та струми густиною 10² - 10⁵ А/см² та мати можливість генерувати імпульси із частотою 10⁴ Гц і вище. Таким параметрам відповідають певні типи напівпровідникових діодів.

У роботі розглянуто напівпровідникові діодні перемикачі струму для потужньоїнаносекундної імпульсної техніки. Особливу увагу приділено дрейфовим діодам із різким відновленням ДДРВ та SOS– діодам. Перший тип діодів був запропонований і розроблений у Фізико-технічному інституті ім. А. Ф. Іоффе РАН, другий в Інституті електрофізики УрВ РАН. За допомогою ДДРВвдаєтьсяперемикати потужність до сотень мегаватів за наносекунду при щільності струму порядку 10² А/см² . SOS– діоди дозволяютьперемикати потужності в кілька гігават за такі ж короткі часи при щільності струмубільше 10³ А/см² . Ще одною позитивною рисою таких напівпровідникових пристроїв є їх великий строк роботи.

Розробка генераторів потужнихнаносекундних імпульсів та напівпровідникових перемикачів струму сприятиме розвитку робіт з релятивістської надвисокочастотної електроніки, широкополосної радіолокації, систем живлення лазерів, прискорювачів електронів.

Розділ 1. Електрофізичні властивості напівпровідників

Напівпровідниками є речовини, щозаймають по величині питомої провідності проміжне положення між провідниками й діелектриками [1,2,3]. Ці речовини володіють як властивостями провідника, так і властивостями діелектрика. Разом з тим вони володіють рядом специфічних властивостей, що різко відрізняють їх від провідників і діелектриків, основним з яких є сильна залежність питомої провідності від впливу зовнішніх факторів (температури, світла, електричного поля і т. п.). До напівпровідників відносяться елементи четвертої групи періодичної таблиці Д. І. Менделєєва, а також хімічні сполуки елементів третьої й п'ятої груп типу A^III B^V (GaAs, InSb) і другої й шостої груп типу A^II B ^VI (Cd, B, CdFe). Провідне місце серед напівпровідникових матеріалів, які використовуються у напівпровідниковій електроніці, займають кремній, германій й арсенід галію GaAs. Хоча у наш час у наукових установах ведеться пошук нових напівпровідникових матеріалів, розробляються органічні напівпровідники.

1.1 Власні й домішкові напівпровідники

Власними напівпровідниками або напівпровідниками типу i (від англійського intrinsic - власний) називаються чисті напівпровідники, що не містять домішок. Домішковими напівпровідникам називаються напівпровідники, що містять домішки, валентність яких відрізняється від валентності основних атомів. Вони підрозділяються на електронні й діркові. Власні напівпровідники мають кристалічну структуру, що характеризується періодичним розташуванням атомів у вузлах просторової кристалічної решітки. У такій решітцікожен атом взаємно пов'язаний із чотирма сусідніми атомами ковалентними зв'язками (мал. 1.1), у результаті яких відбувається усуспільнення валентних електронів й утвореннястійких електронних оболонок, щоскладаються з восьми електронів. При температурі абсолютного нуля (T=0°K) всі валентні електрони перебувають у ковалентних зв'язках, отже, вільні носії заряду відсутні, і напівпровідник подібний до діелектрика[2,3]. При підвищенні температури або при опроміненні напівпровідника світловою енергією, рентгенівським випромінюванням валентний електрон може вийти з ковалентного зв'язку й стати вільним носієм електричного заряду. При цьому ковалентний зв'язок стає дефектним, у ньому утвориться вільне (вакантне) місце, що може зайнятиодин з валентних електронів сусіднього зв'язку, у результаті чого вакантне місце переміститься до іншої пари атомів. Переміщення вакантного місця усередині кристалічної решітки можна розглядати як переміщення деякого фіктивного (віртуального) позитивного заряду, величина якого дорівнює зарядуелектрона. Такий позитивний заряд прийнято називати діркою.

Процес виникнення вільних електронів і дірок, обумовлений розривом ковалентних зв'язків, називається тепловою генерацією носіїв заряду. Його характеризують швидкістю генерації G , щовизначає кількість парносіїв заряду, що виникають в одиницю часу в одиниці об'єму напівпровідника. Швидкість генерації тим більше, чим вище температура й чим менша енергія, яка затрачується на розрив ковалентних зв'язків. Утворені в результаті генерації електрони й дірки, перебуваючи в стані хаотичного теплового руху, через деякий час, середнє значення якого називається часом життя носіїв заряду, зустрічаються один з одним, у результаті чого відбувається відновлення ковалентних зв'язків. Цей процес називається рекомбінацією носіїв заряду й характеризується швидкістю рекомбінації R , що визначає кількість пар носіїв заряду, що зникають в одиницю часу в одиниці об'єму. Добуток швидкості генерації на час життя носіїв заряду визначає їхню концентрацію, тобто кількість електронів і дірок в одиниці об'єму. При незмінній температурі генераційно – рекомбінаційні процеси перебувають у динамічній рівновазі, тобто в одиницю часу народжується й зникає однакова кількість носіїв заряду (R=G). Ця умова називається законом рівноваги мас. Стан напівпровідника, коли R=G , називається рівноважним; у цьому стані у власному напівпровіднику встановлюються рівноважні концентрації електронів і дірок, які позначаютьn_i йp_{i .} Оскільки електрони й дірки генеруються парами, то виконується умова: n_i =p_{i .} При цьому напівпровідник залишається електрично нейтральним, тому що сумарний негативний заряд електронів компенсується сумарним позитивним зарядом дірок. Ця умова називається законом нейтральності заряду. Для знаходження концентрації носіїв струму запропонована формула:

(1.1)

При кімнатній температурі в кремнії n_i =p_i = 1, 4·10¹⁰ см ^-3 , а в германії n_i =p_i =2,5·10¹³ см^-3 . Різниця в концентраціях пояснюється тим, що для розриву ковалентних зв’язків в кремнію потрібно більше витратити енергії, чим в германію. Із ростом температури, концентрація електронів та дірок зростає по експоненційному закону, що видно із (1.1.)

Електронним напівпровідником або напівпровідником типу n ( від латинського negative - негативний) називається напівпровідник, у кристалічній решітці якого крім основних (чотирьохвалентних) атомів утримуються домішкові п’ятивалентні атоми, які називають донорами . У такій кристалічній решітцічотири валентних електрони домішкового атома зайняті в ковалентних зв'язках, а п'ятий (“зайвий”) електрон не може вступити в нормальний ковалентний зв'язок і легко відокремлюється від домішкового атома, стаючи вільним носієм заряду. При цьому домішковий атом перетворюється в позитивний іон. При кімнатній температурі практично всі домішкові атоми виявляються іонізованими. Поряд з іонізацією домішкових атомів в електронному напівпровіднику відбувається теплова генерація, у результаті якої утворюються вільні електрони й дірки, однак концентрація виникаючих у результаті генерації електронів і дірок значно менша за концентрацію вільних електронів, що утворяться при іонізації домішкових атомів, тому що енергія, необхідна для розриву ковалентних зв'язків, істотно більша енергії, затрачуваної на іонізацію домішкових атомів. Концентрація електронів в електронному напівпровіднику позначається n_n , а концентрація дірок - p_n . Електрони в цьому випадку є основними носіями заряду, а дірки - неосновними.

Дірковим напівпровідником або напівпровідником типу p ( від латинського positive - позитивний) називається напівпровідник, у кристалічній решітці якого (рис. 1.4) утримуються домішкові тривалентні атоми, які називають акцепторами . У такій кристалічній решітці один з ковалентних зв'язківзалишаєтьсянезаповненим. Вільний зв'язок домішкового атома може заповнити електрон, щопокинув один із сусідніх зв'язків. При цьому домішковий атом перетворюється в негативний іон, а на тому місці, звідки пішов електрон, виникає дірка. У дірковому напівпровіднику, також як й в електронному, відбувається теплова генерація носіїв заряду, але їхня концентрація в багато разів менша за концентрацію дірок, що утворюються в результаті іонізації акцепторів. Концентрація дірок у дірковому напівпровіднику позначаєтьсяp_p , вони є основними носіями заряду, а концентрація електронів позначається n_p , вони є неосновними носіями заряду.

1.2. Енергетичні діаграми напівпровідників

Відповідно до постулатів квантової фізики електрони в атомі можуть приймати строго визначені значення енергії або, як говорять, займатипевні енергетичні рівні. При цьому, відповідно до принципу Паулі, у тому самому енергетичному стані не можуть перебувати одночасно не більше чим два електрони із протилежними спінами. Тверде тіло, якимє напівпровідниковий кристал, складається з безлічі атомів, які взаємодіють один з одним, завдяки малим міжатомним відстаням. Тому замість сукупності дозволених дискретних енергетичних рівнів, властивих окремому атому, тверде тіло характеризується сукупністю дозволених енергетичних зон, щоскладаються з великого числа близько розташованих енергетичних рівнів. Дозволені енергетичні зони розділені інтервалами енергій, якими електрони не можуть володіти і які називаються забороненими зонами. При температурі абсолютного нуля електрони заповнюють кілька нижніх енергетичних зон. Верхня із заповнених електронами дозволених зон називається валентною зоною, а наступна за нею незаповнена зона називається зоною провідності . У напівпровідників валентна зона й зона провідності розділені забороненою зоною. При нагріванні речовини електронам надається додаткова енергія й вони переходять із енергетичних рівнів валентної зони на більше високі енергетичні рівні зони провідності. У провідникахдля здійснення таких переходів потрібна незначна енергія, тому провідники характеризуються високою концентрацією вільних електронів (порядку 10²² см^-3 ). У напівпровідниках для того, щоб електрони змогли перейти з валентної зони в зону провідності, їм повинна бути надана енергія не менша за ширину забороненої зони. Це і є та енергія , що необхідна для розриву ковалентних зв'язків. Енергетичні діаграми власного електронного й діркового напівпровідників, на яких за допомогою E_C позначена нижня границя зони провідності, а через E_V – верхня границя валентної зони. Ширина забороненої зони ΔE_з = E_c - E_v . У кремнію вона дорівнює 1,1 еВ, у германію - 0,7 еВ.

З погляду зонної теорії під генерацією вільних носіїв заряду слід розуміти перехід електронів з валентної зони в зону провідності (мал. 1.5,а). У результаті таких переходів у валентній зоні з'являються вільні енергетичні рівні, відсутність електронів на яких слід трактувати як наявність на них фіктивних зарядів - дірок. Перехід електронів із зони провідності у валентну зону слід трактувати як рекомбінацію рухомих носіїв заряду. Чим ширша заборонена зона, тим менше електронів здатно перейти через неї. Цим пояснюєтьсябільше висока концентрація електронів і дірок у германію в порівнянні із кремнієм. В електронному напівпровіднику (рис. 1.5,б) за рахунок наявності п’ятивалентних домішок у межах забороненої зони поблизу дна зони провідності з'являються дозволені рівні енергії E_D . Оскільки один домішковий атом припадає приблизно на 10⁶ атомів основної речовини, то домішкові атоми практично не взаємодіють один з одним. Тому домішкові рівні не утворюють енергетичну зону і їх зображують як один локальний енергетичний рівень Е_D , на якому перебувають "зайві" електрони домішкових атомів, не зайняті в ковалентні зв’язках. Енергетичний інтервал ΔE_и = E_c -E_D називається енергією іонізації. Величина цієї енергії для різнихп’ятивалентних домішок лежить у межах від 0,01 до 0,05 еВ, тому "зайві" електрони легко переходять у зону провідності.

У дірковому напівпровідникувведення тривалентних домішок веде до появи дозволених рівнів Е_A (pис.1.5, в), які заповнюються електронами, що переходять на нього з валентної зони, у результаті чого утворюються дірки. Перехід електронів з валентної зони в зону провідності вимагає більших витрат енергії, чим перехід на рівні акцепторів, тому концентрація електронів n _p виявляється менше концентрації n _i , а концентрацію дыpокp _p можна вважати приблизно рівною концентрації акцепторів N_A.

1.2. P-N – перехід як основа напівпровідникових діодів і

транзисторів

В основі більшості напівпровідникових діодів і транзисторів лежить контакт двох напівпровідників з різним типом електропровідності. Такий контакт називають електронно-дірковим переходом або p-n-переходом. Він може бути отриманий, наприклад, шляхом дифузії донорноїдомішки в напівпровідник p-типу. Структура p-n -переходу зображена на рис. 1.6,а. Включений в електричний ланцюг p-n -перехід має однобічну провідність, тобто йоговольтамперна характеристика нелінійна. Будемо вважати, що концентрація легуючої домішки в областяхn- і p- типу розподілена рівномірно, причому концентрація донорноїдомішки N_D в n -напівпровіднику значно більша, ніж концентрація акцепторної домішки N_A в p - напівпровіднику (N_D >>N_A ). Назвемо n -область із більшою концентрацією домішки емітером, а p -область із меншою концентрацією домішки базою. Це допущення дозволяє вважати, що повнийструм через p-n -перехід визначається переважно електронною складовою. Діркова складова струму через p-n -перехід мала й нею можна знехтувати. Можна вважати, що зовнішні контакти до структури ( вони по своїй природі повинні мати двосторонню провідність із дуже малим опором ) вилучені від контакту на відстань, що значно перевищує дифузійну довжину електронів L_n у базі й дірок L_p в емітері. Коефіцієнт дифузії електронів в напівпровіднику можна визначити за допомогою формули:

(1.2)

Коефіцієнт дифузії залежить від зміни температури і дану зміну описує формула:

(1.3)

Тоді дифузійна довжина руху електронів складе:

(1.4)

Це допущення дозволяє вважати, що p-n- перехід локалізований поблизу границі x₀ . Позначимо границіp-n -переходу через x_n й x_p . Розподіл концентрації електронів уздовж осі x. Оскільки концентрація електронів в n -напівпровіднику n_n (основні носії заряду) значно перевищує концентрацію електронів в p -напівпровіднику n_p (неосновні носії заряду), то в площині контакту виникає дифузія електронів з n -області в p -область. Аналогічні міркування приводять до дифузії дірок з p -області в n -область. У такий спосіб через p-n -перехід протікають дифузійні потоки основних носіїв заряду. Ідучи з напівпровідника n- типу, електрони залишають у приконтактнійобластіn -напівпровідника нескомпенсований позитивний нерухомий заряд іонів донорів Q_D +. Аналогічно в приконтактнойобластіp -напівпровідника з'являється рівний по величині нескомпенсований негативний нерухомий заряд іонів акцепторів Q_A -. У такий спосіб в області контакту з'являється електричне поле локалізоване поблизу границі x₀ . Будемо характеризувати його контактною різницею потенціалів φ_K0 . Утворене поле перешкоджає руху основних носіїв через перехід й є причиною появи зустрічного дрейфового руху електронів з p -області в n -область. Таким чином, потоки неосновних носіїв заряду по своїй природі є дрейфовими. При зростанні концентрації легуючих домішок N_D й N_A контактна різниця потенціалів зростає , а ширина p-n -переходу зменшується. Необхідно відзначити, що областьp-n -переходу збіднена рухомими носіями заряду, тому що будь-який виникший у цій області або потрапивший в неїрухомий заряд виштовхується з області переходу електричним полем. Тому опір p-n -переходу значно вище, ніж опір n - і p - областей. Для основних носіїв заряду це поле створює потенційний бар'єр, а, отже, величина потоку основних носіїв заряду через перехід залежить від величин цього бар'єра. Для неосновних носіїв заряду поле в переході створює потенційну яму, а, отже, потік неосновних носіїв заряду не буде залежати від глибини потенційної ями: всі електрони (неосновні носії), що з'явилися в краю потенційної ями, упадуть у неї. Поле в p-n -переході можна змінити шляхом подачі на структуру зовнішньої напруги. Якщо полярність зовнішньої напруги спрямована проти поля в переході, то гальмуюче для основних носіїв заряду поле в переході ( або потенційний бар'єр), зменшується, і потік основних носіїв заряду через p-n- перехід збільшується й значно перевищує існуючий потік неосновних носіїв. Таканапруга на p-n -переході називається прямою. При прямій напрузі прямий струмвизначається потоком основних носіїв заряду й при прямому струмі n_n >> p_p , то дірковою складовою прямого струму можна знехтувати. При зворотній напрузі зворотний струмвизначається потоком неосновних носіїв заряду; оскільки p_p >>n_n .

1.3 Силові діоди.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--