Полупроводники. Общие сведения

 

5.1. ДИФФУЗИОННЫЙ КОНДЕНСАТОР

 

Типичная структура диффузионного  конденсатора, в котором используется переход коллектор - база, показана на рисунке 5.1а. Емкость такого конденсатора в общем случае имеет вид:

 

С = C₀×S,  (4.3) 

 

где С₀- удельная емкость р-n перехода, S-площадь конденсатора. Оптимальной, конфигурацией является форма близкая к квадрату.

Например, если C₀= 150 пФ/мм² и С =100 пФ, то S» 0,8 мм. Как видим, размеры конденсатора получились сравнимыми с размерами кристалла.

Используя не коллекторный, а эмиттерный  р-n переход, можно обеспечить в 5-7 раз большие значения максимальной емкости. Это объясняется большей удельной емкостью эмиттерного перехода, поскольку он образован слоями с более высокой концентрацией, а, следовательно, меньшей толщиной р-n перехода. Возможно совместное использование эмиттерного и коллекторного переходов. 

 

Рисунок 5.1 

 

Основные параметры диффузионного  конденсатора приведены в таблице 5.2 для обоих вариантов конденсаторов - с использованием коллекторного и эмиттерного переходов. Как видим, основное преимущество при использовании эмиттерного перехода - большие значения максимальной емкости. По пробивному напряжению этот вариант уступает варианту с использованием коллекторного перехода.

Эквивалентная схема конденсатора приведена на рисунке 5.1б.

Таблица 5.2

Тип	С0, пФ/мм2	d, %	ТКЕ, %/0С	UПР, В	Q (1 МГц)
конденсатора
Переход БК	150	20	-0,1	50	5-10
Переход БЭ	1000	±20	-0,1	7	5-10
МОП-структура	300	25	0,02	20	100

 

 

Необходимым условием для  нормальной работы конденсатора является обратное смещение р-n перехода. Следовательно, напряжение на конденсаторе должно иметь строго определенную полярность. Кроме того, емкость зависит от напряжения. Это значит, что конденсатор является нелинейным с вольт-фарадной характеристикой, как у варикапа. Однако чаще требуются линейные конденсаторы с постоянной емкостью, которые способны пропускать без искажения переменные сигналы и «блокировать» (т. е. не пропускать) постоянные составляющие сигналов, они успешно выполняет такую функцию при наличии постоянного смещения Е, превышающего амплитуду переменного сигнала.

С другой стороны, является возможность менять значение емкости, меняя смещение Е. Следовательно, конденсатор можно использовать не только в качестве «обычного» конденсатора с постоянной емкостью, но и в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью или, как говорят, конденсатора переменной емкости. Однако диапазон электрической регулировки ограничен: меняя смещение Е от 1 до 10 В можно изменить емкость конденсатора всего в 2-2,5 раза.

Из-за высокого сопротивления  коллекторного n-слоя добротность таких конденсаторов низкая. 

 

2. МОП-КОНДЕНСАТОР 

 

 

 Интегральным конденсатором, принципиально отличным от диффузионного, является МОП-конденсатор. Его типичная структура показана на рисунке 5.1в. Здесь над эмиттерным n⁺- слоем с помощью дополнительных технологических процессов выращен слой тонкого (0,08-0,12 мкм) окисла. В дальнейшем, при осуществлении металлической разводки, на этот слой напыляется алюминиевая верхняя обкладка конденсатора. Нижней обкладкой служит эмиттерный n⁺ - слой.

Основные параметры МОП-конденсаторов приведены в таблице 5.2. Добротность выше, так как сопротивление r значительно ниже из-за n⁺-слоя.

Важным преимуществом МОП-конденсаторов по сравнению с диффузионным является то, что они работают при любой полярности напряжения, т. е. аналогичны «обычному» конденсатору. Однако МОП-конденсатор, как и диффузионный, тоже нелинейный. Паразитная емкость МОП-конденсаторов учитывается с помощью уже известной эквивалентной схемы (рисунок 5.1г), где под емкостью С_П следует понимать емкость между n-карманом и р-подложкой.

В заключение заметим, что  в МОП-транзисторных ИМС, в отличие от биполярных, изготовление МОП-конденсаторов не связано с дополнительными технологическими процессами: тонкий окисел для конденсаторов получается на том же этапе, что и тонкий окисел под затвором, а низкоомный полупроводниковый слой - на этапе легирования истока и стока. Изолирующие карманы в МОП-технологии, как известно, отсутствуют.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

 

Оптоэлектроника – это  синтез оптики и электроники. Она  занимается вопросами совместного  использования оптических и электрических  методов обработки, хранения и передачи информации.  Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Освоенной областью считается  диапазон длин волн излучения от 0,2 до 50 мкм. Физическую основу оптоэлектроники  составляют процессы преобразования оптических сигналов в электрические и, наоборот, – электрических в оптические. Оптоэлектроника изучает также  процессы распространения излучения  в различных средах и взаимодействие излучения с веществом.  К основным разделам оптоэлектроники относятся квантовая электроника, полупроводниковая оптоэлектроника, голография, нелинейная оптика и др.

Элементная база оптоэлектроники  включает в себя:

• Оптоизлучатели – преобразователи электрической энергии в световую,
• Фотоприемники – преобразователи световой энергии в электрическую,
• Приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу или оптопары,
• Световоды.

6.1. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ДИОД

 

Полупроводниковым излучателем света  является светоизлучающий диод. Известно, что при возвращении электрона  из зоны проводимости в валентную  зону, излучается квант энергии. Это  происходит при рекомбинации носителей  в полупроводнике. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи p-n-перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые  материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном ) диапазоне, например, фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния, а также тройные соединения, например GaAlAs,  GaAlP и др. В зависимости от  материала и технологии изготовления получают красный, оранжевый,  зеленый и даже синий цвета свечения. Выпускаются и диоды с инфракрасным свечением. Светодиоды могут иметь размеры от нескольких миллиметров до долей миллиметров. Потребляемый ими ток составляет десятки миллиампер при напряжении 2…3 В.

Излучение происходит при пропускании  через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает  передачу света  от p-n-перехода без значительных потерь в толще полупроводника.  
ВАХ излучающих диодов аналогична характеристикам обычных выпрямительных кремниевых и германиевых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются  в виде отдельных элементов или  групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных  символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 6.1.

Рис.6.1.

 

 

 

 

6.2. ЛАЗЕРЫ

 

Естественные источники света, в том числе и светоизлучающие  диоды и транзисторы  излучают некогерентный свет – электромагнитные волны с различными частотами, хаотически изменяющимися фазами и всевозможной поляризацией.  Некогерентный свет не удается сфокусировать в достаточно узкий и тонкий луч, хотя бы потому, что источник имеет конечные размеры, причем далеко не малые по сравнению с длиной волны.

Эпоха когерентной оптики наступила  с изобретением оптического квантового генератора – лазера. Он открыл невиданные прежде возможности в оптоэлектронике. 

Теоретические основы оптического  квантового генератора разработали  российские ученые Н.Г.Басов и А.М.Прохоров. 

В лазере излучают атомы вещества – рабочего тела лазера. Рабочее  тело может быть твердым, жидким (редко) и газообразным. Чтобы атомы излучали, их надо прежде всего возбудить, т.е. сообщить им энергию. В твердотельных  лазерах для этого служит оптический генератор накачки – импульсная лампа-вспышка большой мощности. Ее трубка расположена рядом с  рабочим телом – кристаллом рубина или неодимового стекла. Твердотельные  лазеры, как правило, импульсные, так  как при той мощности оптического  излучения, которую они генерируют (мегаватты и даже гигаватты), ни одна конструкция не выдержала бы работы более нескольких микросекунд. В газовых лазерах плотность  атомов мала, поэтому они работают на малых мощностях (милливатты, ватты) в непрерывном режиме.

Возбужденные атомы рабочего вещества необходимо заставить излучать синхронно  на одной и той же волне (частоте), с одной и той же фазой и  поляризацией. Различают спонтанное и вынужденное излучение.  В лазерах используют последнее. Рабочее вещество подбирают таким образом, чтобы у его атомов был метастабильный (почти стабильный)  энергетический уровень. Возбужденные накачкой атомы остаются некоторое время на этом энергетическом уровне. Если в это время мимо возбужденного атома промчится квант света с частотой, соответствующей энергии перехода с метастабильного на более низкий уровень, то атом совершит этот переход и излучит еще один , точно такой же квант. Это и будет индуцированное или вынужденное излучение. Чтобы выполнить  все условия для интенсивного индуцированного излучения, надо  значительно увеличить число квантов, распространяющихся в рабочем теле лазера. Эту задачу выполняет оптический резонатор – два зеркала, установленные строго параллельно друг другу.  Свет в них переотражается  множество раз.  Расстояние между зеркалами подбирается с точностью до  малых долей микрометра таким образом, чтобы на длине оптического резонатора  уложилось целое число  полуволн оптического излучения. В этом случае поля переотраженных волн складываются, результирующая напряженность поля возрастает в сотни раз.

Одно из зеркал делается полупрозрчным, пропускающим несколько процентов  падающей на него оптической энергии. Оно и служит выходным окном лазера.

Луч лазера очень тонок и слабо  расходится в пространстве. На расстоянии в один километр световое пятно, создаваемое  лазером на экране, может иметь  диаметр не более метра.

Лазерное излучение монохроматично, то есть содержит только одну частоту  или одну длину волны.

Полупроводниковый лазер имеет такой же излучающий p-n-переход, как и светодиод, но структура  его существенно отличается от структуры светодиода. Кристалл полупроводника полируют с торцов, чтобы получить зеркальные стенки, между которыми образуется оптический резонатор. Плотность тока через p-n-переход должна быть выше, чтобы интенсивнее переводились атомы на метастабильный уровень. Далее, как и в любом лазере, благодаря оптическому резонатору происходит индуцированное излучение на одной определенной длине волны.

Полупроводниковые лазеры имеют заметно  худшую когерентность и больший  угол расходимости пучка, по сравнению  с твердотельными и газовыми. Но зато они имеют такие достоинства, как миниатюрность, экономичность  и надежность в работе, низковольтное  питание. В ряде случаев эти преимущества являются решающими.

6.3. ПРИЕМНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

К числу полупроводниковых приемников излучения относятся фотодиоды, фототранзисторы, и другие приборы. 

В основе работы приемников излучения  лежит явление внутреннего фотоэффекта, при котором кванты света выбивают  электроны из атомов полупроводника. Ставшие свободными электроны создают ток через p-n-переход.

В фотодиодах на p-n-переход подается обратное напряжение. В темноте обратный ток через диод достаточно мал. При освещении перехода  увеличивается  число  «выбитых» квантами света электронов и образовавшихся на их месте дырок. Увеличивается обратный ток перехода, причем его величина зависит от освещенности перехода: I_обр=f(Ф), где Ф – световой поток. На этом основана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки. При увеличении светового потока увеличивается обратный ток и растет падение напряжения на нагрузке. Обозначение фотодиода на схемах и схема с фотодиодом приведены на рис.6.3 (а,б).

Рис.6.3

Технология изготовления фотодиодов почти не отличается от технологии изготовления обычных полупроводниковых  диодов. На  кристалле полупроводника  создают слои  ср и n проводимостями. Один вывод образует контакт с подложкой, а другой – тонкий, прозрачный слой металла. Разработаны более чувствительные и быстродействующие фотодиоды  с четырехслойными гетеропереходами, с барьером Шотки, кремниевые p-i-n-диоды, которые все более вытесняют фотодиоды с p-n-переходом.  Структура p-i-n-диода (см.рис.6.3.1) содержит слои  полупроводника с р и n проводимостями, разделенные очень тонким i-слоем окиси кремния – изолятором. Обратный ток перехода в p-i-n-структуре чрезвычайно мал, что увеличивает чувствительность к слабым световым потокам. Энергия носителей заряда, возбужденных квантами падающего света, оказывается вполне достаточной, чтобы преодолеть тонкий слой изолятора и создать фототок.