Mikroelektronické <strong>praktikum</strong> 475 ZÁKLADY POLOVODIČOVÉ TECHNIKYCíle kapitoly:V této kapitole se studenti seznámí s různými typy polovodičových diod, jejichvlastnostmi, V-A charakteristikami a základními zapojeními. Další podkapitola se zabývábipolárními tranzistory a jejich vlastnostmi, pouzdřením a značením,měřením a zkoušením.V poslední hlavní podkapitole jsou uvedeny funkce a vlastnosti unipolárních tranzistorů.5.1.1 Přechod PNVýchozím materiálem pro výrobu většiny běžných polovodičových součástek jegermanium a křemík. Rozdělíme-li si pevné látky podle elektrické vodivosti zhruba do třískupin, na vodiče s měrnou vodivostí od l06 do 103 Ω -1 cm -1 , polovodiče s měrnou vodivostíod 103 do 10-9 Ω -1 cm -1 a izolanty s měrnou vodivostí od 10-9 do 10-20 Ω -1 cm -1 , patří provýrobu dostatečně čisté germanium a křemík do skupiny polovodičů až izolantů.Měrný odpor polovodičů závisí na mnoha činitelích, např. na teplotě (s přibývajícíteplotou se měrný odpor zmenšuje, což je, jak dále uvidíme, dosti nepříjemné); dále je měrnýodpor závislý např. na osvětlení. Tohoto jevu je využíváno pro výrobu světlocitlivých prvků.Je-li polovodičový prvek vysoce čistý, je jeho vodivost malá, protože jeho krystalická mřížkaje plně obsazena.Do takto připraveného materiálu se přidá stopové množství prvku s „přebytkem“elektronů (např. antimon nebo arzén, obecně donory), nebo s „nedostatkem“ elektronů (např.indium a galium, obecně akceptory. V prvním případě vznikne polovodič typu N, tj. selektronovou vodivostí. V druhém případě pak polovodič typu P neboli s děrovou vodivostí.Tedy přidáním pětimocného prvku vzniknou v krystalu slabě vázané elektrony. Tytoelektrony se přiložením napětí pohybují a na jejich místě vznikají tzv. "díry", které zasezaplňují další elektrony atd. Tím vzniká v polovodiči proud. Vodivost je způsobenapřebytkem elektronu, říkáme jí tedy vodivost elektronová, negativní, typu N.Přidáním trojmocného prvku dochází naopak k vytvoření nosičů kladného náboje, tzv.děr. Tato vodivost se nazývá děrová, pozitivní, typu P. V místě styku materiálu vodivosti P aN vzniká přechod PN. Tento přechod je základem téměř všech polovodičových součástek.Bude nás tedy zajímat, jak se bude chovat krystal, jehož jedna část vykazuje vodivost P,zatímco druhá vodivost N (přechod PN), když k oběma částem přiložíme elektrické napětípodle Obr. 5.1., tj. přiložili jsme kladné napětí na oblast P a záporné napětí na oblast N.Jestliže toto napětí bude větší než 0,4 V u germaniového krystalu nebo 0,7 V u křemíkovéhokrystalu, pak přes krystal (přechod PN) začne protékat proud.Vysvětlení je prosté. Kladný potenciál zdroje odpuzuje kladné díry směrem k oblasti Na současně z druhé strany záporné napětí odpuzuje elektrony do oblasti P. Přechod PN jenáhle zaplaven pohyblivými nosiči nábojů, takže jeho odpor se značně zmenší. Říkáme, žepřechod PN je polarizován v propustném směru a prochází jím proud (mnemotechnika:propustný směr - plus na P). Není těžké si představit co se stane, když póly zdroje obrátíme.Kladný pól nyní směřuje k oblasti N, záporný pól k oblasti P. V tomto případě napětí zdrojeneodpuzuje nosiče od elektrod, nýbrž naopak je přitahuje. Zároveň se oddalují náboje odpřechodu PN (Obr. 5.2). Kladný pól jakoby přitahoval záporné elektrony a záporný pólnaopak díry. Proud přechodem PN téměř neprochází. Říkáme, že přechod PN je polarizován vzávěrném směru. Nepatrnému proudu, který přece jen vždy prochází přechodem, říkáme
48 FEKT Vysokého učení technického v Brnězávěrný proud. Je způsoben rekombinací minoritních elektronů a děr. - Spojením dvou oblastíopačných vodivostí vzniká tedy jakýsi ventil, který v jednom směru propouští proud, vdruhém směru proud nepropouští (jinými slovy v jednom směru má větší vodivost oprotisměru druhému). Tento jen se nazývá také usměrňovací jev nebo diodový jev.Obr. 5.1: Přechod PN polarizovaný vpropustném směru: kladný pól zdroje napětípřipojen k oblasti P, záporný pól zdroje napětípřipojen k NObr. 5.2: Přechod PN polarizovaný vzávěrném směru: kladný pól zdroje napětípřipojen k oblasti N, záporný pól zdrojenapětí připojen k oblasti P5.2 Polovodičové diodyNejjednodušším polovodičovým prvkem je dioda. Na Obr. 5.3 je nakreslena v řezuplošná dioda a její schematická značka. Stykem polovodiče typu N a P vznikne již zmíněnýpolovodičový přechod. Bez přivedeného napětí je vnitřní potenciál styku obou polovodičůvyrovnán a dioda se navenek chová jako kondenzátor s konečným svodovým odporem(jakostí). Podstatou činnosti diod je usměrňovací jev. Tento jev je způsoben větší vodivostí vjednom směru oproti směru druhému.Zopakujeme: Připojí-li se k diodě vnější stejnosměrné napětí tak, že kladný pól jepřipojen k polovodiči typu P, zvětší se potenciální rozdíl na přechodu a diodou proud téměřneprochází. Říkáme, že dioda je polarizována v závěrném směru. V opačném případě diodavede (říkáme, že je polarizována v propustném směru nebo také v předním směru). Tétovlastnosti diody se využívá k usměrňování.Obr. 5.3: Polovodičová dioda: a) orientace obvodových veličin, b) ampérvoltovácharakteristika, c) indexy proudů a napětí pro propustný a závěrný směr (F = forward, R =reverse)