2934

Основы физики. Вещества и их перемещения

Шпаргалка

Физика

С каждой движущейся массой вещества связан волновой процесс, а длина волны определяется соотношением где n – постоянная Планка, m – масса тела, v – скорость движения. Это соотношения называется «постулат Луи де Бройля» Элек...

Русский

2012-10-21

616 KB

6 чел.

ВОПРОС 1

С каждой движущейся массой вещества связан волновой процесс, а длина волны определяется соотношением

; где n – постоянная Планка, mмасса тела, vскорость движения.

Это соотношения называется «постулат Луи де Бройля»

Электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн. Остальные орбиты для электрона запрещены.

В изолированном атоме с одним электроном скорость движения электрона по разрешенной орбите устанавливается такой, при которой центробежная сила уравновешивает силу притяжения «-» электрона к «+» ядру.

Каждой разрешенной орбите соответствует своя скорость и кинетическая энергия электрона.

Двигаясь по разрешенной орбите электрон не расходует энергию.

Электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую.

Полная энергия электронов называется энергетическим состоянием атомов. Каждой разрешенной орбите соответствует свое энергетическое состояние, которое на диаграмме представляется в виде энергетического уровня.

Электрон-вольт – энергия, которую приобретает электрон, разгоняясь в электрическом поле с разностью потенциалов 1В.

С увеличением номера орбиты абсолютное значение энергии уменьшается, то есть энергетический уровень возрастает (так как энергия связи в атоме отрицательна)

Величину n называют главным квантовым числом и используют для описания дискретных свойств микромира

Разрешенный энергетический уровень, характеризуемый главным квантовым числом n расщепляется на ряд близкорасположенных подуровней. Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти слившихся подуровней, образующих энергетические зоны.

Энергетические зоны могут быть разрешенными и запрещенными.

РИСУНОК 2 – расщепление энергетических уровней атомов, связанных в кристаллической решетке

Всегда существует некоторая не равная нулю вероятность того, что энергия электрона совпадает с подуровнем одной из разрешенных энергетических зон. Вероятность пребывания электрона в запрещенной зоне равна нулю.

принцип Паули: На любом энергетическом уровне одновременно может находиться не более двух электронов, отличающихся моментами импульса или спинами.

В силу принципа минимизации энергии системы электроны стремятся занять низшие энергетические уровни, излучив кванты избыточной энергии. В результате электроны не скапливаются на отдельных энерг уровнях, а равномерно заполняют разрешенные энергетические зоны, начиная с нижних. Верхнюю из заполненных энергетических зон принято называть валентной, так как ее электроны способны взаимодействовать с соседними атомами, обеспечивая молекулярные связи. Разрешенные энергетические зоны, располагающиеся ниже валентной, всегда полностью заполнены электронами. Валентная зона может быть заполнена полностью или частично. Все кристаллы с неполностью заполненной валентной зоной являются проводниками электрического тока. Кристаллы, у которых валентная зона заполнена электронами полностью, а в следующей по порядку более высокой энергетической зоне электронов нет, - неэлектропроводник и представляет собой идеальный изолятор.

Проводящие свойства кристалла зависят от ширины запрещенной зоны, разделяющей валентную зону и зону проводимости

а) проводник; б) полупроводник; в) изолятор

1 – зона проводимости; 2 – валентная зона; 3 – запрещенная зона

Сопротивление полупроводников уменьшается с ростом температуры

Если удельное сопротивление

- проводники

- изоляторы

- полупроводники

ВОПРОС 2

В следствие малой ширины запрещенной зоны полупроводника тепловые колебания атомов способны сообщить валентным электронам энергию, достаточную для перехода из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния (дырки) в валентной зоне.

Генерация пар свободных зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток. Электропроводность такого кристалла называется собственной.

ВОПРОС 5

Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален. Сумма положительных и отрицательных зарядов в нем равна нулю. Также электрически нейтрален кристалл p-типа

а)б) в)

Рисунок 10

Сразу после соприкосновения кристаллов начнется диффузия дырок из p-области в n-область и диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом вблизи граничной области образуется 2 слоя.

p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, то есть слой отрицательных ионов;

n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд. Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, называемое запирающим.

Напряженность этого поля препятствует диффузии дырок и электронов (диффузионному току).

При некотором значении напряженности диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствует определенная контактная разность потенциалов и определенная ширина слоя, в котором рекомбинировали подвижные носители зарядов.

В кристалле существуют еще и неосновные носители заряда. Под действием напряженности поля они начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току.

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным. Если при движении через p-n переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника, то в переходе начинается лавинообразное размножение носителей зарядов, что приводит к резкому увеличению обратного тока через переход при почти неизменном обратном напряжении (кривая 2). Это лавинный пробой. Другой вид пробой – туннельный. Он возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Если температура p-n перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточно теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему нагреву p-n перехода и увеличению обратного тока, что может вызвать разрушение p-n перехода. Тако процесс называют тепловым пробоем.

ВОПРОС 7

 

 

Рисунок 11

Обозначим через  собственную контактную разность потенциалов объединенного слоя. Если к p-n переходу подключить источник ЭДС, на клеммах которого будет напряжение U, то разность потенциалов на границах контактного слоя изменится. Включение p-n перехода в электрическую цепь, когда «+» источника присоединяется к p-области, а «-» к n-области называется прямым. Разность потенциалов контактного слоя в этом случае обозначается . Включение, при котором к p-области присоединяется «-» источника тока, а к n-области – «+» источника, называется обратным. Соответствующая разность потенциалов -

;

При прямом включении p-n перехода потенциальный барьер уменьшается, что приводит к увеличению диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток называется прямым, он совпадает с диффузионным.

При обратном включении p-n перехода потенциальный барьер увеличивается, что приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового тока. Результирующий ток называется обратным и совпадает с дрейфовым током.

Таким образом, p-n переход, включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток, а в обратном – не пропускает.

ВОПРОС 6

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Прямую и обратную ветви ВАХ изображают в различном масштабе, поскольку в нормальном режиме работы p-n перехода обратный ток на несколько порядков меньше прямого тока. При достижении обратным напряжением некоторой критической величины (Uпроб) происходит резкое уменьшение сопротивления p-n перехода. Это явление называют пробоем p-n перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя. Различают электрический и тепловой пробои. В свою очередь, электрический пробой бывает лавинным и туннельным.

Туннельный пробой возникает при большой напряженности электрического поля в тонком p-n переходе между высоколегированными полупроводниками в результате тунеллирования электронов из валентной зоны p-слоя в зону проводимости n-слоя. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n перехода полностью восстанавливаются, если отключить источник ЭДС от перехода. Благодаря этому оба вида пробоя используются в качестве рабочих режимов в полупроводниковых диодах.

Эффект прохождения электрона сквозь узкий потенциальный барьер называют туннельным эффектом. Для преодоления потенциального барьера валентные электроны должны получить энергию извне. Однако, как известно из курса физики, электроны могут просочиться сквозь узкий потенциальный барьер даже тогда, когда их энергия меньше высоты потенциального барьера. При тунеллировании электрон должен оставаться на одном и том же энергетическом уровне

ВОПРОС 8

В современных полупроводниковых приборах применяются также контакты между металлами и полупроводниками. Процессы в таких переходах зависят от работы выхода электронов, то есть от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выход, тем больше электронов может выйти из данного тела

Рисунок 17 – Контакт металла (М) с полупроводником

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис 17а) работа выхода электронов из металла Ам меньше, чем работа выхода из полупроводника, то будет преобладать выход электронов и металла. Поэтому в слове полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны) и этот слой становится обогащенным. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения. Такой переход не обладает выпрямляющими свойствами. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис 17б). если работа выхода электронов из полупроводника меньше чем у металла.

Иные свойства имеет переход как на рисунке 17в. В этом случае электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл и в приграничном слое полупроводника образуется область, обедненная основными носителями и потому имеющая большое сопротивление. Здесь создается сравнительно высокий потенциальный барьер, высота которого будет существенно изменяться в зависимости от полярности приложенного напряжения. Такой переход обладает выпрямительными свойствами. Этот потенциальный барьер называется барьер Шотки, а полупроводниковые диоды называются диодами Шотки. В диодах Шотки отсутствуют процессы накопления и рассасывания зарядов. Поэтому диоды обладают значительно более высоким быстродействием по сравнения с обычными p-n переходами. Аналогичные выпрямляющие свойства имеет контакт металла с полупроводником p-типа при Ам < Ап.

ВОПРОС 11

Рис 20 эквивалентная схема p-n перехода

- емкость перехода; - сопротивление (прямое или обратное) перехода; - объемное сопротивление областей, примыкающих к обеим сторонам объединенного слоя

В p-n переходе есть Rо – сопротивление постоянному току, и Rдиф – сопротивление переменному току

Дифференцирование уравнения (1) с учетом формулы (2) дает простое соотношение для расчета дифференциального сопротивления в заданной точке ВАХ:

 

  ВОПРОС 9

Рисунок 12 – ВАХ p-n перехода

1 – прямая ветвь; 2 – обратная ветвь при лавинном пробое; 3 – обратная ветвь при тепловом пробое; 4 – обратная ветвь при туннельном пробое.

Зависимость тока через p-n переход от величины напряжения называется его ВАХ. При расчете ВАХ предполагается, что электрическое поле вне объединенного слоя отсутствует. ВАХ p-n перехода описывается выражением

Где I – ток, текущий через p-n переход; q – заряд электрона; Uвн – напряжение, приложенное к p-n переходу; k – постоянная Больцмана; T – температура по Кельвину; Io – обратный ток (ток насыщения)

Выражение (1) принято называть уравнением Эберса-Молла. Это уравнение представляет наиболее общий вид теорет. ВАХ p-n перехода и является основой для любых других более точных описаний физических процессов в переходе. Для прямого напряжения можно пренебречь 1 по сравнению с экспотенциальной составляющей

При обратном напряжении порядка 0,1 – 0,2В экспотенциальное выражение в выражении (1) много меньше единицы:

На практике ток прямой много меньше тока прямого теоретического

ВАХ перехода металл-полупроводник

Расчет транспортных процессов носителей заряда в структуре металл-полупроводник, исходящий из представления термоэлектронной эмиссии с поверхности полупроводника и собирания термоэлектронов поверхностью металла дает следующее выражение для ВАХ:

Где , где А – коэффициент, зависящий от свойств материала;

- контактная разность потенциалов; U – напряжение, приложенное к переходу металл-полупроводник

ВОПРОС 10

Объединенный слой имеет свою ширину L. При нарушении условия равновесия границы объединенного слоя не остаются постоянными.

Возрастание обратного напряжения уменьшает число основных носителей в области объемного заряда, в результате объединенный слой расширяется. Возрастание прямого напряжения вызывает рост инжекции в область объемного заряда, увеличивается число подвижных носителей, ширина объединенного слоя уменьшается.

Диффузионное введение при снижении высоты энергетического барьера носителей заряда через переход из областей, где они были основными в области, где они становятся неосновными, называется инжекцией носителей заряда.

Инжекция носителей изменяет распределение концентрации подвижных носителей в объединенном слое и вблизи его границ. Это измененное распределение концентрации носителей заряда принято считать неравновесной концентрацией, обозначая:

Pn – для дырок; Np – для электронов.

Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника, где они являются неосновными, под действием ускоряющего поля p-n перехода, созданного обратным напряжением, называется экстракцией.

Расчеты показывают, что ширина объединенного слоя может быть определена следующим соотношением:

Где  - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала;

- электрическая постоянная; Nак – концентрация акцепторной примеси в переходе; Nдон – концентрация донорной примеси в переходе; «+» соответствует обратному включению; «-» соответствует прямому включению электронно-дырочного перехода

ВОПРОС 12

Ток или напряжение, подводимые к p-n переходу, могут изменяться во времени по величине или по знаку через очень короткие интервалы времени. В реальном p-n переходе эти изменения не могут произойти мгновенно из-за инерционности процессов перезаряда емкости p-n перехода. Поэтому стационарное значение тока или напряжения устанавливается в течение некоторого промежутка времени. Переходные процессы сильно зависят от числа инжекторов носителей. Если уровень инжекции невелик, то основное влияние на время установления (tуст) сопротивления прямо включенного перехода и время восстановления сопротивления (tвосст) обратно включенного перехода оказывает процесс перезаряда барьерной емкости перехода

При высоких уровнях инжекции накопление и рассеивание инжектированных носителей определяет время переключения p-n перехода

рис 21 переходные процессы в реальном p-n переходе

время установления сопротивления прямо включенного перехода определяется инжекцией носителей по обе стороны объединенного слоя и их диффузионным перемещением в области проводника, примыкающие к этому слою, уменьшающих объемное сопротивление областей до стационарного значения.

Коммутация p-n перехода из прямо включенного в обратно включенное состояние сопровождается резким увеличением обратного тока за счет интенсивного рассеивания неравновесных носителей в объединенном слое p-n перехода с последующим экспоненциальным уменьшением этого тока до стационарного значения теплового тока Io. Время восстановления определяется по формуле:

Плотность заряда переключения определяется концентрацией инжектированных носителей в области полупроводника и геометрией всей полупроводниковой структуры.

Для плоскопараллельной конструкции:

Где  - плотность тока переключения; q – заряд электрона; - неравновесные концентрации неосновных носителей инжектированных соответственно в p и n области; W – протяженность всей полупроводниковой структуры, расположенной между внешними электродами;  - скорость рассеивания носителей, определяемая процессами дрейфа носителей через переход и из рекомбинацией

С учетом (13), (14), (15) соотношение (12) примет вид:

Для уменьшения tвосст необходимо уменьшить объем полупроводниковой структуры и увеличивать скорость рекомбинации неравновесных носителей. Последнее достигается созданием ловушечных центров рекомбинации, возникающих при введении в исследуемый материал нейтральных примесей (чаще всего золота)

 ВОПРОС 13

полупроводниковым диодом называют прибор с одним или несколькими элект. переходами и двумя внешними выводами. Диоды классифицируются по их назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическими особенностями, виду исходного полупроводника.

По назначению различают следующие виды диодов: выпрямительные, детекторные, смесительные, модуляторные, умножительные, универсальные.

Существуют и другие классификационные признаки:

  1.  по частоте (высокочастотные, диоды, диоды СВЧ)
  2.  для работы в импульсном режиме (импульсные)
  3.  по виду ВАХ (диоды с N-образной или S-образной характеристикой, или диоды с отрицательным сопротивлением)

В зависимости от соотношения между шириной объединенного слоя перехода и периметром, диоды подразделяются на: точечные, микросплавные и плоскостные.

Одним из распространенных способов получения p-n перехода является вплавление. Очень широко используется вплавление индия, являющегося акцептором для германия; алюминия в кристалл кремния n-типа; вплавление фосфора или сурьмы в кремний p-типа

 

 

Рис 22 методы получения p-n переходов

а) сплавной; б) мезаструктура; в) точечный; г) планарный

электронно-дырочный переход можно получить, осуществляя диффузию примеси в исходную пластину полупроводника p- или n-типа. Уменьшение емкости p-n перехода осуществляется химическим путем: стравливается часть кристалла с одной стороны и получается мезаструктура. Малую емкость p-n перехода имеют также точечные диоды. Для изготовления такого перехода, электролитически заостренная металлическая игла приваривается к кристаллу полупроводника импульсом тока до 1А (метод формовки). Современным методом создания полупроводниковых приборов из кремния является планарная технология, основу которой составляет метод фотолитографии 

  

 

рис 23 последовательность операций планарной технологии

а) окисление, нанесение фоторезиста; б) засвечивание; в) вскрытие окон; г) локальная диффузия

на исходной пластине кремния n-типа получают пленку окисла, которую затем покрывают слоем светочувствительного вещества (фоторезистом), после чего поверхность через фотошаблон засвечивают УФ светом. Затем слой фоторезиста проявляется с помощью проявителей, при этом облучении участки фоторезиста задубливаются и переходят в нерастворимое состояние, а необлученные участки растворяются. Далее осуществляется травление пленки окисла и получается окно для диффузии примеси. После этого спец составом удаляют слой фоторезиста; через образовавшееся окно проводят локальную диффузию примеси в исходную пластинку примеси и получают p-n переход.

 ВОПРОС 14

выпрямительные диоды служат для преобразования переменного тока в пульсирующий ток одного направления и используется в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры.

Германиевые выпрямительные диоды

Изготовление германиевых выпрямительных диодов начинается с вплавления индия в исходную полупроводниковую пластину германия n-типа. В свою очередь исходная пластина припаивается к стальному кристаллодержателю для маломощных выпрямительных диодов или к медному основанию для мощных выпрямительных диодов.

Рис 24 конструкция маломощного сплавного диода. 1- кристаллодержатель; 2 – кристалл; 3 – внутр. вывод; 4 – коваровый корпус; 5 – изолятор; 6 – коваровая трубка; 7 – внешний вывод

Рис 25 ВАХ германиевого диода

из рис 25 видно, что с ростом температуры в значительной степени увеличивается обратный ток диода, а величина пробивного напряжения уменьшается.

Германиевые диоды различного назначения имеют величину выпрямленного тока от 0,3 до 1000А. Прямое падение напряжения не превышает 0,5В, а допустимое обратное напряжение 400В. Недостатком германиевых диодов является их необратимый пробой даже при кратковременных импульсных перегрузках

Кремниевые выпрямительные диоды

Для получения p-n перехода в кремниевых выпрямительных диодах осуществляют вплавление алюминия в кристалл кремния n-типа, или сплава золота с сурьмой в кремний p-типа. Для получения переходов используют также диффузионные методы. Конструкции ряда маломощных кремниевых диодов практически не отличается от конструкций аналогичных германиевых диодов.

Рис 27 ВАХ кремниевого диода

Прямая ветвь слабо изменяется в довольно значительном интервале температур (с ростом температур она будет несколько круче), а падение напряжения в прямом направлении уменьшится.

Другие типы выпрямительных диодов

Длительное время находились в эксплуатации и в некоторых случаях еще находят применение селеновые выпрямители, представляющие собой параллельно-последовательное соединение выпрямительных диодов. Переходы этих диодов изготовляются на основе селена, к которому для уменьшения сопротивления добавляют йод и хлор. Из старых типов следует упомянуть меднозакисные, которые отличаются линейностью ВАХ в прямом направлении, что является важным свойством при применении их в ряде выпрямительных схем.

К современным приборам можно отнести титановые диоды. Они могут долговременно работать при температуре до +250 градусов Цельсия и допускают кратковременную работу при +400 градусах Цельсия.

Разновидностью выпрямительных диодов являются лавинные диоды. Эти приборы на обратной ветви ВАХ имеют лавинную характеристику, подобную стабилитрону.

В качестве выпрямительных диодов используются и диоды Шотки. Важная особенность этих диодов - меньшее прямое падение напряжения – 0,2В. Применение таких диодов уменьшает потери на 10-15%

Для выпрямления напряжений свыше нескольких кВ разработаны выпрямительные столбы, которые представляют собой совокупность выпрямительных диодов, соединенных последовательно и собранных в единую конструкцию с двумя выводами.

Превосходство: диапазон рабочих температур до 250 градусов Цельсия; лучшие частотные свойства; работают до частоты 1МГц и выше.

Основные параметры выпрямительных диодов

  1.  постоянное прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока через диод
  2.  постоянный прямой ток
  3.  величина обратного тока при заданном значении обратного напряжения
  4.  максимальное обратное напряжение
  5.  рабочий диапазон температур
  6.  максимальная частота, на которой еще не происходит ухудшение основных параметров
  7.  тепловое сопротивление переход-корпус, переход-среда
  8.  максимальная емкость диода
  9.  внутреннее или диф-ное сопротивление диода в рабочей точке
  10.  сопротивление постоянного тока

коэффициент выпрямления

 ВОПРОС 15

Стабилитрон – это прибор, предназначенный для стабилизации напряжения на присоединенной параллельно ему нагрузке в случае изменения ее сопротивления или величины напряжения питания

При работе стабилитрона используется участок пробоя на обратной ветви ВАХ, где значительному изменению тока соответствует очень малое изменение напряжения.

Напряжение стабилизации зависит от толщины p-n перехода, а толщина от величины удельного сопротивления материала

Рис 28 ВАХ стабилитрона

Рис 29 параметрический стабилизатор напряжения; 1 – нагрузка; 2 – для уменьшения пульсации вешается конденсатор.

При изменении температуры напряжение стабилизации изменяется неоднозначно. В слаболегированных полупроводниках (используются в высоковольтных стабилитронах) с ростом температуры длина свободного пробега носителей уменьшается. Для того, чтобы при меньшей длине свободного пробега носители могли приобрести энергию, достаточную для ионизации валентных связей, требуется большая величина напряженности электрического поля.

Напряжение пробоя с ростом температуры должно увеличиваться. В сильнолегированных полупроводниках при росте температуры ширина запрещенной зоны падает, вероятность тунеллирования носителей увеличивается, а напряжение пробоя уменьшается. Следовательно, высоковольтные и низковольтные стабилитроны должны иметь противоположные изменения величины стабилизации при изменении температуры

Основные параметры стабилитрона:

  1.  напряжение стабилизации
  2.  минимальный и максимальный токи стабилизации
  3.  температурный коэффициент напряжения стабилизации
  4.  дифференциальное сопротивление в рабочей точке
  5.  статическое сопротивление в рабочей точке
  6.  коэффициент качества

Стабисторы

Для стабилизации небольших напряжений (меньше 1В) используют прямую ветвь ВАХ. Предназначенные для этого полупроводниковые диоды называют стабисторами.

Кремниевые стабисторы имеют напряжение стабилизации около 0,7В. Для получения малого сопротивления базы диода и меньшего прямого дифф. сопротивления используют кремний с повышенной концентрацией примеси. Стабисторы могут выполняться на основе других полупроводниковых материалов.

1 .Проводники, изоляторы, полупроводники. Их зонные энергетические диаграммы.

2. Собственная электропроводность полупроводников.

3. Электронная электропроводность полупроводников.

4. Дырочная электропроводность полупроводников.

5. Электронно-дырочный переход. Виды пробоя электронно-дырочного перехода.

6. Механизм туннельного пробоя электронно-дырочного перехода.

7. Прямое и обратное включение р-п-перехода.

8. Переход металл-полупроводник.

9. ВАХ р-n-перехода и перехода металл-полупроводник.

10. Ширина и емкость электронно-дырочного перехода.

11. Эквивалентная схема р-п-перехода.

12. Переходные процессы в p-n-переходе.

13. Основные виды диодов и технологии их производства.

14. Выпрямительные диоды.

15. Стабилитроны и стабисторы.

16. Высокочастотные и импульсные диоды.

17. Диоды с накоплением заряда.

18. Туннельные и обращенные диоды.

19. Диоды сверхвысокочастотные.

20. Устройство, конструктивно-технологические особенности, схемы включения биполярных транзисторов.

21. Режимы работы биполярных транзисторов, статические параметры, физические процессы.

22. Модель Эберса - Молла.

23. Статические характеристики в схеме с общим эмиттером.

24. Устройство и основные виды полевых транзисторов. Полевые транзисторы с управляющим переходом.

25. Устройство и основные виды полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором. ВОПРОС 16

высокочастотные диоды предназначены для детектирования колебаний высокой частоты и используются в радиоприемной, телевизионной и другой аппаратуре.

Они могут быть точечными, дифф-ными, сплавными или иметь мезаструктуру.

Рис 31 конструкция ВЧ диода. 1 – внешние выводы; 2 – кристалл; 3 – стеклянный корпус; 4 – вольфрамовый электрод

 

Рис 32 а) эквивалентная схема p-n перехода; б) ВАХ точечного германиевого диода

Эквивалентная схема кроме сопротивления перехода и емкости перехода содержит сопротивление растекания. Его величина определяется геометрическими размерами и конфигурацией точечного перехода. Если предположить, что контакт имеет полусферическую форму, то величина сопротивления растекания приближенно может быть определена: , где - удельное объемное сопротивление полупроводника; - радиус закругления контакта .

Барьерная емкость точечных диодов не превышает 1пФ, их рабочая частота достигает 150МГц.

Высокочастотные кремниевые диоды в конструктивном отношении не отличаются от германиевых. ВАХ кремниевых микросплавных диодов близки к теоретическим, если эксплуатация диодов соответствует паспортным режимам.

Импульсные диоды

Импульсные диоды предназначены для работы в устройствах импульсной техники. Особенностью их работы является значительное проявление эффектов накопления и рассеивания носителей при больших уровнях мощность переключающего сигнала.

Переходы импульсных диодов изготавливаются такими же методами, как и высокочастотные.

Рис 33 конструкция импульсных диодов. 1 – кристаллодержатель; 2 – стеклянный корпус; 3 – коваровая трубка; 4 – внешние выводы; 5 – контактная пружина; 6 – кристалл; 7 – припой.

Основные параметры высокочастотных и импульсных диодов

  1.  постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе
  2.  максимальная величина обратного тока при максимальной величине обратного напряжения
  3.  емкость диода при заданной величине обратного напряжения
  4.  время восстановления обратного сопротивления
  5.  постоянное и импульсное обратные напряжения
  6.  средний выпрямленный ток
  7.  импульсный прямой ток
  8.  частота без снижения параметров, соответствующих паспортному режиму
  9.  диапазоны рабочих температур.

 

ВОПРОС 22

Связи между токами и напряжениями в транзисторе для 4-х режимов включения хорошо согласуются с удобной и понятной математической моделью Эберса-Молла, основанной на эквивалентной схеме, состоящей

Из двух диодов (эмиттерного и коллекторного), включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов

Рис 45 эквивалентная нелинейная модель Эберса-Молла для БТ

где Iэбк и Iкбк - обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые при коротком замыкании соответствующей остающейся части схемы.

С учетом (39) и (40) соотношение (38) преобразуется следующим образом:

В вычислительных методах анализа транзисторных схем с помощью ЭВМ широкое распространение получила нелинейная модель транзистора Гуммеля-Пуна, которая основывается на решении инт-ных соотношений для зарядов и связывает внешние электрические характеристики с зарядом в базе транзисторной структуры. Это очень точная модель, объясняющая многие физические эффекты, но для ее описания требуется большое число параметров, так для анализа в широком частотном диапазоне необходимо 25 параметров.

Последовательное упрощение модели Гуммеля-Пуна в конце концов приводит к модели Эберса-Молла. ВОПРОС 17

Существенное значение при использовании диодов в импульсном режиме в быстродействующих схемах имеет время восстановления обратного сопротивления. Изготовление p-n переходов методом диффузии примеси значительно улучшает tвосст. В этом случае распределение концентрации примесей полупроводников будет неравномерно (рис 34а). полупроводниковые диоды, построенные по заданному принципу, называются диодами с накоплением заряда (ДНЗ).

Наличие градиентов концентрации носителей близи границы p-n переходов вызывает встречное диффузионное и дрейфовое движение потоков носителей в пограничных с p-n переходом областях полупроводниковой структуры. В результате чего возникает состояние равновесия с определенной напряженностью электрического поля

Прямое напряжение, поданное на диод, создает инжекцию дырок из р-области в n-базу диода. Однако, из-за наличия внутреннего тормозящего поля в базе, дырки не проникают вглубь области базы, а оказываются «прижатыми» непосредственно к границе перехода встроенным электрическим полем с напряженностью Е (18). При обратном напряжении «прижатые » встроенным полем к границе перехода накопленные дырки намного быстрее экстрагируются p-n переходом, чем при отсутствии внутреннего поля, и создают большой обратный ток, величина которого характеризуется сопротивлением нагрузки. При этом время восстановления уменьшается в 30-50 раз. Время жизни неравновесных носителей в базе делается достаточно большим, чтобы удержать заряд, накопленный за время действия импульса прямой полярности. Это явление позволяет формировать импульсы с очень короткими задними фронтами.

 

 

Рис 34 а) распределение примесей в базе; б) переходный процесс при прохождении импульсного синапса в ДНЗ

К импульсным ДНЗ применяют такие же требования как и к обычным – минимальная величина сопротивления и базы и малая емкость p-n перехода.

Эффектом резкого восстановления обратного сопротивлении обладают в той или степени все полупроводниковые диоды, у которых переход получен методом диффузии примеси. Например диоды В312, 1А401А и ряд других.

Еще большим быстродействием по сравнению с ДНЗ обладают диоды Шотки.

Диоды Шотки

Диоды Шотки – это полупроводниковые приборы, построенные на основе структуры металл-полупроводник. Такой электрический переход обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся:

  1.  понижение падения напряжения при прямом включении
  2.  высокий ток утечки
  3.  очень маленький заряд обратного восстановления

последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом, у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей. То есть они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью. В диодах Шотки предельная частота значительно выше обычных диодов. Изготавливают диоды Шотки обычно на основе кремния или арсенида галлия, реже на основе германия.

 ВОПРОС 18

Туннельным диодом называют полупроводниковый диод, изготовленный на основе сильнолегированного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка с отрицательным дифф-ным сопротивлением.

Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей уменьшает ширину p-n перехода приблизительно на 2 порядка по сравнению с обычными диодами. Поэтому электроны, имеющие энергии, меньшие, чем высота энергетического барьера, тунеллируют сквозь этот тонкий барьер без изменения своей энергии.

Для существования туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:

  1.  наличие тонкого барьера, при котором квадрат амплитуды волновой функции электрона (вероятность тунеллирования) = 1
  2.  напряженность электрического поля должна достигать 3..5 кВ/см
  3.  для электрона, находящегося по одну сторону барьера, должен существовать вакантный уровень по другую сторону барьера с энергией этого электрона.

Рис 35 эквивалентная схема туннельного диода

Кроме емкости перехода и его сопротивления схема содержит сопротивление потерь (rs) и индуктивность выводов (Ls). Индуктивность является паразитным элементом схемы и ограничивает верхний частотный диапазон также как и емкость перехода. Обычно индуктивность составляет величину порядка , а емкость С=5…50пФ. Величина сопротивления потерь от десятых долей Ома до единиц Ома.

Туннельный механизм прохождения тока через переход обладает очень малой инерционностью, поскольку создание тока в нем не связано с накоплением неравновесного заряда, ток создается только основными носителями. Предельная резистивная частота может быть найдена:

резонансная частота:

Разработка конструкции туннельных диодов требует выполнения условия: .

Для этого индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной.

Рис 36 корпус туннельного диода

выводы с целью уменьшения индуктивности ленточные и короткие. В диапазон СВЧ используют патронную конструкцию.

Достоинством туннельных диодов является высокие рабочие частоты (вплоть до СВЧ), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока.

К недостаткам следует отнести: малую отдаваемою мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.

ВАХ туннельного диода

Параметрами туннельных диодов являются:

  1.  пиковый ток Iп (от десятых долей мА до сотен мА)
  2.  ток впадины Iв
  3.  отношение токов
  4.  напряжение пика Uп, соответствующее току Iп

  1.  напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины
  2.  напряжение раствора – это напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви ВАХ (Uрр)
  3.  предельная резистивная частота
  4.  частотная емкость туннельного диода
  5.  резонансная частота туннельного диода.

Обращенные диоды

Полупроводниковый диод, изготовленный из материала с концентрацией примесей в p и n областях меньшей чем, в туннельных диодах, но большей, чем в обычных, имеют своеобразную ВАХ, обращенную по сравнению с ВАХ обычных диодов. Такой диод является разновидностью туннельных и называется обращенным

Рис 37 ВАХ обращенного диода

Обращенные диоды целесообразно использовать при выпрямлении малых переменных сигналов, составляющих несколько десятых долей вольта.

Поскольку принцип действия обращенных диодов основан на туннельном эффекте, их можно использовать в быстродействующих переключающих схемах или в схемах детекторов СВЧ

 ВОПРОС 19

в диапазоне СВЧ (то есть частота >300 МГц) очень важное значение при создании диодов приобретают реактивные параметры. Корпус диода должен проектироваться таким образом, чтобы он имел минимальные величины собственной емкости и индуктивности, обеспечивал надежное крепление в СВЧ устройствах и давал возможность оптимального согласования с нагрузкой.

В настоящее время p-n переходы для диодов СВЧ получают по планарной технологии, используя диффузионные методы, а также применяют переходы с мезаструктурой. По своему назначению диоды СВЧ подразделяются на детекторные, переключательные, преобразовательные, параметрические и генераторные.

Рис 39 эквивалентная схема СВЧ диода

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигналов СВЧ. Под детектированием понимают процесс выделения из модулированного напряжения сигнала более низкой частоты, по закону которого была осуществлена амплитудная модуляция высокочастотного сигнала. Главным параметром, определяющим характеристику детектора, является крутизна ВАХ в окрестности рабочей точки. Выходное напряжение детектора должно быть прямо пропорционально мощности сигнала СВЧ (квадрату входного напряжения).

К ВАХ детекторных диодов предъявляются специальные требования: прямая ветвь должна быть квадратична, что дает возможность по величине измеряемого тока определять СВЧ мощность, подаваемую на диод

Переключательные диоды

для переключения мощности, проходящей по СВЧ тракту, используются переключательные диоды. Они делятся на нерезонансные и резонансные. Переключение достигается за счет изменения сопротивления диода при подаче на него прямого и обратного напряжения.

В нерезонансных переключательных устройствах используется тот факт, что при подаче прямого смещения диод обладает малой величиной активного дифф-ного сопротивления, а при обратном смещении значительно большей. Основным требованием, предъявляемым к конструкции такого диода, является минимальная индуктивность вывода. А также емкость диода и патрона. В результате специально принятых мер переключающее устройство будет обладать практически активными сопротивлением в рабочем диапазоне частот.

В резонансных переключателях используется явление резонанса в параллельном и последовательном контурах, образованных емкостью p-n перехода, емкостью корпуса и индуктивностью выводов.

Преобразовательные диоды

Ряд функций могут выполнять преобразовательные диоды. Они могут быть смесительными, умножительными, модуляторными. Для всех этих целей используется нелинейность ВАХ диодов. Смесительные диоды при подаче двух сигналов различных частот позволяют получить разностную (промежуточную частоту). Они характеризуются такими параметрами, как: потери преобразования, коэффициент шума, выпрямленный ток. Потери преобразования определяются следующим образом:

; где  - мощность СВЧ сигнала, подводимого к смесителю;  - мощность сигнала промежуточной частоты.

Величина выпрямленного тока измеряется при подаче на диод заданного уровня мощности СВЧ сигнала.

Умножительные диоды.

Они предназначены для получения n-ной гармоники основного сигнала. Они характеризуются мощностью какой-либо гармоники при заданном значении мощности основной гармоники.

Модуляторные диоды позволяют получить модулированные колебания. Основной параметр – потери преобразований – определяются соотношением:

; Где  - мощность модулированных колебаний;  - выходная мощность.

Конструкция СВЧ диодов.

Основные типа конструкции СВЧ диодов – патронная и коаксиальная

Рис 40 патронная конструкция СВЧ диода. 1- фланец; 2 – настроечный фланец; 3 – керамическая втулка; 4 – контактная пружина; 5 – кристалл; 6 – нижний фланец

Патронная конструкции диода удобна для установки волноводной секции. А коаксиальная – в коаксиальных волноводах. С целью уменьшения влияния паразитных параметров, а также для обеспечения возможности использования диодов в микрополосковых и других малогабаритных устройствах, разработаны корпуса диодов, имеющие значительно меньшие размеры

 ВОПРОС 20

Биполярные транзистор – это трех-электродный полупроводниковый прибор с двумя и более взаимодействующими электронно-дырочными переходами. В транзисторе чередуется по типу электропроводности три области полупроводника: коллектор, база, эмиттер.

Рис 41 планарная n-p-n структура БТ. 1 – коллекторный переход; 2 – эмиттерный переход.

На границе эмиттерной области с базовой, а также на границе базовой области с коллекторной образуются два электронно-дырочных перехода (эмиттерный и коллекторный). Переходы оказываются взаимодействующими, если расстояние между ними, называемое шириной базы, гораздо меньше дифф-ной длины подвижных носителей заряда.

Дифф-ная длина Lpnэто расстояние, которое проходит электрон и дырка от момента появления в проводнике до момента рекомбинации.

Площадь коллекторного перехода всегда больше площади эмиттерного перехода. Область эмиттера должна обладать более высокой электропроводностью, чем база и коллектор.

В зависимости от порядка чередования областей по типу проводимости различают структуры p-n-p и n-p-n 

 

рис 42 плоская одномерная модель и условные обозначения БТ

как элемент электрической цепи транзистор используют таким образом, что один из его электродов является входным, другой выходным; третий электрод является общим относительно входа и выхода. В зависимости от того какой электрод является общим, различают 3 схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).

   рис 43 схемы включения БТ

ВОПРОС 21 часть 1

При работе транзистора к его электродам прикладывается напряжение от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, прикладываемых к электродам, каждый из p-n переходов транзистора может быть включен в прямом или обратном направлении, то есть возможны 4 режима работы транзистора

Название перехода

Включение транзистора

Название режима работа транзистора

ЭП

КП

Обратное

обратное

Режим отсечки

ЭП

КП

Прямое

Прямое

Режим насыщения

ЭП

КП

Прямое

обратное

Активный режим

ЭП

КП

Обратное

прямое

Инверсный режим

Режим отсечки. в режиме отсечки оба перехода включены в обратном переходе (высокоомное состояние эмиттер-коллектор). В электродах транзистора протекают тепловые токи обратно включенных переходов, которые и являются статическими параметрами режима отсечки. в каждой из трех схем включения транзистора эти параметры имеют определенные величины. Их обозначения имеют вид:

  1.  для схемы с ОБ:
  2.  для схемы с ОЭ:
  3.  для схемы с ОК:

первый индекс в обозначении указывает электрод, в котором протекает ток; второй индекс – схему включения; третий индекс – условие в оставшейся части схемы («о» - отсутствие тока в др. электроде, то есть холостой ход; «к» - короткое замыкание в оставшейся части схемы).

Режим насыщения. В режиме насыщения оба p-n перехода включаются в прямом направлении. Переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы. Участок эмиттер-коллектор имеет высокую проводимость и может считаться короткозамкнутым. Статическими параметрами являются токи насыщения в токах транзистора  и остаточные напряжения .

Отношение напряжений и токов соответствующих электродов дают величины сопротивлений насыщения

;

 ВОПРОС 23

Статические характерстики транзисторов показывают функциональные связи между постоянными токами и напряжениями электродов транзистора. Для каждой схемы включения в активном режиме существует своя совокупность семейств характеристик, описывающих связь токов и напряжений в транзисторе. 4 вида характеристик описывают свойства любого 3-электродного прибора:

1) входные характеристики: ; Iвых = const или Uвых = const.

2) выходные характеристики: ; Iвх = const или Uвх = const

3) характеристики управления (хар-ки прямой передачи): ; Uвых = const

4) характеристики обратной связи (действия): ; Iвх = const

Существуют характеристики в схеме с общей базой и характеристики в схеме с общим эмиттером.

Характеристики в схеме с ОЭ

Наиболее точными и употребительными являются характеристики с схемах с ОЭ, так как в этом случае ток базы есть аргумент для входных характеристик и характеристик прямой передачи и пар-р для остальных.

На рисунке 48 представлено семейство характеристик биполярного транзистора для схемы с ОЭ:

  1.  семейство входных (базовых) характеристик транзистора (48а): ; Uкэ = const
  2.  семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора (48б): ; Iб = const
  3.  семейство характеристик прямой передачи по току (48в): ; Iкэ = const
  4.  семейство характеристик обратного действия (48г): ; Iб = const

   

рис 48 статические характеристики БТ в схеме с ОЭ. а) – входные, б) выходные, в) хар-ки управления, г) хар-ки обратного действия

ВОПРОС 21 часть 3

Выражения (29) и (31) устанавливают связь между токами транзистора и справедливы для любой схемы включения. Аналогичные процессы происходят в n-p-n транзисторах.

Обратное напряжение, приложенное к коллекторному переходу значительно больше напряжения прямо включенного эмиттерного перехода, а токи в цепях эмиттера и коллектора практически равны. Поэтому мощность в нагрузке, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока, оказывается значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор обладает исключительными свойствами.

Инверсный режим

В инверсном режиме эмиттерный переход обратно включен, а коллекторный находится под прямым напряжением. Поэтому по сравнению с активным, в инверсном режиме инжекция носителей осуществляется коллекторным переходом, а экстракция – эмиттером. Практически эмиттер и коллектор меняются функциями и местами в схеме.

Для схемы с ОБ:

Поскольку площадь эмиттерного перехода много меньше площади коллекторного перехода и концентрация Nб<Nб, то

для схемы с ОК:

для схемы с ОЭ:

дифференциальный коэффициент передачи тока

для переменных сигналов, амплитуда которых много меньше величины питающих напряжений, связь между током коллектора и эмиттера определяется дифф-ем соотношения (29) как функции двух аргументов в предположении, что , то есть

- дифференциальный коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ

ВОПРОС 24

Полевые транзисторы иначе называют канальными или униполярными.

 

Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же как и у электронных ламп. Пластинка из полупроводника, например n-типа, имеет на концах электроды, с помощью которых она включена в управляющую цепь усилительного каскада. Вдоль этой пластины проходит ток основных носителей – электронов. Управляющая цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n переходе и от этого изменяется толщина объединенного слоя (штриховые линии на рисунке). Соответственно этому меняется область поперечного сечения области, сквозь которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

 

Рис 49

Основной параметр транзистора – это крутизна S:

1) ; Uси = const

2) внутреннее (выходное) сопротивление: ; Uзи = const

ВОПРОС 21 часть 2

Активный режим. Эмиттерный переход включен в прямом направлении, коллекторный – в обратном. Такое включение соответствует активному режиму, а транзистор обладает усилительными свойствами.

Принцип действия транзистора в активном режиме основан на использовании следующих явлений: 1) инжекции основных носителей через эмиттерный переход; 2) перенос инжектированных носителей через базу вследствие диффузии и дрейфа; 3) рекомбинация неравновесных носителей в базе; 4) экстракция неосновных носителей базы в коллектор полем коллекторного перехода.

Инжекция носителей обуславливает прохождение через эмиттерный переход дифф-ных токов: дырочного Iэp и электронного Iэn. Во внешней цепи протекает ток инжекции

Для транзисторной структуры p-n-p типа соотношение между примесями в эмиттере и базе определяется:

Потому как

Инжекция носителей из эмиттера в базу превышает концентрацию неосновных носителей в базе. Их концентрация на границе эмиттерного перехода для p-n-p структуры определяется соотношением:

Диффузия дырок в базе сопровождается их рекомбинацией электронами. На место рекомбинированных электронов в базу из внешней цепи источника поступают другие электроны, создавая в дополнение к электронному току инжекции Iэн ток базы рекомбинации Iбрек, так как ширина базы значительно меньше дифф-ной длины носителей. Дырки, инжектированные эмиттером в базу и достигшие обратно включенного коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются в базу коллектора. Создается управляемая часть тока коллектора:

Процесс переноса неосновных неравновесных носителей через базу оценивается коэффициентом переноса:

Коэффициент называется интегральным (статическим) коэффициентом передачи тока эмиттера в цепь коллектора и с учетом соотношений (24) и (26) определяется формулой:

Кроме управляемой части коллекторного тока в электроде коллектора протекает неуправляемая часть тока – тепловой ток обратно включенного перехода. Он аналогичен току обратно включенного полупроводникового диода и поэтому получил название обратного тока коллектора Iкбо

Направление обратного тока коллектора совпадает с направлением управляемой части коллекторного тока и поэтому

Ток Iкбо в цепи базы направлен навстречу базовому току рекомбинации Iбрек и базовому току инжекции Iпинж

В цепи эмиттера ток инжекции является суммой тока коллектора Iк и тока базы Iб:

ВОПРОС 25

Полевые транзисторы иначе называют канальными или униполярными.

 

Главное достоинство полевых транзисторов – высокое входное сопротивление, которое может быть таким же как и у электронных ламп. Пластинка из полупроводника, например n-типа, имеет на концах электроды, с помощью которых она включена в управляющую цепь усилительного каскада. Вдоль этой пластины проходит ток основных носителей – электронов. Управляющая цепь транзистора образована с помощью третьего электрода, представляющего собой область с другим типом электропроводности. При изменении входного напряжения изменяется обратное напряжение на p-n переходе и от этого изменяется толщина объединенного слоя (штриховые линии на рисунке). Соответственно этому меняется область поперечного сечения области, сквозь которую проходит поток основных носителей заряда. Эта область называется каналом.

 

Рис 49

Основной параметр транзистора – это крутизна S:

1) ; Uси = const

2) внутреннее (выходное) сопротивление: ; Uзи = const

Полевые транзисторы с изолированным затвором

В этих транзисторах металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти называют МДП (Металл-Диэлектрик-Полупроводник) или МОП (Металл-Окислитель-Полупроводник).

 

Основанием служит кремниевая пластина с электропроводностью p-типа. В ней созданы 2 области с электропроводностью n-типа (с повышенной проводимостью). Эти области являются истоком и стоком, от них сделаны выводы. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n-типа. Длина канала от истока до стока обычно единицы мкМетра, а его ширина – сотни мкм в зависимости от рабочего тока транзистора. Толщина диэлектрического слоя диоксида кремния SiO2 – 0,2 мкм. Сверху диэлектрического слоя расположен затвор в виде тонкой металлической пленки.

Прибор с тонким каналом называют транзистором с собственным каналом и он работает следующим образом: если при нулевом напряжении приложить между стоком и истоком напряжение, то через канал потечет ток. При подаче ток через кристалл не пойдет, так как один из p-n переходов находится под обратным напряжением. При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, а следовательно и кристалла, в канале создается поперечное электрическое поле, под влиянием которого электроны проводимости выталкиваются из канала в области истока и стока, в кристалле канала обедняется электронами, сопротивление его увеличивается, а ток стока уменьшается. Чем больше отрицательное напряжение затвора, тем больше ток стока. Такой режим называется режимом обеднения. Если на канал или затвор подать положительное напряжение, то под действием поля, созданного этим напряжением, из областей истока, стока и кристалла будут проходить электроны. Проводимость канала при этом увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

 ВОПРОС 3

Рисунок 6– замещение в узле решетки атома германия атомом мышьяка

Рисунок 7 – энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с электронной электропроводностью

1 – зона проводимости; 2 –примесная зона; 3- запрещенная зона; 4 – валентная зона

На рисунке 6 изображена кристаллическая решетка с внедренным атомом примеси пятивалентного мышьяка. 4 электрона валентной оболочки атома мышьяка образуют прочные ковалентные связи с 4-мя соседними атомами германия, а пятый валентный электрон мышьяка оказывается «лишним». Размер орбиты, по которой он вращается вокруг ядра атома мышьяка, увеличивается в десятки раз, а связь его с ядром резко уменьшается. Расчеты показывают, что в рассматриваемом примере энергия, необходимая для отрыва лишнего электрона от атома мышьяка, составляет приблизительно 0,05 эВ. Учитывая, что ширина запрещенной зоны германия несколько превышает 1эВ, можно понять, что энергетический уровень электрона мышьяка расположен рядом с зоной проводимости кристалла.

Благодаря близости примесных уровней к зоне проводимости, уже при незначительных температурах большая часть электронов примесной зоны переходит в зону проводимости и почти все примесные атомы оказываются ионизированными. Ионы примесных атомов связаны кристаллической решеткой и не могут перемещаться под действием внешнего электрического поля. Таким образом, в самих атомам примеси при этом дырки не образуются (дырка, как и электрон, перемещается под действием внешнего электрического поля, а потому является подвижным носителем заряда). Таким образом, в рассмотренном случае прохождения тока через кристалл обеспечивается электронами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости называется донорной.

Пятивалентная донорная примесь в 4-хвалентном кристалле создает электронную электропроводность

ВОПРОС 4

Рисунок 8 – замещение в узле атома германия атомом индия

Рисунок 9 - энергетическая диаграмма полупроводникового кристалла с дырочной полупроводностью

1 – зона проводимости; 2 – примесная зона; 3 – запрещенная зона; 4 – валентная зона

Благодаря близости примесных уровней к ковалентной зоне все примесные атомы оказываются ионизированными уже при незначительных температурах. В нашем случае атомы примеси, приняв электроны из валентной зоны, становятся отрицательными ионами. Ион связана с кристаллами решеткой и не движется. Таким образом, в 2/3 кристалла обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны – акцепторной. 3-хвалентная акцепторная примесь создает в 4-хвалентном кристалле дырочную электропроводность.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

39219. Динамика науки как процесс порождения нового знания 131 KB
  Философия и методология научного познания Тема 2 Лекция 3 Динамика науки как процесс порождения нового знания Сущность и движущие силы развития научного знания. Концепция исторической динамики науки Т. Этот процесс можно рассматривать как движение от мифа к логосу от логоса к преднауке от преднауки к науке от классической науки к неклассической и далее к постнеклассической и т. В философии науки вопрос о сущности и движущих силах развития научного знания сводится к следующим аспектам: Сущность динамики науки – это просто...
39220. ЭКОНОМИКА СТРОИТЕЛЬСТВА 668.5 KB
  Все они используют одни и те же методические документы по составлению смет и нормативные базы ЭСН84 ЕРЕР84 СниР91 ЕРС99 ГЭСН2001 ТЕР2001 и др. Затраты труда рабочих и машинистов на единицу определяются по сборникам ГЭСН2001. ГЭСН отражают среднеотраслевые затраты на эксплуатацию строительных машин и механизмов в зависимости от видов работ. 2004 N п п Виды строительных и монтажных работ Нормативы накладных расходов в к фонду оплаты труда рабочих строителей и механизаторов Область применения номера сборников ГЭСН ГЭСНм...
39221. Социология права 16.28 KB
  Социология права (юридическая социология) – отрасль общей социологии (наряду с такими ее отраслями, как социология культуры, социология политики, социология религии и т. д.)
39223. Социальный конфликт: причины, структура и функции. Управление конфликтом 17.4 KB
  Социальный конфликт — это социальное явление, содержанием которого является процесс развития и разрешения противоречивости отношений и действий людей, детерминируемый прежде всего объективными закономерностями развития общества.
39224. Изучение явления термоэдс 163 KB
  Зеебек обнаружил что замкнутой цепи состоящей из двух разнородных проводников возникает электродвижущая сила термоэдс если контакты находятся при различных температурах рис. Явление возникновения термоэдс наблюдается и в одном проводнике если его концы находятся при разных температурах рис. Величина термоэдс прямо пропорциональна разности температур.
39225. Изучение эффекта Пельтье 259 KB
  При прохождении тока в цепи состоящей из различных проводников в местах контакта в дополнение к теплоте ДжоуляЛенца выделяется или поглощается в зависимости от направления тока некоторое количество тепла теплота Пельтье пропорциональное прошедшему через контакт электрическому заряду. В переносе тока будут участвовать электроны в узкой полосе размытия 2kT вблизи уровня Ферми. При противоположном направлении тока электроны переходя в полупроводник поглощают энергию охлаждая контакт. При пропускании тока в прямом направлении от p...
39226. Измерение коэффициента теплопроводности сыпучего материала 114 KB
  Ознакомление с методикой измерения коэффициента теплопроводности сыпучих материалов измерение коэффициента теплопроводности песка. Коэффициент теплопроводности В феноменологической теории теплопроводности перенос тепловой энергии рассматривается подобно течению жидкости. Согласно закону Фурье 1 где  коэффициент теплопроводности.
39227. Изучение сегнетоэлектриков 202 KB
  Основная кривая поляризации сегнетоэлектрика представлена на рис. Диэлектрическая проницаемость зависит от напряженности внешнего поля рис. На рис. Механизм спонтанной поляризации сегнетоэлектриков По типу химической связи и физическим свойствам сегнетоэлектрики принято подразделять на две группы: 1 ионные кристаллы; 2 дипольные кристаллы.