2018-02-20
1901
ЭЛЕКТРОНИКА И СХЕМОТЕХНИКА
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
СОДЕРЖАНИЕ
1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНИКИ В РАЗВИТИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО
ПРОГРЕССА. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ…….6
1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ЭП РЭА………………………………………………………....8
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭП……………………………………………………..........9
1.3. ВИД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА………………………………….……....10
1.4. РАБОЧАЯ СРЕДА И ТИП НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА………………………........11
1.5. ЧИСЛО ПОЛЮСОВ…………………………………………………….…...........11
1.6. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ………………………………………………………..12
1.7. ПОНЯТИЕ О РЕЖИМАХ, ХАРАКТЕРИСТИКАХ И ПАРАМЕТРАХ ЭП…...13
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ…....17
2.1. СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ………………………………………........17
2.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ………………………………………………….........…18
2.3. ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ…………...….…20
2.4. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ…........20
2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЗОНАХ
|
|
|
ПОЛУПРОВОДНИКА…………………………………………………………….22
3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ………………..…23
3.1. ПОЛУПРОВОДНИКИ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ……….…23
3.2. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ………………….….24
4. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ…………………….....26
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДОВ……………………………………………...26
4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В P-N ПЕРЕХОДАХ………27
4.2.1. КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ P- И N- ТИПА…………………….27
4.2.2. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА…………………………………….....29
4.2.3. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА…………………………………….29
4.3. ЕМКОСТИ P-N ПЕРЕХОДА……………………………………………………...31
4.4. ПРОБОЙ P-N ПЕРЕХОДА…………………………………………………..........32
4.5. ПЕРЕХОД ПРОВОДНИК – ПОЛУПРОВОДНИК………………………………34
4.6. КОНТАКТЫ ПОЛУПРОВОДНИКА ОДНОГО ТИПА
ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ…………………………………………….….……..35
4.7. ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫ……………………………………………………………...35
4.8. ВОЛЬАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА P-N ПЕРЕХОДА…………………...37
5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ……………………………………..……..37
5.1. ВОЛЬТ - АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАЛЬНОГО ДИОДА…..….....37
5.2. ПОЛНЫЙ ОБРАТНЫЙ ТОК ДИОДА. ТОКИ ГЕНЕРАЦИИ И УТЕЧКИ…....39
5.3. ПРЯМОЙ ТОК ДИОДА. ТОК РЕКОМБИНАЦИИ.
СОПРОТИВЛЕНИЕ ТЕЛА БАЗЫ…………………………………….………….41
5.4. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ВОЛЬТ - АМПЕРНЫЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДА…………………………………………………....42
5.5. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ…………………..43
5.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ………………….43
5.5.2. КОНСТРУКЦИИ ДИОДОВ……………………………………….……………....44
|
|
|
5.5.3. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДОВ……………………………………......…45
5.5.4. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ДИОДА…………………………………..…….....46
5.5.5. РАБОТА ДИОДА С НАГРУЗКОЙ……………………………………………….46
5.5.6. ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ……………………..…………………….……..47
5.5.7. ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ……………………………………………………...…50
5.5.8. ПАРАМЕТРЫ ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДОВ…………………………………...…52
5.5.9. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ…………………………...……52
5.5.9.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ СТАБИЛИТРОНОВ………………………………….53
5.5.9.2. СТАБИСТОРЫ………………………………………………………………...…56
5.5.10. ТУННЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ………………………………………………..…….…57
5.5.11. ВАРИКАПЫ……………………………………………………………...……….59
5.5.12. СЕЛЕНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ……………………………………………..…60
5.5.13. СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ………………………………………………61
6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ…………………………….………..62
6.1. ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ……………………………………………………………..62
6.2. ВАРИСТОРЫ……………………………………………………………………..63
7. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ………….64
7.1. Фотопроводимость полупроводников…………………………...64
7.2. ФОТОРЕЗИСТОРЫ……………………………………………………………...65
7.3. ОБЛУЧЕНИЕ СВЕТОМ p-n ПЕРЕХОДА……………………….......…………66
7.4. ФОТОДИОДЫ……………………………………………………………………67
7.5. ФОТОТРАНЗИСТОРЫ………………………………………….……………….69
7.6. ФОТОТИРИСТОРЫ……………………………………………………………...70
7.7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА. ОПТОПАРЫ……………………….70
8. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ……………………………………………….71
8.1. УСТРОЙСТВО ТРАНЗИСТОРА………………………………………………..72
8.2. ОСНОВНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ
ТРАНЗИСТОРА…………………………………………………………….…….73
8.3. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА……………………………………...74
8.4. ОБЪЁМНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ БАЗЫ……………………………………….77
8.5. МОДУЛЯЦИЯ ШИРИНЫ БАЗЫ ТРАНЗИСТОРА…………………………….77
8.6. КОЭФФИЦЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ ТОКА В СХЕМАХ ОБ И ОЭ…………...…....78
8.7. СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ………………79
8.8. ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ДРЕЙФ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНЗИСТОРА………….81
8.9. НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ТРАНЗИСТОРА…………………………………….83
8.10. ТРАНЗИСТОР КАК ЛИНЕЙНЫЙ ЧЕТЫРЕХПОЛЮСНИК………………….84
8.11. СИСТЕМА Z – ПАРАМЕТРОВ………………………………………………….85
8.12. СИСТЕМА Y – ПАРАМЕТРОВ………………………………………………….85
8.13. СИСТЕМА Н – ПАРАМЕТРОВ………………………………………………….85
8.14. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОДОВ И
ЕМКОСТИ ТРАНЗИСТОРОВ……………………………………………………86
8.15. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ТРАНЗИСТОРА В ЛИНЕЙНОМ
РЕЖИМЕ…………………………………………………………………………..87
8.16. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА С НАГРУЗКОЙ……………………………………..89
8.17. ДОПУСТИМАЯ МОЩНОСТЬ ТРАНЗИСТОРОВ…..…………………………91
8.18. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ………………………93
8.19. РАБОТА ТРАНЗИСТОРА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ……………………..95
8.20. СОСТАВНОЙ ТРАНЗИСТОР……………………………………………………96
8.21. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРОВ………………………………...98
8.22. ДРЕЙФОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ………………………………………………….99
8.23. МАРКИРОВКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ……..…………….100
9. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ……………………………………………………101
9.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНЗИСТОРА
С УПРАВЛЯЮЩИМ p-n ПЕРЕХОДОМ……………………………………...102
9.2. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ…………………..…103
9.3. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОДОВ НА ПРОЦЕССЫ В
КАНАЛЕ. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ЗАТВОРА Uзи………………………103
9.4. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ СТОКА Uси………………………………….…..104
9.5. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВОГО ТРАНЗИСТОРА
С p-n ПЕРЕХОДОМ……………………………………………………………..105
9.6. ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ…………………………...……………….106
|
|
|
9.7. ПЕРЕДАТОЧНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ………………………...……………106
9.8. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ....………107
9.8.1. ОБОЗНАЧЕНИЯ И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ…………………………………..107
9.9. МДП-ТРАНЗИСТОРЫ С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ………………107
9.9.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ…………………………………….108
9.9.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП ТРАНЗИСОРА
С ИНДУЦИРОВАННЫМ КАНАЛОМ………………………………………….109
9.10. МДП-ТРАНЗИСТОР СО ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ…………………...…..110
9.10.1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ………………………………………..110
9.10.2. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МДП-ТРАНЗИСТОРА
СО ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ……………………………………………….111
9.11. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НА СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ…………………………………...………………112
9.12. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ…..112
9.13. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ СХЕМЫ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ………………..113
9.14. РАБОТА ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ………115
9.15. РАБОТА ТРАНЗИСТОРОВ В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ……………………115
10. ТИРИСТОРЫ………………………………………………………………………116
10.1. ДИНИСТОРЫ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ………………...…116
10.1.1. ВАХ ДИНИСТОРА………………………………………………………………..117
10.2. ТРИНИСТОРЫ. УСТРОЙСТВО. ВАХ ТРИНИСТОРА………………………..118
10.3. СИМИСТОРЫ……………………………………………………………………..119
10.4. ОДНОПЕРЕХОДНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ…………………………...……………120
11. ТРАНЗИСТОРНЫЕ УСИЛИТЕЛЬНЫЕ КАСКАДЫ…………………………..121
11.1. Основные характеристики и параметры………………………….121
11.2. РЕЖИМ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРНОГО УСИЛИТЕЛЯ……………………….124
11.2.1. Принцип работы усилителя. Рабочая точка……………………...124
11.2.2. РЕЖИМ РАБОТЫ УСИЛИТЕЛЬНОГО КАСКАДА……………………………125
11.2.3. ВЫБОР РАБОЧЕЙ ТОЧКИ……………………………………………………….127
11.2.4. СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОЧЕЙ ТОЧКИ…………………………128
11.3. Эмиттерный повторитель………………………………….……………..130
12. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ БАЗОВЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИМС……..132
12.1. ОСНОВНЫЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ БИПОЛЯРНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ ИМС………………………………………………………………132
|
|
|
12.1.1. ИНВЕРТОР…………………………………………………………………….132
12.1.2. ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ТОКА…………………………………………………..134
12.2. СХЕМОТЕХНИКА МДП И КМДП ИМС………………………………………..136
12.2.1. МДП-КЛЮЧИ…………………………………………………………...…………136
12.2.2. МДП-КЛЮЧИ НА КОМПЛЕМЕНТАРНЫХ ТРАНЗИСТОРАХ………………136
12.3. СХЕМОТЕХНИКА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ТТЛ…………………….137
12.3.1. ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА С ДИОДАМИ ШОТТКИ (ТТЛШ)……………..139
12.3.2. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТТЛ ИМС……………………………………...…139
12.3.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА МДП-ТРАНЗИСТОРАХ……………………141
13. АНАЛОГОВЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ………………………….143
13.1. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИИ АНАЛОГОВЫХ ИМС……………………………….143
13.1.1. СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ АНАЛОГОВЫХ ИМС………………….144
13.1.2. ОСНОВНЫЕ КАСКАДЫ АНАЛОГОВЫХ ИМС…………………………….…144
13.2. ОПЕРАЦИОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ……………………………………………….149
14. ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ…………………………………….…..152
14.1. ЭЛЕМЕНТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ……………………………………….153
14.1.1. ТРАНСФОРМАТОР………………………………………………………….…..…153
14.1.2. ВЫПРЯМИТЕЛЬ И ФИЛЬТР……………………………………………….……..154
14.1.3. СХЕМЫ СГЛАЖИВАЮЩИХ ФИЛЬТРОВ……………………………………....154
14.1.4. СТАБИЛИЗАТОРЫ………………………………………………………………...155
14.2. КОМПЕНСАЦИОННЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ………………….156
14.3. ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ……………………….......157
14.4. ЗАЩИТА ВТОРИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
ПРЕДОХРАНИТЕЛЬ (ИНЕРЦИОННЫЙ). НИЗКОЕ БЫСТРОДЕЙСТВИЕ…159
14.4.1. ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ ПО ТОКУ………………………………………..159
14.4.2. ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ (УПРОЩЕННАЯ СХЕМА)…………….160
15. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ……………………160
15.1. ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ…………………160
15.2. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ НА ИМС……………………………...161
16. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИНДИКАТОРЫ, СВОЙСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ
И СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ……………………………………………………..…162
16.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИНДИКАТОРОВ…………………….163
16.1.1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ…………………………………………………….163
16.1.2. СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИЕЙ………………………………..163
16.2. ВАКУУМНЫЕ ЛЮМИНИСЦЕНТНЫЕ ИНДИКАТОРЫ (ВЛИ)………...…164
16.2.1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ……………………………………………………….…164
16.2.2. СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВЛИ…………………………………………………..165
16.3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЗСИ………………………………………………..166
16.3.1. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЗСИ………………...…167
16.3.2. ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ (ЖКИ)…………………….168
16.3.3. УПРАВЛЕНИЕ ЖКИ…………………………………………………………….169
17. СИГНАЛЫ И ПОМЕХИ…………………….……………………………………171
17.1. МОДЕЛИ СИГНАЛОВ…………………………………………………………...171
17.1.1. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ………………172
17.1.2. СПЕКТРЫ ПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ………………………………...174
17.1.3. СПЕКТРЫ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ……………………………..176
17.2. СВОЙСТВА ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ФУРЬЕ И ЛАПЛАСА…………………….178
17.3. МОЩНОСТЬ КОЛЕБАНИЙ……………………………………………………..180
17.3.1. МОЩНОСТЬ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ……………………………..181
17.3.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МОЩНОСТИ В СПЕКТРЕ ПЕРИОДИЧЕСКОГО
КОЛЕБАНИЯ……………………………………………………………………...182
17.3.3. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ В СПЕКТРЕ НЕПЕРИОДИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ………………………………………………………………………183
17.4. СЛУЧАЙНЫЕ КОЛЕБАНИЯ……………………………………………………..184
1. РОЛЬ ЭЛЕКТРОНИКИ В РАЗВИТИИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГРЕССА. ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ - ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Электроника – наука о формировании и управлении потоками электронов в устройствах приема, передачи, обработки и хранения информации.
Понятие информации является одним из основополагающих в обществе.
Можно утверждать, что прогресс и само существование общества возможны лишь при условии непрерывного накопления, обобщения и обмена информации.
Обращение к истории человечества показывает, что развитие производительных сил общества, а с ними и производственных отношений тесно связано с развитием средств информатики. Переход людей от жеста и мимики к звуковой речи, затем к письменности, к книгопечатанию и далее сопровождала непрерывным ростом возможностей общества, как в материальной, так и в духовной сфере. В настоящее время все способы обработки информации интенсивно используются человеком, причем переход к каждому новому способу передачи информации примерно на порядок расширял возможности общения между людьми, что закономерно приводило к резкому увеличению производительных сил общества. Поэтому потребность в совершенствовании систем обработки информации будет сохраняться, пока существует цивилизация.
Непосредственно эти операции выполняют различные информационные системы. Примерами таких систем служат все виды связи, вещания, телеметрия, локация, передача данных и команд автоматического управления, вычислительная техника и др.
Для всех ИС характерно то, что информация в них представлена в виде сигналов.
Сигналом называется физический процесс, параметры которого меняются в соответствии с передаваемой информацией. Следует различать информационные и неинформационные параметры сигнала. Причем информация заключена не в самом сигнале или его параметрах, а в изменении (приращении) информационного параметра.
В принципе информация может быть заложена в изменение любого параметра любого физического процесса. Такими процессами могут быть электрический ток (напряжение); электромагнитное излучение (радиоволны и свет), механическое движение твердых тел, жидкостей, газов и т. д. Однако, наиболее часто применяются первые два, так как они обеспечивают max скорость обработки информации (физический предел – скорость света) и max дальность передачи (в настоящее время – в пределах солнечной системы).
В процессе обработки информации аппаратура системы обработки должна выполнять ряд функций: генерация, модуляция, усиления, преобразование частоты, детектирование, распределение во времени (задержка) и пространстве (коммутация). Для всех этих функций характерно преобразование сигнала, причем выделяется 2 вида преобразований:
1. Изменения параметров физического процесса.
2. Изменения физической сущности процесса.
В современных информационных системах эти преобразования выполняются с помощью электронных приборов (ЭП).
ЭП – это прибор, основанный на использовании электронных явлений в различных средах: вакууме, газе, жидкости, полупроводнике.
Все многообразие ЭП основано на определенных физических явлениях которые называются электронными:
1. Испускание электронов нагретым телом – термоэлектрическая эмиссия.
2. Зависимость электрической проводимости цепи из катода, вакуумного промежутка и анода от направления тока.
3. Обмен энергией между потоком электронов в вакуумном промежутке и электромагнитным полем в этом промежутке.
4. Ионизация газа при прохождении потока быстродвижущихся электронов, приводящая к 1 электрической проводимости среды.
5. Наличие двух типов электропроводности полупроводников (электронной и дырочной).
6. Существование на границе электронного и дырочного полупроводника переходного слоя, обладающего электрической проводимостью, зависящей от направления тока.
7. Инжекция (проникновение) носителей заряда в глубь полупроводника при прохождении электрического тока.
8. Испускание электронов веществом под действием фотонов (фотоэффект).
9. Испускание фотонов веществом под воздействием электронов (люминесценция).
На основе этих и многих других электронных явлений созданы и работают ЭП.
Приступая к изучению конкретного ЭП, следует прежде всего четко представлять возможности этого прибора как элемента информационной радиотехнической аппаратуры.
ЭП относятся к изделиям, которые не имеют самостоятельного независимого применения. Их используют в качестве составных частей или элементов РЭА и ЭВА, которые подлежат сборке, разборке и ремонту в процессе эксплуатации. Для успешного функционирования в составе ЭВА и РЭА ЭП должны соответствовать ряду требований, определяющих свойства и качество элементов.
1.1. ТРЕБОВАНИЯ К ЭП РЭА
Активные – ЭП – генераторы, усилители выпрямления, преобразователи частоты.
Пассивные элементы РЭА – R, C, L, транзисторы.
ЭП, используемый в конкретной ИС, должен обладать определенными свойствами в зависимости от назначения системы. Основным свойством ЭП является его способность осуществлять необходимый вид преобразования сигнала. (Например, электрический сигнал ® изображение). (Система связи – расстояние ® уменьшается мощность сигнала ® усиление ® необходимы мощные ЭП в передающих чувствительных ЭП в приемных устройствах). Под мощностью ЭП подразумевается его способность преобразовывать мощные входные сигналы, а под чувствительностью – способность преобразовывать слабые сигналы. Скоростная передача информации связана с быстрыми изменениями параметров сигнала. Поэтому ЭП должны обладать определенными частотными свойствами – способность ЭП без искажений преобразовывать высокочастотные сигналы или сигналы с широким спектром частот. В процессе передачи и обработки информации сигналы подвергаются воздействию помех, что может снизить достоверность информации. Одним из видов помех являются собственные шумы ЭП, таким образом, случайные флуктуации, возникающие в самих ЭП. Собственные шумы вредны, так как уменьшается чувствительность и понижается помехоустойчивость ЭП. Поэтому следует учитывать и шумовые свойства ЭП, то есть уровень собственных шумов.
Таким образом, ЭП характеризуются:
1. Вид преобразования сигнала.
2. Maксимальное значение преобразуемого сигнала (мощность).
3. Mинимальное значение преобразуемого сигнала (чувствитель- ность).
4. Частотные свойства.
5. Шумовые свойства.
Эти требования к ЭП выдвигает системотехника. Но свойства ЭП определяются также требованиями схемотехники, технологии производства, экономики и условиями эксплуатации. К числу этих требований относится:
1. Возможность согласования с источником входного сигнала и нагрузкой
2. Экономичность
3. Малый разброс параметров у идентичных приборов (Параметры должны иметь определенные номинальные значения (номиналы)) – средние значения, около которых сосредоточены значения параметров отдельных однотипных приборов. Указывают также допуски на параметры, то есть допустимые отклонения от номиналов. Например, +10< V0 <-10.
4. Температурная стабильность параметров – способность сохранять значения параметров в заданных пределах при заданных изменениях t0 окружающей среды TKH, TKR, TKC – для пассивных элементов.
5. Радиационная устойчивость – возможность работать под действием светового или ионизирующего излучения.
6. Устойчивость к механическим воздействиям – способность сохранять рабочее состояние при воздействии вибрации и перегрузок.
7. Технологичность – возможность механизации и автоматизации изготовления.
8. Низкая стоимость в производстве и эксплуатации.
9. Ремонтопригодность (так как ЭП относятся к невосстанавливаемым элементам РЭА, под ремонтопригодностью понимается удобство контроля и замены ЭП).
10. Надежность и долговечность. Долговечность определяется сроком службы ЭП. А надежность характеризуется интенсивностью отказов ЭП l.
l = n/Nt,
где n – число ЭП, отказавших в течение времени t, N – общее число работавших приборов.
11. Малые габариты и вес.
12. Электрическая прочность – предельные значения напряжения тока, мощности, выделяющейся на ЭП, при которых сохраняется работоспособность ЭП и так далее. (Нагрево-, холодо-, влаго-, тропикостойкость).
Многие из этих требований противоречивы и предпочтение тому или иному требованию к ЭП должно отдаваться исходя из назначения прибора и условий эксплуатации.
1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭП
Следствием многообразия требований, предъявляемых к ЭП, являются и многообразие самих ЭП, отличающихся своими параметрами, технологией изготовления и принципом действия. Современные ЭП используют принципиально разные физические эффекты. Непрерывное развитие науки открывает все новые и новые физические эффекты, которые становятся базой для создания новых ЭП. Один только фонд физических явлений, созданный в нашем институте, содержит описания более 800 физических эффектов. Для объяснения и описания этих эффектов приходится привлекать теоретические из самых разнообразных отраслей науки.
Дадим классификацию ЭП. В качестве основных признаков классификации примем:
1. Вид преобразования сигнала;
2. Вид рабочей среды и тип носителей заряда;
3. Число полюсов и электродов;
4. Способ управления.
Особую группу приборов составляют приборы сверхвысоких частот, изучению которых посвящен отдельный курс.
1.3. ВИД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СИГНАЛА
По этому признаку ЭП можно разбить на две большие группы:
1. Преобразователи физической основы сигнала;
2. Преобразователи параметров сигнала.
В первой группе входной и выходной сигналы отличаются по виду энергии, например, входной сигнал электрический, а выходной – световой.
Во второй группе вид энергии остается неизменным, например, входной и выходной сигналы – электрические, но различаются своими параметрами – амплитудой, частотой, фазой или формой.
К преобразователям физической основы относятся:
- электросветовые ЭП, преобразующие электрический сигнал в световой (лампы накаливания, неоновые лампы, светодиоды);
- фотоэлектрические ЭП, преобразующие световой сигнал в электрический (фоторезисторы, фотодиоды);
- оптроны, в которых электрический сигнал преобразуется в световой, а затем опять в электрический. Это позволяет исключить гальваническую связь выходной цепи с входной;
- электромеханические приборы, преобразующие электрический сигнал в механический (телефон, громкоговоритель, электрический магнит);
- механоэлектрические, механический сигнал – в электрический (микрофон, механотроны – специальные электрические лампы с механическим перемещением электродов);
- термоэлектронные приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Вторая группа преобразователей – преобразователи параметров в основном используют электрический сигнал. Эти приборы называют электропреобразовательными. Существуют также световые и механические преобразователи (световолоконная аппаратура).
Наиболее важными ЭП являются электропреобразователи, электросветовые и фотоэлектрические приборы, а также оптроны. Широкое применение этих приборов объясняется удобством обработки электрических сигналов. Не случайно то, что созданные природой информационные системы – живые организмы также используют преобразование внешних сигналов в электрические с помощью органов чувств или датчиков.
1.4. РАБОЧАЯ СРЕДА И ТИП НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА
Преобразование входного сигнала в выходной осуществляется благодаря физическим процессам, протекающим внутри ЭП, в его рабочей среде. По виду рабочей среды различают следующие классы приборов:
- электровакуумные приборы (рабочая среда – вакуум, носители заряда – электроны);
- газоразрядные приборы (рабочая среда – разреженный газ, носители заряда электроны и ионы);
- полупроводниковые приборы (рабочая среда – кристал полупроводника, носители заряда электроны и дырки);
- хематронные приборы (рабочая среда – жидкость, носители заряда – ионы и электроны) (жидкие кристаллы).
Наибольшее применение находят полупроводниковые, электровакуумные и газоразрядные приборы.
Электровакуумные приборы обеспечивают обработку сигналов очень большой мощности и менее других подвержены воздействию проникающей радиации. Их основное применение – мощная радиовещательная и связная аппаратура, а также аппаратура для работы в условиях повышенной радиации.
Достоинством полупроводниковых приборов является возможность микроминиатюризации, малая потребляемая мощность, возможность изготовления сложных схем в едином технологическом цикле (ИС), большая надежность. К их недостаткам относятся низкая температурная стабильность (от – 400 до 1250 С) и малая радиационная стойкость.
Газоразрядные приборы относятся к низкочастотным приборам, что объясняется малой подвижностью ионов в сравнении с электронами. Однако эти приборы имеют большие рабочие токи и вследствие эффектов свечения газа могут использоваться в целях индикации.
1.5. ЧИСЛО ПОЛЮСОВ
Число полюсов ЭП наряду с видом преобразования сигнала в значительной мере определяет функции, которые ЭП может выполнять в аппаратуре.
Полюсами ЭП называют отводами от электродов прибора, предназначенные для присоединения источников входных сигналов и нагрузки, на которой “выделяется” выходной сигнал. Не следует путать понятия полюса и электродов прибора – это разные понятия. Например, электровакуумный диод относится к двухполюсным приборам, хотя количество электродов у него четыре. Нить накаливания не является полюсом, так как она находится вне рабочего пространства.
Рис. 1.1
По этому признаку ЭП подразделяют на:
1. Двухполюсные;
2. Трехполюсные;
3. Четырехполюсные;
4. Многополюсные;
5.Двухполюсные и трехполюсные с дополнительным неэлектрическим (световым или механическим) входом или выходом.
К двухполюсным элементам относят диоды.
Типичные представители трехполюсных ЭП – вакуумные триоды и транзисторы. Как правило, один из полюсов такого прибора является управляющим.
Четырехполюсный прибор обладает двумя управляющими электродами, его выходной сигнал является функцией от двух входных сигналов. Типичными представителями этого вида приборов являются частотнопреобразовательные электронные лампы.
1.6. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
ЭП подразделяются на управляемые и неуправляемые.
Неуправляемым ЭП называют прибор, физические свойства которого отображаются одной вольт-амперной характеристикой (ВАХ).
ВАХ управляемых приборов дополнительно зависит от управляющего фактора, воздействующего на прибор. Для учета этого обычно изображают семейство ВАХ, снятых при нескольких постоянных значениях управляющего воздействия. В зависимости от вида преобразования, используемого в приборе, управление может быть электрическим, световым, механическим или тепловым.
Примеры неуправляемых ЭП - двухполюсные приборы. Однако, полупроводниковый диод может быть и управляемым, если используется внешнее неэлектрическое воздействие, например, световые – это фотоэлектронные полупроводниковые приборы, ток в которых зависит от величины падающего светового потока.
Трехполюсные приборы всегда управляемые.
Для управления током в ЭП необходимо изменять число носителей заряда, проходящих через поперечное сечение проводящего канала рабочей среды. Это осуществляется следующими методами:
1. Изменением концентрации носителей – используется в электровакуумных лампах (триодах, тетродах, пентодах, гептодах и т.д.) и биполярных транзисторах;
2. Изменением площади сечения проводящего канала – используется в разновидности полевого транзистора – полевом транзисторе с управляющим электронно-дырочным переходом;
3. Одновременным изменением концентрации и площади сечения проводящего канала – используется в полевом транзисторе с изолированным затвором.
1.7. ПОНЯТИЕ О РЕЖИМАХ, ХАРАКТЕРИСТИКАХ И ПАРАМЕТРАХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ
Режимом ЭП называют совокупность условий определяющих его состояние или работу. Режим, установленный нормативно-технической документацией (ОСТ, ТУ) называется типовым или номинальным режимом. Этот режим определяет оптимальные условия работы прибора при эксплуатации, испытания или измерения параметров ЭП.
Параметром режима называют любую величину, характеризующую режим. Можно говорить об электрических параметрах режима (напряжения, токи электродов).
Существуют также параметры ЭП – величины, характеризующие свойства прибора. Например, есть электрические параметры прибора (коэффициент усиления, крутизна характеристики, межэлектродные емкости) и механические параметры прибора. Значения параметров называются номинальными, если они соответствуют номинальному режиму работы прибора.
В справочниках обычно параметры режима и параметры ЭП объединяют общим названием “Параметры”.
Если ЭП работает с неизменными во времени напряжениями и/или токами на электродах, то режим его работы называют статическим. Итак, в статическом режиме все параметры режима не изменяются во времени.
Если хотя бы один из параметров режима изменяется во времени – режим называется динамическим. Это основной режим работы ЭП.
В динамическом режиме поведение прибора существенно зависит от частоты изменения меняющегося параметра. Эта зависимость обусловлена конечной подвижностью носителей заряда в рабочем пространстве прибора. При этом величины токов и напряжений на электродах зависят не только от их значений в текущий момент времени, но и от предыстории, то есть значений токов и напряжений в предыдущие моменты времени.
Однако, если подвижность носителей велика и, следовательно, мало время прохождения носителя заряда через рабочую среду прибора t, а период T изменения меняющегося параметра большой, то есть то, связь токов и t<<T напряжений сохраняется такой же, как и в статическом режиме. Такая разновидность динамического режима носит название квазистатического режима.
Зависимость любого параметра ЭП (или параметра режима) от другого параметра ЭП (или параметра режима) при неизменных других параметрах называют характеристикой ЭП.
Рис. 1.2
Совокупность характеристик, полученных при нескольких значениях независимого параметра режима, называют семейством характеристик ЭП.
Рис. 1.3
Если характеристика получена в статическом режиме, то говорят о статических характеристиках.
Названия статических характеристик часто связывают с названием электродов. Например, анодно-сеточная характеристика показывает зависимость анодного тока от напряжения на сетке лампы. Статическая характеристика, определяющая зависимость тока от напряжения, называется ВАХ.
Для всех ЭП характерны такие обобщенные названия семейств статических характеристик: входные характеристики, выходные характеристики, характеристики передачи.
Параметры ЭП можно разделить на параметры, определяемые по статическим характеристикам, и специальные параметры.
К группе первых параметров относятся:
1. Статические параметры – характеризуют связь постоянных электрических величин (токов, напряжений) для режима, заданного точкой на статической характеристике, например, отношение напряжения к току для диода называют сопротивлением постоянному току или статистическим сопротивлением Rст = V0/I0 при режиме работы, характеризуемом заданной точкой ВАХ.
Рис. 1.4
В другой точке ВАХ значение Rст будет другим, так как ВАХ диода не линейна. Величина 1/Rст называется статической проводимостью.
2. Дифференциальные параметры определяют связь изменений (приращений) электрических величин при движении вдоль статической характеристики или переходе к соседней характеристике одного семейства характеристик.
Отношение приращений DV и DI называется дифференциальным сопротивлением.
Рис. 1.5
В пределе rд = DV/DI дифференциальное сопротивление определяется выражением rд=dV/dI. Обратная величина – дифференциальная проводимость.
Дифференциальные параметры используют и для многополюсных элементов (транзисторы, триоды и так далее). Многие из них являются безразмерными.
3. Предельные параметры характеризуют предельно-допустимые режимы работы ЭП. Например, предельно допустимый ток электрода или напряжение или мощность, рассеиваемую электродом.
Рис. 1.6
4. Дополнительные параметры описывают особые точки статических характеристик ЭП. Например, ВАХ туннельного диода указывают токи и напряжения в точках max и min ВАХ.
а) б)
Рис. 1.7
Вторая группа параметров – специальные параметры характеризуют ЭП с экономической, эксплуатационной, технологической и других точек зрения. К ним относятся срок службы, максимальное ускорение ударной нагрузки (характеристика механической прочности), мощность накала, допустимая температура окружающей среды и другие параметры. Их значения приводятся в справочниках.
Характеристики и параметры ЭП дают необходимые сведения о свойствах ЭП и, в частности, позволяют судить о возможности применения ЭП в РЭА информационных систем.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
2.1. СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ
К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Значения удельной электропроводности лежат в следующих пределах:
проводники от 104 ом/см до 10-4 ом/см;
полупроводники от 104 – 10-10 до 10-4 – 1010;
диэлектрики от <10-10 до >1010.
Разделение веществ на проводники и полупроводники определяется не только их электропроводностью. Этим двум классам материалов свойственны и более глубокие качественные различия:
Для проводников характерно увеличение удельного сопротивления с увеличением температуры:
r» r0Т/Т0,
где r0 – удельное сопротивление при Т0 = 300 0К.
Для полупроводников свойственна обратная зависимость:
r» r0 exp(b/Т),
где b – угол наклона кривой характеризующей количество носителей от Т.
Для полупроводников также свойственна большая чувствительность проводимости к наличию примесей, ионизирующих излучений.
Разделение материалов на полупроводники и диэлектрики более условно. Для обеих групп характерно наличие запрещенной зоны (ЗЗ) между валентной (ВЗ) и зоной проводимости (ЗП). Причем к полупроводникам относятся вещества с шириной запрещенной зоны <3 эВ.
К полупроводникам относится широкий круг веществ:
- химические элементы: бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, теллур, йод;
- химические соединения: CuCl, GaAs, CuO, PbS и другие.
Однако, в полупроводниковой технологии, широкое применение получили Ge, Si, GaAs, Se.
Для получения ЭП со специальными свойствами иногда используют высоколегированные полупроводники, характеризующиеся концентрацией примесей порядка 10-2 – 1%. При этом атомы примесей вступают во взаимодействие и уровни примесей расщепляются в зону, образующую энергетическую диаграмму свойственную проводникам.
Электрические свойства высоколегированных полупроводников приближаются к свойствам проводников. Поэтому их называют полуметаллами.
2.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗОНЫ И ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ
Согласно зонной теории, электроны входящие в состав атома, занимают определенные энергетические уровни, характеризующиеся определенным количеством энергии.
В твердом теле энергетические уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, состоящие из отдельных близлежащих уровней. Энергетические зоны разделяются на три основные части – разрешенные: валентная зона (ВЗ) и зона проводимости (ЗП) и зона запрещенная (ЗЗ), значение энергии которой не могут принимать электроны.
Рис. 2.1
Для полупроводника наиболее важное значение имеет ЗЗ, разделяющая ЗП и ВЗ. Она характеризуется шириной DWзз
Для температуры 00К ширина ЗЗ для полупроводников имеет следующие значения: Si – DWзз = 1,12 эВ, Ge – DWзз = 0,75 эВ, GaAs – DWзз = 1,43 эВ. Для диэлектриков DWзз > 3 эВ. Для проводников DWзз » 0 (частично есть перекрытие ЗП и ВЗ), поэтому проводники обладают электропроводностью.
ЗП характеризуется тем, что электроны находящиеся в ней, обладают энергией позволяющей им передвигаться внутри твердого тела, то есть определяют наличие электропроводности вещества.
В ВЗ электроны связаны в атомах.
В полупроводниках при некотором значении температуры, отличном от 0, часть электронов будет иметь энергию, достаточную для перехода в зону проводимости. Они становятся свободными, а полупроводник – электропроводным.
Уход электрона из валентной зоны приводит к образованию в ней незаполненного энергетического уровня, который называется дыркой. Валентные электроны соседних атомов могут занимать эти свободные уровни, создавая дырки в других местах. Такое перемещение электронов рассматривают как движение положительно заряженных зарядов – дырок (условность).
Электропроводность, обусловленную движением свободных электронов (в ЗП) – называют электронной; а электропроводность, обусловленную движением дырок (в ВЗ) – дырочной.
В идеальном полупроводнике свободные электроны и дырки образуются попарно. Электропроводность в таком полупроводнике называется собственной.
Процесс образования пары электрон-дырка называют генерацией пары. При этом генерация пары может быть следствием не только теплового воздействия (тепловая генерация), но и ударной генерации (кинетической энергии движущихся частиц), энергии электрического поля, светового облучения.
Электрон и дырка совершают хаотическое движение в объеме полупроводника, пока электрон не будет захвачен дыркой, а энергетический уровень дырки не будет занят электроном из ЗП.
При этом электрон и дырка исчезают и восстанавливаются валентные связи. Этот процесс называют рекомбинацией.
Промежуток времени с момента генерации носителя заряда до его рекомбинации – называют временем жизни, а расстояние, пройденное частицей за это время – диффузионной длиной. Величины – время жизни и диффузионная длина для каждого полупроводника выбираются усредненные (среднестатистические).
Диффузионная длина и время жизни для электронов и дырок определяются выражением.
_____ _____
Ln = Ö Dntn ; Lp = Ö Dptp
Ln и Lp – дифференциальная длина электронов и дырок;
tn и tp – время жизни электронов и дырок;
D n и Dp – коэффициент диффузии электронов и дырок.
При помещении полупроводника в электрическое поле дырки и электроны начинают двигаться в противоположных направлениях. Движение дырок совпадает с направлением электрического поля. То есть возникает два встречных потока носителей заряда, плотности тока которых определяются выражениями:
jn др = qnmnE и jp др = qnmpE,
где q – заряд электрона: n и p – число электронов и дырок в единице объема (концентрация носителей), mn и mp – подвижность носителей, E – напряженность электрического поля.
Подвижность носителей определяется выражением:
m = V/E,
где V – средняя скорость носителя.
Удельная проводимость полупроводника определяется:
d = 1/r = jдр/E = g(nmn+pmp),
где r – удельное сопротивление полупроводника.
Результирующая плотность тока равна:
jдр = jn др+jp др = (gnmn+gpmp)E.
Движение и ток носителей заряда в полупроводнике, вызванное приложенным электрическим полем называют дрейфовым.
ДИФФУЗИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Диффузия не связана с электрическим зарядом, а определяется только градиентом концентрации носителей. Теоретически диффузия описывается законом Фика по которому плотность потока носителей П (см-2/ом-1) пропорциональна градиенту концентрации, взятому с обратным знаком, поскольку диффузионный ток направлен в сторону меньшей концентрации. То есть:
П = - Dn(dn/dx),
где dn/dx – градиент, Dn – коэффициент диффузии электронов (см2/с), n – концентрация электронов.
Плотность диффузионного тока электронов и дырок получим, умножив плотность потока носителей П на заряд электрона (отрицательный) и дырки (положительный):
jn дф = qDn(dn/dx) и jg дф = -qDp(dp/dx),
где Dp – коэффициент диффузии дырок, p – концентрация дырок.
2.4. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ.
Электропроводность полупроводников в значительной степени определяется содержанием в них примесей: донорных и акцепторных.
Донорные примеси имеют валентные электроны, слабо связанные со своим ядром, которые могут легко перейти в ЗП основного материала.
Если в собственный полупроводник ввести донорную примесь, то число свободных электронов будет превышать число дырок. Такой полупроводник обладает преимущественно электронной проводимостью jn>jg и называют электронным или n-типа.
Рис. 2.2
Донорные атомы образуют в ЗЗ разрешенные уровни Wg, расположенные вблизи дна ЗП. При ионизации донорного атома электрон (1) переходит с донорного уровня Wg в ЗП. DWg = Wп-Wg – энергия ионизации донора.
Акцепторные примеси способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь в отрицательный ион.
Если в полупроводник ввести акцепторную примесь, то возникают дополнительные дырки при ионизации акцепторных атомов – электроны присоединяются к примесным атомам, отрываясь от атомов полупроводника.
Энергетический уровень акцепторных примесей расположен вблизи потолка ВЗ, и электроны из ВЗ (2) переходят на акцепторный уровень Wa. В результате образуются дырки в ВЗ. Разность Wа-Wв = DWа энергия ионизации акцепторов.
В этом случае, при приложении к полупроводнику электрического поля будет преобладать дырочная составляющая тока jn > jp, то есть будет преобладать дырочная проводимость. Такой полупроводник называют дырочным или p-типа. Носители зарядов, концентрация которых преобладает в полупроводниках, называют основными носителями заряда, а носители зарядов, концентрация которых в полупроводниках меньше, чем основных – неосновными носителями.
При значительном увеличении концентрации примесей уровни акцепторных или донорных примесей могут расщепляться, образуя зоны, которые могут сливаться либо с зоной валентной, либо ЗП. В обоих случаях полупроводники называют вырожденными. В таком полупроводнике концентрация носителей собственной электропроводности значительно меньше примесной.
В примесных полупроводниках при низких температурах преобладает примесная электропроводность. Но с увеличением температуры повышается собственная электропроводность, в то время как примесная имеет предел увеличения, соответствующий ионизации всех атомов примесей. Поэтому при достаточно высоких температурах проводимость полупроводников всегда собственная.
2.5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ЗОНАХ ПОЛУПРОВОДНИКА.
В собственном полупроводнике при Т = 00 К все электроны находятся в ВЗ. При повышении температуры часть электронов из ВЗ переходит в ЗП. Вероятность нахождения электрона или дырки на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно оценить с помощью распределения Ферми-Дирака
1
Fn =
EXP [-(W-WF)/(kT)], где W – энергия данного уровня (дж),
k – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, WF – энергия соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которой при Т ¹ 00 К равна ½ и называется уровнем Ферми.
При Т = 00 К Fn изменяется скачкообразно. Для всех энергетических уровней лежащих ниже уровня Ферми (W<WF) функция Fn = 1, то есть вероятность заполнения электронами валентной зоны (2) равна 1; для всех уровней выше WF функция Fn = 0 то есть электроны в ЗП отсутствуют. При Т ¹ 00 К кривая Fn имеет плавный вид.
Рис. 2.3
В примесных полупроводниках n-типа уровень Ферми смещается к ЗП тем выше, чем выше концентрация донорной примеси.
В полупроводниках p-типа уровень Ферми смещается от середины ЗЗ к ВЗ и находится тем ближе к валентной зоне, чем выше концентрация акцепторных примесей. Уменьшение температуры смещает уровень Ферми аналогично примесям (в n-типа к ЗП; p-типа к ВЗ).
Рис. 2.4
3. ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
3.1.ПОЛУПРОВОДНИКИ ВО ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Рассмотрим систему проводник-диэлектрик-полупроводник. Пусть проводник подключен к отрицательному полюсу, а полупроводник – к положительному полюсу источника напряжения. Тогда на поверхности проводника и полупроводника образуются поверхностные заряды- отрицательный на поверхности проводника и положительный на поверхности полупроводника. Эти заряды создают электрическое поле напряженностью Е и уравновешивают друг друга. Аналогическая картина наблюдается на обкладках электрического конденсатора.
Однако, если в проводнике вследствие чрезвычайно высокой концентрации свободных электронов, нейтрализация
положительного заряда полупро-
Рис. 3.1 водника происходит в чрезвычайно
тонком слое и поле Е практически не проникает в толщу проводника, то в полупроводник область приповерхностного положительного заряда простирается на значительную глубину (
).
Обычно ее принимают равной дебаевской длине экранирования Ld.
Для собственного полупроводника:
,
где ε, ε0 – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника и диэлектрика, ni – концентрация свободных носителей заряда в собственном полупроводнике, q – заряд электрона, 
- температурный потенциал, ni = N – концентрация примесей для примесных полупроводников.
На рисунке изображено распределение потенциала пола φ(х) вдоль оси Х. Длина экранирования определяет расстояние, на протяжении которого потенциал поля в веществе уменьшается в е =2,72 раз. Считается, что поле Е проникает в приповерхностный слой для примесных полупроводников на расстояние Ld.
Величина LD для чистого кремния равна 14 мкм, а для кремния n-типа LD может достигать 0,04мкм при Т=3000К.
Появление положительного заряда в приповерхностном слое полупроводника свидетельствует об избыточной концентрации положительных носителей заряда. В этом случае приповерхностный слой обогащается дырками. С другой стороны, в приповерхностном слое полупроводника LD под действием поля Е происходит выталкивание электронов вглубь полупроводника. Поэтому приповерхностный слой обедняется электронами.
Обратная картина наблюдается при изменении полярности U.
3.2.ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ
Все энергетические уровни, разрешенные в полупроводниковом кристалле бесконечных размеров, разрешены и в ограниченном кристалле. Однако, обрыв регулярной структуры решетки на поверхности кристалла приводит к тому, что вблизи поверхности появляются дополнительные разрешенные дискретные энергетические уровни или зоны, которые запрещены в толще кристалла. Такие уровни энергии называются поверхностными или уровнями Тамма. Поверхностные уровни могут служить донорами (вблизи Wg), акцепторами (вблизи Wa), или центрами прилипания (вблизи середины ΔWз). Заполнение акцепторных поверхностных уровней означает локализацию электронов вблизи поверхности, удаление электронов с донорных уровней локализует дырки вблизи поверхности кристалла. Локализация на поверхности дырок или электронов приводит к образованию поверхностного заряда.
В соответствии с условием электронейтральности полупроводников поверхностный заряд уравновешивается приповерхностным зарядом. Уравновешивание происходит вследствие притяжения свободных носителей противоположного знака и отталкиванием свободных носителей с совпадающим знаком.
Заряд на поверхности полупроводника вызывает возникновение разности потенциалов между его поверхностью и объемом. Вследствие этого искривляются и энергетические зоны у поверхности.
Изгиб простирается вглубь полупроводника на длину экранирования LD.
Вследствие изгиба энергетических зон в приповерхностном слое может наблюдаться три процесса:
1. При малой плотности отрицательных поверхностных зарядов на поверхности полупроводника n-типа образуется обедненный слой, т.к. основные носители электроны отталкиваются отрицательным поверхностным зарядом вглубь (1).
Рис. 3.2
Снижается концентрация основных носителей в приповерхностном слое. Аналогичный процесс происходит на поверхности полупроводника p-типа, но при другом знаке поверхностного заряда (2).
2. При большой плотности отрицательных поверхностных зарядов у поверхности полупроводника n-типа образуется слой с противоположным типом электропроводности – инверсный слой (3). Граница инверсного слоя в глубине полупроводника расположена там, где уровень Ферми Wf пересекает середину ЗЗ Wi. Под инверсным слоем в полупроводнике находится обедненный слой.
Рис. 3.3
(4) аналогично для полупроводника p-типа и положительных поверхностных зарядов.
3. Если на поверхности полупроводника n-типа преобладает положительные поверхностные заряды, то поверхность полупроводника обогащается электронами основными носителями заряда, т.е. образуется обогащенный слой (5). Граница этого слоя определяется глубиной проникновения электростатического поля Ld.
Рис. 3.4
(6) – для полупроводника p-типа и отрицательных поверхностных зарядов.
4. КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕРЕХОДОВ
Большинство изделий полупроводниковых технологий представляют собой неоднородные структуры, основными активными элементами которых являются контакты между двумя областями с различными типами и величинами электропроводности или электрические переходы.
Различают:
- электронно-дырочный или p-n переход, образованный контактом двух полупроводников с различным типом проводимости,
- электронно-электронный (n+-n) и дырочно-дырочный (p+-p) переходы, образованные полупроводниками одного типа, но с различными удельными электропроводностями,
- частный случай – n-ni и p-pi, где ni, pi – собственные полупроводники,
- переход проводник - полупроводник, образованный контактом проводника и полупроводника,
- гетеропереходы – переходы, образованные разнородными полупроводниками с различной шириной ЗЗ – Ge – AsGa.
Электрические переходы нельзя получить при простом механическом соединении кристаллов полупроводника, т.к. их поверхности загрязнены.
Для получения переходов используются специальные технологические приемы. Наибольшее распространение получили: метод вплавления и метод диффузии примесей.
В первом случае – переход сплавной (нагрев и вплавление), во втором переход диффузионный (диффузия примесей и газа).
Наиболее распространенный метод диффузии – планарный – формирование на поверхности полупроводника областей с различным типом электропроводности через шаблоны.
Также широко используется метод эпитаксиального наращивания – наращивание монокристаллов полупроводника на поверхности подложки того же полупроводника. В зависимости от примесей можно получить эпитаксиальный слой с тем же типом электропроводности, что и исходный полупроводник, но с другим удельным сопротивлением, а можно получить эпитаксиальный слой с другим типом электропроводности – эпитаксиальный p-n переход.
Перспективным методом является метод ионной имплантации – бомбардировка полупроводника ионами примесей, ускоренных в электрическом поле. Основным в этом методе является проведение управляемого легирования поверхностных и приповерхностных слоев полупроводника точно дозированным количеством примесей.
По характеру распределения концентрации примесей различают резкие и плавные p-n переходы. Переход, в котором концентрация легирующих примесей Na и Nд в области контакта меняется скачком, называется резким. Резкий переход получается обычно методом вплавления примеси. В плавных переходах концентрации Na и Nд изменяются плавно (метод диффузии).
P-n переходы могут быть симметричными, когда концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу p и n областях приблизительно равны (pp ≈ nn). Для несимметричных p-n переходов pp и nn не равны. Эти переходы обычно используются в полупроводниковой технике.
Если концентрации основных носителей отличаются более чем на порядок, то переход односторонний.
4.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В P-N ПЕРЕХОДАХ
4.2.1. КОНТАКТ ДВУХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ P- И N- ТИПА
При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности и различной концентрацией основных носителей (несимметричный переход) из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в область с противоположным типом электропроводности через плоскость контакта (плоскость, где изменяются типы примесей). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность контактируемых частей полупроводников. В p-области вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в области n-типа – нескомпенсированные ионизированные доноры (положительный неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области, называется диффузионным электрическим полем (рис. 4.1, а). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт – устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов – контактная разность потенциалов.
Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n перехода. В ней понижена концентрация основных носителей заряда, и, следовательно, выше сопротивление.
Наличие диффузионного электрического поля не препятствует движению через переход неосновных носителей заряда, имеющихся в p- и n-областях. Эти носители заряда собственной электропроводности.
Переход неосновных носителей заряда приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе, что вызывает дополнительную диффузию основных носителей, в результате электрическое поле принимает исходное значение.
Таким образом, через p-n переход в равновесном состоянии движутся два встречных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.
Суммарная плотность токов равна 0.
Контактная разность потенциалов или потенциальный барьер (qUK) определяется выражением:
qUK=φТln(Nn0Pp0/ni2),
где Nn0 и Pp0 – концентрация основных носителей в равновесном состоянии в областях n и p, ni – собственная концентрация.
Для германиевых полупроводниковых приборов UK = 0,3-0,4В для нормальной температуры.
Для кремниевых – UK = 0,7-0,8В.
Энергетическая диаграмма p-n перехода имеет вид (рис. 4.1, б).
Так как напряженность диффузионного электрического поля в p-n переходе направлена от n полупроводника к p полупроводнику, энергетические зоны для n-области расположены ниже чем для p-области. Сдвиг зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми Wf должен быть расположен на одной высоте энергетической диаграммы всей системы.
Рис. 4.1
4.2.2. ПРЯМОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА
Если нарушить равновесие в p-n переходе внешним электрическим полем, т.е. приложить напряжение U плюсом к p-области, а минусом к n-области (напряженность поля Е противоположна диффузионной напряженности Eдиф), то суммарная напряженность уменьшится, контактная разность уменьшится U1=UK-Uпр (рис. 4.2, б).
Уменьшится и ширина p-n перехода. В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор пока |UK|>|Uпр|, обедненный носителями заряда p-n переход имеет высокое сопротивление и ток мал.
Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера (рис. 4.2, г). Часть основных носителей с наибольшим значением энергии может преодолевать пониженный потенциальный барьер.
При |UK|=|Uпр| через p-n переход протекает большой ток, толщина p-n перехода стремится к нулю (уменьшается глубина проникновения поля в область полупроводника). Напряжение такой полярности (+ к p, а – к n) называют прямым, и протекающий ток называют также прямым.
Преодолевшие потенциальный барьер основные носители становятся в соседней области неосновными. Такой процесс называется инжекцией неосновных носителей. Область, в которую ин-
Рис. 4.2 жектируются неосновные носители,
называют базой, а инжектирующую область называют эмиттером.
4.2.3. ОБРАТНОЕ СМЕЩЕНИЕ P-N ПЕРЕХОДА
Если к p-n переходу приложено обратное напряжение (+ к n-области, а – к p-области), то напряженность электрического поля будет совпадать по направлению с диффузионным электрическим полем (рис. 4.3, д) и высота потенциального барьера увеличивается (рис. 4.3, е).
Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и для электронов в p-области, потенциальный барьер в p-n переходе вообще отсутствует. Неосновные носители втягиваются электрическим полем в p-n переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция. При этом через p-n переход течет обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей.
Математически ток через p-n переход определяется выражением:
,
для Jпр – U имеет знак (+), для Jобр – U имеет знак (-).
J0 – обратный ток насыщения, ток всех неосновных носителей, генерируемых в объеме, ограниченном диффузионной длиной и площадью p-n перехода.
Идеальный p-n переход обладает вентильными свойствами, т.е. при приложении к нему прямого напряжения протекает ток, который при увеличении Uпр, увеличивается по экспоненциальному закону.
Если приложить обратное напряжение, то сопротивление p-n перехода возрастает. В цепи протекает малый обратный (тепловой) ток, который практически не зависит от приложенного напряжения и увеличивается по экспоненциальному закону при
Рис. 4.3 возрастании температуры To.
В реальных p-n переходах наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения. Такое явление объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в областях p-n перехода и существованием канальных токов.
Канальные токи обусловлены наличием поверхностных состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней
