Базовые логические элементы

Это элементы, с помощью которых могут быть реализованы все логические операции (И, ИЛИ, НЕ) на основе базовых.

1. Базовый элемент ИЛИ ­­­­­­- НЕ (на примере 2ИЛИ – НЕ)

Таблица 1

№ п/п	Логическая операция	Графическое изображение	Логические преобразования
	ИЛИ		Y=
	НЕ		Y =
	И

2. Базовый элемент И-НЕ (на примере 2И – НЕ)

Таблица 2

№ п/п	Логическая операция	Графическое изображение	Логические преобразования
	И
	НЕ		Y =
	ИЛИ

Лекция 13. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Разработка и производство современных полупроводниковых приборов стали возможными благодаря успехам, достигнутым в исследовании и производстве новых полупроводниковых материалов. Силовые полупроводниковые приборы изготавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) существенным образом изменяют его электрофизические свойства. При производстве силовых полупроводниковых приборов используются две группы примесей:

· донорные примеси (фосфор, сурьма, мышьяк);

· акцепторные примеси (алюминий, бор).

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом кремния в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под воздействием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов. Кристалл кремния приобретает электронную проводимость или проводимость n -типа. При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положительным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил заряды компенсируют друг друга, т.е. в кремнии n -типа количество свободных электронов проводимости определяется количеством введенных донорных атомов примеси.

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния. Для создания такой оболочки ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, т.к. он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристаллической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок, поэтому он называется дырочным полупроводником или полупроводником р -типа. Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.

При контакте слоев с различными типами проводимости (р и n -слоев) часть электронов проводимости переходит из n -слоя в р -слой и происходит их рекомбинация с дырками. Часть атомов акцепторной примеси (алюминия, бора), имеющих отрицательный заряд, не компенсируется положительным зарядом дырок, и в этой области р -слоя возникает отрицательный объемный заряд. Электроны, ушедшие из n -слоя, перестают компенсировать положительный заряд атомов донорной примеси (фосфор, сурьма, мышьяк), и в n -слое образуется положительный объемный заряд. Таким образом, вблизи границы р и n -слоев возникает двойной электрический слой. Область двойного слоя электрических объемных зарядов называется электронно-дырочным переходом или р-n -переходом. Объемные заряды препятствуют дальнейшему диффузионному движению электронов из n -слоя в р -слой и дырок из р -слоя в n -слой. В результате возникновения объемных зарядов образуется потенциальный барьер, величина которого определяется соотношением концентраций примесных атомов в р-n -переходе и обычно составляет 0,6 – 0,9 В.

Если подключить положительный полюс внешнего источника ЭДС к р -слою, а отрицательный – к n -слою, то потенциальный барьер снижается на величину приложенного напряжения. При этом большая часть электронов проводимости и дырок обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера р-n -перехода, и ток через переход резко возрастает. Поступление электронов из внешней цепи в n -слой и удаление их из р -слоя обеспечивают электрическую нейтральность этих слоев. Такое приложенное напряжение называется прямым, а состояние полупроводниковой структуры – прямым проводящим состоянием. Электрод, подключенный к р -слою, называется анодным выводом (анодом), в к n -слою – катодным (католом).

Если изменить полярность источника ЭДС на противоположную, то переход дырок из р -слоя в n -слой и электронов из n -слоя в р -слой сокращается. Такое состояние полупроводниковой структуры называется обратным проводящим состоянием, а протекающий ток – током восстановления запирающих свойств. Спустя некоторое время (обычно несколько десятков микросекунд) концентрация избыточных носителей в окрестности р-n -перехода уменьшается до нуля и ток через полупроводниковую структуру также уменьшается. Потенциальный барьер в р-n -переходе увеличивается на величину приложенного напряжения. Такая полярность прилагаемого напряжения назывется обратной, а состояние полупроводниковой структуры после восстановления запирающих свойств – обратным запертым состоянием.