Классификация полупроводниковых материалов

Электронная и дырочная проводимость

В полупроводниках при повышении температуры выше абсолютного нуля некоторые электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, которой становится достаточно для преодоления запрещённой зоны и перехода на уровень проводимости. В итоге при комнатной температуре в зоне проводимости постоянно присутствует некоторое количество электронов, а в валентной зоне атомов образуется дефицит электронов (дырки).

В итоге полупроводник начинает обладать и электронной и дырочной проводимостью — электронную проводимость осуществляют электроны, свободно перемещающиеся в зоне проводимости, а дырочную — электроны в зоне валентности, способные перескакивать в дырку с соседних атомов. При этом электронная проводимость доминирует над дырочной, так как электроны зоны проводимости перемещаются свободнее, но общая электропроводность полупроводника естественно складывается из этих двух проводимостей.

P - n-ПЕРЕХОД

Перевод

p - n-ПЕРЕХОД

- (электронно-дырочный переход) - слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n -область) и дырочной (р -область) проводимостью. Различают гомопереход, получающийся в результате изменяющегося в пространстве легирования донорной и акцепторной примесями одного и того же полупроводника (напр., Si), и гетеропереход, в к-ром р-область и n- область принадлежат разл. полупроводникам. Термин " р - п. -П." как правило, применяют к гомопереходам.
Обеднённый слой. Из-за большого градиентаконцентрации электронов (п)и (обратного ему по знаку) градиентаконцентрации дырок (р)в р - n -П. происходит диффузионноеперетекание электронов из п -об-ласти в р -область и дырокв обратном направлении. Его следствием является накопление избыточногоположит. заряда в n -области и отрицательного - в р -области(рис. 1). При этом появляется электрич. поле, направленное из n -областив р -область, действие к-рого на электроны и дырки (при термодинамич. <равновесии) компенсирует действие градиентов концентрации, т. е. диффузионныепотоки электронов и дырок уравновешиваются дрейфовыми потоками во внутреннемэлектрич. поле Е _вн перехода. Поле Е _вн обусловливаетдиффузионную разность потенциалов V _Д (аналог контактнойразности потенциалов), величина к-рой (для невырожденных носителей)в р - и n -областях выражается ф-лой

Вопрос 2

Классификация полупроводниковых материалов.

Полупроводники представляют собой весьма многочисленный класс материалов. В него входят сотни самых разнообразных веществ – как элементов, так и химических соединений. Полупроводниковыми свойствами могут обладать как неорганические, так и органические вещества, кристаллические и аморфные, твердые и жидкие, немагнитные и магнитные. Несмотря на существенные различия в строении и химическом составе, материалы этого класса роднит одно замечательное качество- способность сильно изменять свои электрические свойства под влиянием небольших внешних энергетических воздействий.

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые модификации олова и углерода.

Последний существуют двух аллотропных формах – алмаз и графит. Графит по электрическим свойствам близок к проводникам (ΔЭ <0,1 эВ), а чистые алмазы являются диэлектриками. Однако искусственные алмазы за счет вводимых примесей приобретают свойства полупроводников.

Весьма обширна группа полупроводниковых неорганических соединений, которые могут состоять из двух, трех и большего числа элементов. В качестве примеров таких соединений можно привести InSb, Bi ₂ Te₃, ZnSiAs₂, CuAlS₂, CuGe₂P₃. Кристаллическая структура многих соединений характеризуется тетраэдрической координацией атомов, как это имеет место в решетки алмаза. Такие полупроводниковые соединения получили название алмазоподобных полупроводников. Среди них наибольший научный и практический интерес представляют бинарные соединения типа A^III В^V и A^II B^VI, которые в настоящее время являются важнейшими материалами полупроводниковой оптоэлектроники.

Вопрос 3

Свойства p-n - перехода. Полупроводниковые приборы являются основой современной электронной техники. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, микрокалькуляторах и электронных вычислительных машинах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p-n - перехода.
Для создания p-n - перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.
Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок

Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n -полупроводника в р -полупроводник или дырок из р -полупроводника в n -полупроводник. Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n - переход, является границей, разделяющей области с дырочной (р) и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение U_k; его значение для германиевых p-n - переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых — около 0,6 В.
Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n - полупроводнике и дырки в р -полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p-n - перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p -полупроводнике и дырок в n -полупроводнике.
Если к p-n - переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p-n - переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих U_k, ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.
Способность p-n - перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.
Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.

 

Вопрос 4

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от полевого транзистора, используются заряды одновременно двух типов, носителями которых являются электроны и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

 

В активном режиме работы транзистор включён так, что его эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход смещён в обратном направлении (закрыт). Для определённости рассмотрим npn транзистор, все рассуждения повторяются абсолютно аналогично для случая pnp транзистора, с заменой слова «электроны» на «дырки», и наоборот, а также с заменой всех напряжений на противоположные по знаку. В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками). Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора^[1]. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны, и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Вопрос 5

Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия «перпендикулярного» току электрического поля, создаваемого входным сигналом на затвор.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Вопрос 6

Электрические фильтры могут быть классифицированы по различным признакам: пропускаемым частотам, схемам соединения элементов, типам элементов, характеристикам.

В зависимости от полосы пропускаемых частот различают фильтры нижних частот (ФНЧ), фильтры верхних частот (ФВЧ), полосовые фильтры (ПФ), режекторные (заградительные) фильтры (РФ).

АЧХ идеальных фильтров указанных типов показаны на рис. 2. ФЧХ идеальных фильтров в полосе пропускания (заграждения в РФ) линейная.

Рис. 2

Полоса пропускания (заграждения в РФ) ограничена у ФНЧ частотами f =0 и f = f_СР - частотой среза, у ФВЧ - f_СР и f = , у ПФ и РФ нижней и верхней частотами среза. Часто ПФ и РФ характеризуются средней частотой f ₀ и полной полосой пропускания (заграждения) 2D f.

В зависимости от схемы различают фильтры из Г -образных (рис. 3, а), Т -образных (рис. 3, б) и П -образных звеньев (рис. 3, в).

а) б) в)

Рис. 3

По числу звеньев различают фильтры однозвенные (простейшие) и многозвенные. Звенья содержат последовательные и параллельные ветви. Простейшим является Г -образное звено, которое содержит два сопротивления. Особенностью такого звена является невозможность сделать равными (симметричными) сопротивления фильтров со стороны входных (1-1) и выходных (2-2) клемм. Чаще применяют симметричные Т - и П -образные звенья. Они создаются последовательным соединением двух Г -образных звеньев. У Т -образного звена, как правило, ; у П -образного - .

В простейших реактивных фильтрах сопротивления и Г -образного звена подбираются так, чтобы произведение их на любой частоте было бы постоянным. Этого можно добиться, если ветви фильтра содержат реактивности разных знаков, т.е. одна ветвь содержит индуктивность, другая - емкость.

 

Сглаживание пульсаций - первоочередная задача после выпрямления тока. Эту задачу выполняет фильтр, состоящий из конденсатора (конденсаторов), который включен в цепь между выпрямителем и нагрузкой. Ёмкость конденсатора фильтра зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем большую ёмкость должен иметь конденсатор сглаживающего фильтра. Принцип работы сглаживающего фильтра выпрямителейследующий, в промежутки времени между импульсами напряжения с выпрямителя напряжение для нагрузки получается с конденсатора. Это хорошо видно на диаграмме.

В то время, когда есть импульс, конденсатор заряжается, когда импульса нет или он ниже напряжения источника питания конденсатор отдаёт своё напряжение в нагрузку. Обратите внимание, после сглаживания напряжение на выходе фильтра выпрямителя (без нагрузки) превышает среднее значение напряжения. Оно практически равно амплитуде выпрямленного напряжения. Точное значение - переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора умноженное на 1,4.

Напряжение на выходе фильтра не идеально. Если посмотреть на диаграмму, можно увидеть небольшие пульсации напряжения (или пульсации тока). Это происходит из-за того, что конденсатор между импульсами разряжается. Для многих схем небольшие пульсации напряжения являются допустимыми. Пульсации напряжения можно уменьшить увеличив ёмкость конденсатора. При однополупериодной схеме выпрямления ёмкость конденсаторов надо как минимум удваивать.

Вопрос 8

Входные статические характеристики представляют собой вольт-амперные характеристики эмиттерного электронно-дырочного перехода. Если транзистор включен по схеме с общей базой, то это будет зависимость тока эмиттера Iэ от напряжения на эмиттерном переходе UэБ. При отсутствии коллекторного напряжения (U_КБ = 0) входная характеристика представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП, такой же, как ВАХ диода. Если на коллектор подать некоторое напряжение, смещающее его в обратном направлении, то коллекторный ЭДП расширится и толщина базы вследствие этого уменьшится. В результате уменьшится и сопротивление базы эмиттерному току, что приведет к увеличению эмиттерного тока, то есть характеристика пройдет выше.
При включении транзистора по схеме с общим эмиттером входной характеристикой будет графическая зависимость тока базы I_Б ОТ напряжения на эмиттерном переходе U_БЭ. Так как эмиттерный переход и при таком включении остается смещенным в прямом направлении, то входная характеристика будет также подобна прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного ЭДП.
Выходные статические характеристики биполярного транзистора — это вольт-амперные характеристики коллекторного электронно-дырочного перехода, смещенного в обратном направлении. Их вид также зависит от способа включения транзистора и очень сильно
от состояния, а точнее — режима работы, в котором находится эмиттерный ЭДП. Если транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ) и Iэ = 0, то есть цепь эмиттера оборвана, то эмиттерный ЭДП не оказывает влияния на коллекторный переход. Так как на коллекторный ЭДП подано обратное напряжение, то выходная характеристика, представляющая собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и базой U_КБ, будет подобна обратной ветви ВАХ диода (нижняя кривая). Если же на эмиттерный ЭДП подать прямое напряжение
, то появится ток эмиттера Iэ, который создаст почти такой же коллекторный ток Iк. Чем больше прямое напряжение на эмиттерном ЭДП, тем больше значения эмиттерного и коллекторного токов и тем выше располагается выходная характеристика.
Сказанное справедливо и при включении биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Разница состоит лишь в том, что в этом случае выходные характеристики снимают не при постоянных значениях тока эмиттера, а при постоянных значениях тока базы I_Б, и идут они более круто, чем выходные характеристики в схеме с ОБ.
При чрезмерном увеличении коллекторного напряжения происходит пробой коллекторного ЭДП, сопровождающийся резким увеличением коллекторного тока, разогревом транзистора и выходом его из строя.

Вопрос 9

Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-
n- переходом

Рассмотрим вольт - амперные характеристики полевых транзисторов с р-n- переходом. Для этих транзисторов представляют интерес два вида вольт - амперных характеристик: стоковые и стоко - затворные.

Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с р-n- переходом и каналом n- типа показаны на рис.3, а. Они отражают зависимость тока стока от напряжения Uси при фиксированном напряжении Uзи: Ic = f(Uси) при Uзи = const!!!Особенностью полевого транзистора является то, что на проводимость канала оказывает влияние как управляющее напряжение Uзи, так и напряжение Uси. При Uси = 0 выходной ток Iс = 0. При Uси > 0 (Uзи = 0) через канал протекает ток Ic, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. Суммарное падение напряжения участка исток-сток равно Uси. Повышение напряжения Uсивызывает увеличение падения напряжения в канале и уменьшение его сечения, а следовательно, уменьшение проводимости канала. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов смыкаются и сопротивление канала становится высоким. Такое напряжение Uси называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения Uси нас. При подаче на затвор обратного напряжения Uзи происходит дополнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения Uси нас. В рабочем режиме используются пологие (линейные) участки выходных характеристик.

Стоко - затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока Iс от напряжения Uзи при фиксированном напряжении Uси:Ic = f(Uси) при Uси = const

Вопрос 10