Полупроводники. Полупроводниковые приборы

Твердотельная электроника

1. Классифицируйте твердые тела по проводимости. Перечислите типы связей атомов в твердых телах.

2. Приведите энергетические диаграммы полупроводников и поясните их особенности для полупроводников n- и p-типа.

3. Поясните особенности применения статистических методов при анализе физических процессов в полупроводниках.

4. Перечислите основные виды токов в полупроводниках и поясните их особенности.

5. Что такое неравновесное состояние полупроводника? Поясните, что такое время жизни неравновесных носителей заряда?

6. Поясните сущность уравнения непрерывности.

7. Поясните структуру p-n-перехода. Приведите энергетические диаграммы p-n-перехода.

8. Поясните особенности вольт-амперных характеристик p-n-перехода при различных вариантах допущений: p-n-переход с бесконечно широкой базой при малых уровнях инжекции; p-n-переход с учетом рекомбинации и генерации носителей в слое объемного заряда.

9. Перечислите основные виды пробоя p-n перехода и поясните особенности физических процессов, протекающих при пробое. Какие факторы, влияют на пробивное напряжение диода?

10. Что такое барьерная и диффузионная емкости p-n-перехода?

11. Как протекают переходные процессы в диоде при подаче импульса напряжения и импульса тока большой амплитуды?

12. Поясните особенности структуры и параметров выпрямительного диода Шоттки.

13. Поясните устройство и принцип действия биполярных транзисторов.

14. Поясните особенности статических характеристик биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и в схеме с общей базой.

15. Перечислите основные составляющие коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. Как зависит указанный коэффициент от режимов работы транзистора?

16. Поясните особенности пробоя биполярных транзисторов.

17. Как протекают переходные процессы в биполярных транзисторах?

18. Приведите классификацию полупроводниковых тиристоров. Поясните устройство и принцип действия триодных и запираемых тиристоров.

19. Как протекают переходные процессы включения и выключения триодных тиристоров? Что такое эффект du/dt?

20. Классифицируйте планарные МДП-транзисторы и дайте соответствующие пояснения.

21. Поясните устройство и принцип действия планарного МДП-транзистора. Изобразите и поясните его статические ВАХ и динамические параметры.

22. Поясните особенности конструкции современных силовых МДП-ключей и дайте соответствующие пояснения.

23. Поясните устройство и принцип действия полевого транзистора с управляющим переходом. Изобразите и поясните его статические ВАХ.

24. Поясните устройство и принцип действия биполярного транзистора с изолированным затвором и укажите на особенности его применения.

25. Поясните устройство и принцип действия излучающего диода и перечислите его основные параметры. Перечислите основные виды конструкции.

26. Поясните устройство, принцип действия и основные характеристики полупроводниковых лазеров. Поясните особенности конструкции гетеролазеров, лазеров с распределенной обратной связью (DFB), лазеров с вертикальным резонатором (VCSEL).

27. Поясните устройство и принцип действия полупроводниковых фотодиодов и перечислите основные виды конструкции. Поясните систему параметров фотодиодов.

Математическое моделирование технологических процессов,
полупроводниковых приборов и интегральных схем

Проектирование и конструирование интегральных микросхем и полупроводниковых приборов

1. Проектирование n-p-n транзисторов. Основы расчета геометрии транзистора и электрофизических параметров (сопротивления базовой и коллекторной области, коэффициентов передачи тока, напряжений пробоя и др.). Проектирование и конструирование многоэмиттерных n-p-n транзисторов.

2. Проектирование горизонтальных и вертикальных p-n-p транзисторов. Основы расчета геометрических размеров и коэффициентов передачи вертикального и горизонтального транзисторов.

3. Проектирование интегральных диодов на основе p-n переходов. Структура и основные электрические параметры интегральных диодов. Расчет и проектирование геометрии диодов.

4. Проектирование и конструирование диодов и транзисторов с барьером Шоттки.

5. Конструкции полупроводниковых резисторов (диффузионные, ионно-имплантированные и МДП резисторы). Расчет объемного и поверхностного удельного сопротивления. Расчет электрических параметров резисторов. Температурный коэффициент сопротивления. Частотный диапазон полупроводниковых резисторов. Проектирование топологии резисторов.

6. Конструкции полупроводниковых конденсаторов. Эквивалентные схемы. Расчет электрических параметров полупроводниковых конденсаторов. Температурный коэффициент емкости.

8. Проектирование межэлементных соединений и металлизации.

9. Этапы разработки топологии ИМС на биполярных транзисторах (БТ) и основные принципы проектирования ИМС на БТ.

10. Особенности разработки топологии цифровых ИМС на МДП-транзисторах.

11. Конструкции и расчет элементов гибридных интегральных схем.

12. Разработка топологии ГИС. Функциональный и интегрально-групповой принципы компоновки ГИС.

14. Особенности проектирования БИС и СБИС. Ограничения и проблемы при проектировании.

15. Основные этапы расчета и проектирования БИС и СБИС. Определение функционального состава микросхем. Проектирование топологии. Задачи машинного конструирования.

16. Метод пропорциональной микроминиатюризации в проектировании и конструировании ИМС.

17. Модель диффузии из ограниченного и неограниченного источника примесей.

18. Модель диффузии примесей из легированных оксидов.

19. Модель диффузии примесей в кремнии с одновременным термическим окислением.

20. Модель диффузии при высокой концентрации примесей.

21. Моделирование процессов ионной имплантации. Модель Линдхарта, Шиотта и Шарфа.

22. Моделирование процессов ионной имплантации. Модель Пирса.

23. Математическая модель подвижности основных носителей заряда.

Микросхемотехника

1. Основные характеристики биполярного транзистора как усилительного элемента.

2. Частотные зависимости коэффициентов усиления биполярных транзисторов.

3. Основные свойства усилителя с общим эмиттером.

4. Основные свойства усилителей с общим коллектором и общей базой.

5. Основные характеристики полевого транзистора как усилительного элемента.

6. Схемы установки рабочей точки транзистора в усилителях.

7. Нелинейные искажения, шумовые свойства и АЧХ усилителей на биполярных транзисторах.

8. Принцип обратной связи в усилителях.

9. Дифференциальные усилители.

10. Операционные усилители.

11. Основные схемы на операционных усилителях (усилители, интегратор, дифференциатор, сумматор, вычитатель).

12. Активные фильтры первого и второго порядка.

13. Автогенераторы гармонических колебаний, условия возбуждения.

14. LC-автогенератор на операционном усилителе.

15. RC-автогенераторы.

16. Трехточечные автогенераторы.

17. Усилители мощности класса А.

18. Двухтактные усилители мощности в режиме В и АВ.

19. Быстродействующие транзисторные ключи.

20. Минимизация логических функций.

21. Основные схемы и принципы построения логических элементов (ТТЛ, ЭСЛ, МДПТЛ и т.д.).

22. Симметричный триггер на дискретных элементах.

23. Асинхронные триггеры на логических элементах (RS, JK).

24. Синхронные триггеры на логических элементах (JK,D,T).

25. Функциональные узлы комбинационного типа (шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры).

26. Функциональные узлы последовательного типа (счетчики, регистры, память).

27. Цифро-аналоговое и аналогово-цифровое преобразование.

28. Мультивибраторы и одновибраторы на операционных усилителях.

29. Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах.

30. Мультивибраторы и одновибраторы на дискретных элементах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гуртов, В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие / В.А. Гуртов – Петрозаводск: Петрозав. гос. ун-т, 2004.

2. Березин, А.С. Технология и конструирование интегральных микросхем: Учеб. пособие для вузов. / А.С. Березин, О.Р. Мочалкина. – М.: Радио и связь, 1992.

3. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника. Проектирование, виды микросхем, новые направления: Учеб. пособие для вузов / И.Е. Ефимов, Ю.И. Горбунов, И.Я. Козырь. – М.: Высш. школа, – 1978. – 312 с.

4. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника: проектирование, виды микросхем, функциональная микроэлектроника: учеб. пособие для вузов/ И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, –1987. – 420с.

5. Ефимов, И.Е. Микроэлектроника: физические и технологические основы, надежность/ И.Е. Ефимов, И.Я. Козырь, Ю.И. Горбунов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. школа, –1986. – 464с.

6. Калниболотский, Ю.М. Расчет и проектирование микросхем / Ю.М. Калниболотский, Ю.В. Королев, Г.И. Богдан, В.С. Рогоза – Киев: Вища школа, 1983.

7. Бушминский, И.П. Технологическое проектирование микросхем СВЧ: учеб. пособие / И.П.Бушминский, Г.В.Морозов. - М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.-354 С.

8. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.-М.: Физматлит, 2005.-410 С.

9. Пул, Ч. Нанотехнологии: учеб. пособие / Ч. Пул, Ф. Оуэнс; пер. с англ. под ред. Ю. И. Головина; доп. В.В. Лучинина. - 2-е изд., доп. - М.: Техносфера, 2005.-334 С.

10. Неволин, В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике / В.К. Неволин – М.: Техносфера, 2005.-147 С.

11. Таиров, Ю.М. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов / Ю.М. Таиров, В.Ф. Цветков – М.: Высшая школа. 1990. – 423 С.

12. Крапухин, В.В. Технология материалов электронной техники / В.В. Крапухин, И.А. Соколов, Г.Д. Кузнецов – М.: МИСИС, 1995. – 492 С.

13. Попков, В.И. Методы оперативного контроля качества полупроводниковых материалов: моногр./ Попков В.И.,Казаков О.Г., Радькова Н.О. – БГТУ. Брянск: изд-во БГТУ, 2001. – 50 С.

14. Быстров, Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. для вузов / Ю.А. Быстров, И.Г. Мироненко – М.: Высш. шк., 2002. – 383 С.

15. Павлов, В.Н. схемотехника аналоговых электронных устройств: учеб.для вузов /В.Н. Павлов, В.Н. Ногин - М.:Горячая линия-Телеком, 2001. – 320 С.

16. Угрюмов, Е.П. Цифровая схемотехника: учеб. пособие / Е.П. Угрюмов - Спб. И Др.: Бхв-Петербург, 2001. – 517 С.

17. Опадчий, Ю.Ф. Аналоговая и цифровая электроника: полный курс: учеб. для вузов / Ю.Ф. Опадчий, О.П. Глудкин, А.И. Гуров; под ред. О.П. Глудкина. –М.: Горячая Линия-Телеком, 2000. – 768 С.

18. Брандон Д.,Каплан У. Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля: учеб. пособие / Д. Брандон,У. Каплан; пер. с англ. под ред. С.Л. Баженова, с доп. О. В. Егоровой. – М.:Техносфера,2004.-377 С.

19. Павлов, Л.И. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов / Л.И. Павлов – М.: Высшая школа, 1987. – 239 С.

20. Физические методы контроля структуры и качества материалов: учеб. пособие / Батаев А.А., Батаев В.А.,Тушинский Л.И., .– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 154с.

УДК 621.382 ББК 32.852 Л 33

Рассмотрены физические принципы работы наиболее важных классов современных полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, СВЧ приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением (диодов Ганна, лавинно-пролетных и инжекционно-пролетных диодов), приборов с зарядовой связью, оптоэлектроиных приборов (фотоприемников, светодиодов, инжекционных лазеров и др.). Выведены основные теоретические соотношения, определяющие характеристики этих приборов. Большое внимание уделено описанию особенностей современных быстродействующих приборов с субмикронными и нанометровыми размерами, в том числе приборов, в работе которых используются гетеропереходы, квантовые ямы и квантовые точки. Помимо этого, в книге рассмотрены основы планарной технологии, описаны возникшие в последнее время технологические проблемы и указаны перспективные пути их решения.

Для студентов старших курсов, аспирантов и научных сотрудников, работающих в области физики полупроводников.

Рекомендовано УМО по классическому университетскому образованию РФ в качестве учебного пособия для студентов ВУЗов, обучающихся по специальностям 010701 - «Физика», 010704 - «Физика конденсированного состояния вещества», 010803 - «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы».

ISBN 978-5-9221 -0995-6

© ФИЗМАТЛИТ, 2008 ® А. И. Лебедев, 2008

2.1. Немного истории. Конструкции биполярного транзистора. . . 140

2.2. Параметры, определяющие коэффициент усиления транзи-

2.4. Высокочастотные свойства и быстродействие транзисторов. . 165 2.4.1. Частота отсечки и максимальная частота генерации. . 165

5 Оглавление

4.1.2. Вольт-амперная характеристика МОП-транзистора. . 249

4.2.3. Энергонезависимые постоянные запоминающие

Введение

Настоящая книга написана по материалам лекций, которые автор читает на физическом факультете МГУ в течение ряда последних лет. Со времени выхода последней двухтомной монографии М. Шура по физике полупроводниковых приборов прошло уже более 10 лет. Из-за чрезвычайно быстрого темпа развития прикладных разработок в области полупроводниковых приборов - а темпы развития микроэлектроники относятся, пожалуй, к наиболее быстрым - в этой области многое изменилось. Параметры приборов существенно улучшились, сменилось несколько поколений микросхем процессоров для ЭВМ. Появились новые физические идеи, предложены новые принципы работы и реализованы новые конструкции приборов. Технологические приемы, используемые при производстве полупроводниковых приборов, подошли к границам своих возможностей. Некоторые направления, только намечавшиеся 10 лет назад, вышли на магистральный путь, а другие, казавшиеся перспективными, отошли на второй план. Значит, пришло время подумать над изданием новой книги по физике полупроводниковых приборов, которая отразила бы эти изменения.

Развитие физики полупроводниковых приборов неразрывно связано с фундаментальными исследованиями по физике полупроводников. Некоторые из сделанных в этой области открытий, нашедших широкое практическое применение, были признаны

за открытие туннельного эффекта в полупроводниках и сверхпроводниках), работах нашего соотечественника - Ж. И. Алфёрова совместно с Дж. Килби и Г. Кремером (премия 2000 г. за основополагающие работы в области информационной технологии и связи, вклад в изобретение интегральной схемы и создание полупроводниковых гетероструктур для высокоскоростной электроники и оптоэлектроники).

Разработка современного полупроводникового прибора является дорогостоящей задачей, требующей больших затрат труда и времени. Например, цикл изготовления современной сложной

микросхемы может занимать до трех месяцев. Поэтому в настоящее время на первый план выходит задача предварительного моделирования прибора, только после решения которой можно приступать к его созданию. Это требует умения количественно рассчитывать все необходимые параметры приборов. По этой причине к физике полупроводниковых приборов, как области науки, предъявляется требование уметь не только качественно объяснять, но и количественно предсказывать поведение рассматриваемой полупроводниковой структуры, Это определяет обилие в книге формул, обсуждений обоснованности тех или иных физических приближений - все это необходимо, чтобы обеспечить требуемый количественный результат.

Дополнительную сложность при решении задачи разработки полупроводниковых приборов создает и то, что эти приборы изготавливают из конкретных полупроводников, реальные свойства которых часто далеки от идеализированных представлений. Поэтому автор счел необходимым добавить в настоящую книгу некоторые особенности полупроводников (например, касающиеся поведения конкретных легирующих примесей), без знания которых создание совершенных приборов оказывается просто невозможным. Кроме того, в книгу включено описание основных приемов планарной технологии и обсуждаются направления их совершенствования, поскольку без понимания взаимосвязи физических принципов работы приборов и технологии их изготовления невозможно в полной мере проникнуться «духом» современной микроэлектроники.

Понимание материала, изложенного в настоящей книге, требует предварительного знакомства с курсом физики полупроводников, основами квантовой механики и радиотехники.

В книге рассмотрены основные классы современных полупроводниковых приборов и физические основы их работы. В первой и наибольшей по объему главе обсуждаются физические явления, возникающие на контакте двух полупроводников разного типа проводимости - в так называемом р-п-переходе. Здесь же рассмотрены явления, проявляющиеся в более сложных структурах с потенциальными барьерами: контактах металлполупроводник (барьерах Шоттки), гетеропереходах, одиночных квантовых ямах и сверхрешетках. Эта глава закладывает основы, необходимые для понимания материала последующих глав. Вторая глава посвящена изучению биполярных транзисторов и путей дальнейшего улучшения их характеристик. В частности, рассмотрены подходы к созданию быстродействующих транзисторов (гетеропереходные транзисторы, транзисторы на горячих

9 Введение

электронах). В этой главе также изложены основы пленарной технологии, которая в настоящее время является основой производства практически всех типов полупроводниковых приборов, а также некоторые приемы схемотехники, позволяющие за счет функциональной интеграции существенно увеличить плотность упаковки элементов в интегральных схемах и подойти к созданию сверхбольших интегральных схем (СБИС). Принципы работы и свойства четырехслойных и еще более сложных биполярных структур, из которых изготавливают крайне необходимые для современной силовой энергетики тиристоры и симисторы, рассмотрены в главе 3. Четвертая глава посвящена полевым транзисторам - наиболее распространенным на сегодня полупроводниковым приборам. Тем, что в настоящее время нас окружают высокопроизводительные компьютеры, быстродействие которых возрастает с головокружительной скоростью, мы обязаны разработке именно этого класса полупроводниковых приборов. Особое внимание в этой главе занимают современные идеи и решения, позволяющие создавать полевые транзисторы, которые способны работать на частотах, относимых к субмиллиметровой области спектра (выше 300 ГГц). В этой же главе обсуждаются актуальные для современной электроники гибридные (биполярные+полевые) структуры типа IGBT и BiCMOS, а также основные типы ИС на полевых транзисторах (n-МОП, КМ.ОП, статические, динамические и перепрограммируемые запоминающие устройства, флэш-память). В пятой главе рассмотрены принципы работы важного класса функциональноинтегрированных приборов на основе эффекта поля - приборов с зарядовой связью. Наиболее интересным направлением развития этих приборов является, по-видимому, создание приемников изображения, которые широко используются в таких бытовых приборах, как цифровые фотоаппараты и видеокамеры. В главе 6 книги рассмотрен совершенно другой класс приборов - полупроводниковые СВЧ приборы. В этой главе описаны методы получения в полупроводниках отрицательного дифференциального сопротивления и создание на основе этого явления генераторов электромагнитных колебаний в диапазонах сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых длин волн. Наконец, седьмая глава книги посвящена физическим принципам работы широкого класса оптоэлектронных приборов. Это - приемники излучения, используемые для регистрации электромагнитных колебаний начиная от дальней инфракрасной области спектра (BIB- и HIWIPдетекторы) до диапазона рентгеновского и гамма-излучения (детекторы ядерных излучений), и полупроводниковые источники

излучения (светодиоды, лазеры). Особое внимание в этой главе уделяется физическим явлениям в новых полупроводниковых объектах (квантовых ямах, нитях и точках) и использованию этих явлений для существенного улучшения параметров оптоэлектронных приборов.

Отличительной чертой настоящей книги является то, что большая часть информации о наиболее важных идеях, разработках и достижениях последних лет в области физики полупроводниковых приборов почерпнута не из журнальных статей, а из Интернета. Интернет сделал общедоступными аналитические обзоры, написанные специалистами ведущих фирм-разработчиков всего мира, он позволяет оперативно следить за последними достижениями в области фундаментальных и прикладных исследований полупроводников и выявлять основные тенденции развития в этой области знаний.

Автор считает своей приятной обязанностью выразить благодарность своим коллегам, профессору А.Э. Юновичу, доценту М.В. Чукичеву, ст. научн. сотр. И. А. Куровой и И.А. Случинской, к.х.н. С.Г. Дорофееву и В.М. Шахпаронову, которые прочли отдельные разделы рукописи и высказали ряд ценных замечаний, способствовавших улучшению содержания книги в целом.

Г л а в а 1

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ диоды

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании специфических свойств контакта полупроводников разного типа проводимости - так называемого р-п- перехода. Эти свойства обусловлены целым рядом физических явлений, происходящих в таком контакте: инжекцией, туннелированием, ударной ионизацией носителей и др. В этой главе мы рассмотрим эти физические явления, установим их роль в конкретных условиях работы полупроводниковых диодов, рассчитаем характеристики р-п-перехода в этих условиях и обсудим, как ими можно управлять, изменяя геометрию прибора и параметры полупроводника.

1.1. Потенциальный барьер в р-п-переходе

сти, является возникновение энергетического барьера и области,

Причиной возникновения этого барьера является диффузия свободных носителей заряда (электронов и дырок). Рассмотрим эти явления более подробно.

Из общего курса физики полупроводников известно, что в невырожденном полупроводнике в любой его точке концентрации электронов п и дырок р связаны соотношением

Рассмотрены базовые полупроводниковые приборы современной микроэлектроники и физические процессы, обеспечивающие их работу. Анализируются статические, частотные и импульсные характеристики приборов, рассматриваются методы схемотехнического моделирования приборов и приводятся их эквивалентные схемы. Рассмотрены предельные параметры современных приборов микроэлектроники. Для каждого прибора делается краткий обзор современных методов их структурной реализации в интегральных схемах. Для студентов обучающихся по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника» (210100.62-бакалавр, 210100.68 - магистр) и по инженерным специальностям 210104.65 «Микроэлектроника и твердотельная электроника», 210108.65 «Микросистемная техника», 010803.65 «Микроэлектроника и полупроводниковые приборы», 210601.65 «Нанотехнологии в электронике». Материал книги может быть полезен также научным работникам, инженерам и аспирантам, стремящимся получить необходимые профессиональные знания

Шаг 1. Выбирайте книги в каталоге и нажимаете кнопку «Купить»;

Шаг 2. Переходите в раздел «Корзина»;

Шаг 3. Укажите необходимое количество, заполните данные в блоках Получатель и Доставка;

Шаг 4. Нажимаете кнопку «Перейти к оплате».

На данный момент приобрести печатные книги, электронные доступы или книги в подарок библиотеке на сайте ЭБС возможно только по стопроцентной предварительной оплате. После оплаты Вам будет предоставлен доступ к полному тексту учебника в рамках Электронной библиотеки или мы начинаем готовить для Вас заказ в типографии.

Внимание! Просим не менять способ оплаты по заказам. Если Вы уже выбрали какой-либо способ оплаты и не удалось совершить платеж, необходимо переоформить заказ заново и оплатить его другим удобным способом.

Оплатить заказ можно одним из предложенных способов:

1. Безналичный способ:
   • Банковская карта: необходимо заполнить все поля формы. Некоторые банки просят подтвердить оплату – для этого на Ваш номер телефона придет смс-код.
   • Онлайн-банкинг: банки, сотрудничающие с платежным сервисом, предложат свою форму для заполнения. Просим корректно ввести данные во все поля.
     Например, для " class="text-primary">Сбербанк Онлайн требуются номер мобильного телефона и электронная почта. Для " class="text-primary">Альфа-банка потребуются логин в сервисе Альфа-Клик и электронная почта.
   • Электронный кошелек: если у Вас есть Яндекс-кошелек или Qiwi Wallet, Вы можете оплатить заказ через них. Для этого выберите соответствующий способ оплаты и заполните предложенные поля, затем система перенаправит Вас на страницу для подтверждения выставленного счета.

2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы

2.1. Общие сведения

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Двуокисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z=14 в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только 4 из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обуславливают четыре валентности кремния. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью так называемой ковалентной связи (рис. 2.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла.

При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

Однако, при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов. Таким образом, если при наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа, от слова negative) и дырочной проводимости (p-типа, от слова positive).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках называется собственной проводимостью. Собственная проводимость быстро возрастает с повышением температуры, и в этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых приборов.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование.

Легирование – это добавление примесей в полупроводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа – пятивалентные – состоят их атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий.



Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 2.2). Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно и свободных электронов, для поддержания тока.

При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 2.3). Это создаст в ковалентной связи дырку.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.



При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n переходом и обладает очень важным свойством – его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника. p-n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n переходов описаны ниже.

Итак, в куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n переход. На ней имеет место значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их концентрации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе создается двойной слой пространственного заряда (рис. 2.4), обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле Eк, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Если к p-n переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на рис. 2.5 обратной полярности приведет к появлению внешнего поля E, совпадающего по направлению с контактным полем Eк. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток Iобр).







При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направлению контактного поля (рис. 2.6). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток Iпр. Таким образом, p-n переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это выражает его вольтамперная характеристика (рис. 2.7).



Когда к p-n переходу приложено прямое напряжение, то ток быстро возрастает с ростом напряжения. Когда же к p-n переходу приложено обратное напряжение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного значения обратного напряжения Uобр, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя, при котором наступает пробой p-n перехода и он разрушается. Следует отметить, что на рисунке 2.7 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масштаба прямого тока.

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники . Для проводников характерна проводимость 10 2 -10 8 См/см 3 (См - сименс = 1/Ом), для диэлектриков - 10 -10 См/см 3 и меньше. Промежуток от 10 -10 до 10 2 См/см 3 занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

Выпрямительные диоды

ВЧ- и СВЧ-диоды

Стабилитроны или опорные диоды

Туннельные диоды

Варикапы

Тиристоры

Биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Как вы знаете, полупроводник имеет объемную решетку. Мы рассмотрим для простоты плоскую решетку. Атомы кремния связаны между собой ковалентной связью. При температуре 0 о К все полупроводники являются идеальными изоляторами, потому что в их структуре отсутствуют свободные электроны.

Под действием внешних факторов (изменение температуры, радиации, светового излучения и т.п.) кристаллическая структура получает внешнюю энергию, что может привести к разрыву ковалентной связи и в структуре появится свободный электрон, т.е. сопротивление полупроводника уменьшится.

Полупроводник можно представить в виде энергетических уровней (валентная зона, запрещенная зона, зона проводимости). Здесь DW - ширина запрещенной зоны, потенциальный барьер, который электрон должен преодолеть, чтобы перейти в зону проводимости. Для наиболее распространенных полупроводников DW = 0,1-3 эВ, а у диэлектриков - 6 эВ. Для германия DW = 0,72 эВ, для кремния DW = 1,12 эВ.



На месте разрыва связи появляется дырка, которая имеет ту же величину заряда, что и электрон, но с противоположным знаком. В идеальном полупроводнике концентрация электронов и дырок одинакова. Если n n - концентрация электронов, а n p - концентрация дырок, то для идеального полупроводника n n = n p - это собственная проводимость полупроводника.



В реальных полупроводниковых приборах используют примесные полупроводники. Если в полупроводник в качестве примеси ввести 5-ти валентный элемент, то данный полупроводник будет полупроводником с электронной проводимостью или n-типа, а примесь называется донорной примесью. При этом концентрация электронов N n будет много больше концентрации дырок N p , т.е. N n >> N p . Таким образом электроны будут являться основными носителями заряда, а дырки — неосновными.




Если в полупроводник в качестве примеси ввести 3-х валентныый элемент, то в валентной зоне появятся свободные дырки. В этом случае концентрация дырок будет много больше концентрации электронов N p >> N n — это полупроводник с дырочной проводимостью или р-типа, а примесь называется акцепторной. Здесь основными носителями заряда являются дырки.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД



При контакте двух полупроводников с различным типом проводимости в результате диффузии электроны переходят в р-слой, а дырки наоборот в n-слой. На границе контакта двух полупроводников в результате рекомбинации образуется область неподвижных пространственных зарядов (ионов), которые создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу основных носителей заряда. р-n-переход это область обедненная носителями заряда и, следовательно, она имеет повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.

Различают также две емкости р-n-перехода:

Отсюда очевидно, что свойства р-n-перехода зависят от частоты напряжения, приложенного к р-n-переходу.



Вольтамперная характеристика р-n-перехода выглядит следующим образом:

Где I o - обратный ток р-n-перехода (тепловой ток). Ток p-n-перехода в прямом направлении определяется по формуле:

j T - температурный потенциал

Из вольтамперной характеристики очевидно, что р-n-переход хорошо проводит в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. обладает вентильными свойствами. Вольтамперная характеристика - нелинейна, это означает, что при прохождении переменных сигналов через р-n-переход осуществляется трансформация спектра сигнала.

На обратной ветви вольтамперной пунктиром показано резкое увеличение тока, т.е. происходит пробой р-n-перехода.



Электрический пробой - это обратимый пробой, который используется для получения специальных приборов - стабилитронов. К электрическому пробою относятся - туннельный, лавинный и поверхностный.

Туннельный пробой - это когда при увеличении обратного напряжения U обр происходит резкое искривление энергетических зон. При этом уровень валентной зоны полупроводника n-типа оказывается на уровне зоны проводимости полупроводника р-типа, т.е. появляется туннель для зарядов, что приводит к резкому увеличению тока.

Лавинный пробой возникает при больших напряжениях р-n-перехода, чем туннельный пробой, в результате чего в р-n-переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что также приводит к резкому увеличению тока.

Тепловой пробой - необратим.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

р-n-ПЕРЕХОДА



r - дифференциальное сопротивление

Обычно эквивалентную схему используют для переменных сигналов и, поэтому используют дифференциальные параметры.

R к - сопротивление контактов и выводов

r - сопротивление р-n-перехода в прямом или обратном включении

C - это диффузионная емкость при прямом включении или барьерная емкость при обратном включении р-n-перехода.

Из схемы следует, что при большой частоте сигнала вентильные свойства р-n-перехода ухудшаются.

ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ р-n-ПЕРЕХОДА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ



Параметры сильно зависят от температуры внешней среды. При увеличении температуры окружающей среды возрастают как прямой, так и обратный токи. Особенно сильно изменяются обратные параметры, например r обр резко уменьшается, что может уменьшить напряжение пробоя U пробоя. Повышение температуры усиливает генерацию неосновных носителей заряда и, следовательно, резко увеличивает их концентрацию в полупроводнике. Это является существенным недостатком р-n-перехода и всех полупроводниковых приборов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, свойства которого зависят от свойств и характеристик р-n-перехода. Различают диоды по частотному диапазону и по мощности рассеяния.

По частоте преобразования различают низкочастотные (НЧ) диоды (выпрямительные и силовые), высокочастотные (ВЧ) диоды и импульсные диоды.

К специальным диодам относятся - стабилитроны, стабисторы, варикапы и туннельные диоды.

По мощности рассеяния различают маломощные диоды (до 0,25 Вт), средней мощности (от 0,25 до 1 Вт) и большой мощности (свыше 1 Вт).

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Рассмотрим выпрямительный диод. Здесь под эмиттером понимают область с высокой концентрацией носителей заряда, а база - это область с низкой концентрацией заряда, т.е. база высокоомна.



На рисунке вольтамперной характеристики пунктиром обозначен идеальный р-n-переход.

DU б - это падение напряжения на высокоомной базе.



У реальных полупроводниковых приборов вольтамперная характеристика смещена вправо. Выпрямительные диоды также характеризуются дифференциальными параметрами: r пр, r обр, С диф, С бар.

У выпрямительных диодов емкость обычно лежит в пределах С = (10 - 100) пФ. Емкость зависит от площади р-n-перехода.

Для характеристики выпрямительных диодов вводят параметры:

I пр.max - прямой максимальный ток,



U обр.доп. - допустимое обратное напряжение, при котором еще нет теплового пробоя.

Также как у р-n-перехода параметры и характеристики выпрямительного диода сильно зависят от температуры.

Пример применения выпрямительного диода - однополупериодный выпрямитель. Где среднее значение тока выпрямителя равно:



То и входной ток будет иметь синусоидальный характер тогда

Параллельно нагрузке обычно включают емкость, которая сглаживает импульсы тока.



СТАБИЛИТРОН (ОПОРНЫЙ ДИОД)

Выпрямительные диоды способны выпрямлять ток от единиц мА до 1000А при напряжении от единиц вольт до 1000 В. Для больших токов и напряжений используют диодные сборки.

Стабилитроны служат для стабилизации постоянного напряжения. Рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона является обратная ветвь. Она имеет три характерных участка. Участок I - это обычный обратный ток реального диода - тепловой ток или ток генерации. Участок II - участок электрического пробоя - туннельного 1 или лавинного 2 характера, именно этот участок вольтамперной характеристики является рабочим участком стабилитрона. На участке III происходит тепловой пробой.

При увеличении обратного напряжения растет ток через диод, а также мощность выделяемая в p-n-переходе, что приводи к росту температуры p-n-перехода. Повышение температуры диода усиливает генерацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь увеличивает обратный ток. Таким образом температура повышается еще больше, что приводит к разрушению p-n-перехода.

I min - выбирают в начальный момент пробоя.

I max - определяют из допустимой мощности рассеяния.

Рабочая точка стабилитрона обычно выбирается посредине рабочей ветви стабилитрона. При уменьшении тока рабочая точка сдвигается в область, где дифференциальное сопротивление стабилитрона увеличивается, что приводит к ухудшению стабилизации. При значительном изменении тока стабилизации напряжение стабилизации U ст изменяется мало.

Основными параметрами стабилитрона (номинальные значения) являются - U ст - напряжение стабилизации, I ст - ток стабилизации и r диф - дифференциальное сопротивление.

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем более качественный стабилитрон. У реальных стабилитронов сопротивление стабилизации лежит в пределах 1 - 100 Ом.



Это относительное изменение напряжения стабилизации DU ст /U ст к абсолютному изменению температуры DТ. У стабилитронов ТКН может быть больше и меньше нуля. Как правило, у низковольтных туннельных диодов ТКН отрицателен, а у более высоковольтных лавинных диодов ТКН положителен. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации показана на рисунке.

Наличие отрицательного и положительного ТКН у стабилитронов позволяет осуществить термокомпенсацию и общий ТКН в таком случае оказывается значительно меньше. В частности последовательно со стабилитроном можно включить дополнительный диод, у которого ТКН имеет отрицательный характер или же выбрать два стабилитрона с одинаковыми ТКН, но с разными знаками. В этом случае схема из двух стабилитронов будет более стабильна и напряжение стабилизации будет мало меняться при изменении температуры внешней среды.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

где Е - нестабилизированный источник питания;

R б - балластное сопротивление;

R н - сопротивление нагрузки;

I н - ток нагрузки;

I ст - ток стабилизации;

VD - стабилитрон включен в обратном направлении.

По второму закону Кирхгофа:

Предположим, что в результате внешних факторов напряжение источника питания изменилось на DE, тогда

Очевидно, что выражение в знаменателе всегда больше единицы, т.е. напряжение на выходе параметрического стабилизатора значительно меньше, чем изменение напряжения на входе. Для того, чтобы уменьшить DU ст надо уменьшить r ст и увеличить R б. При увеличении R б большая часть напряжения источника питания будет падать на балластном сопротивлении R б и для сохранения напряжения стабилизации в заданном диапазоне необходимо будет увеличить напряжение источника питания. Кроме этого на балластном сопротивлении будет также падать полезная мощность источника.

Желательно чтобы на балластном сопротивлении R б падало не более 2 В.

ВЧ-ДИОДЫ

Обычно в радиотехнических устройствах (детектор, преобразователь частоты, смеситель частоты) используют ВЧ-диоды. ВЧ-диоды отличаются от выпрямительных диодов малой емкостью p-n-перехода.

Обычно в ВЧ-диодах используется точечный p-n-переход, у которого малая площадь p-n-перехода и, следовательно, мала емкость p-n-перехода, но также малы и токи через p-n-переход и мало обратное напряжение.



Получают точечные диоды следующим образом. Берут кристалл полупроводника n-типа, металлическую иглу, на кончике которой находится акцепторная примесь. Через иглу и кристалл пропускают мощный импульс тока короткий по длительности. В месте контакта образуется p-n-переход. Емкость ВЧ-диодов лежит в пределах С = 1 - 10 пФ. Чем меньше емкость p-n-перехода, тем выше частотный диапазон работы ВЧ-диода.

ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ





В современных цифровых импульсных устройствах широко применяются импульсные диоды. Они относятся к классу ВЧ-диодов, но для них вводят временные ограничения. Входным сигналом для них является прямоугольный импульс, который имеет очень широкий спектр сигнала.

В момент t 1 напряжение изменяет знак. При этом наблюдается резкий скачок обратного тока » I д. В промежутке от t 1 до t 2 ток падает до I o - обратного тока диода.

t вост - называется временем восстановления обратного сопротивления p-n-перехода, т.е. - это время рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода.



При обратном включении на время t вост влияет барьерная емкость, которая заряжается до значения величины обратного напряжения. Ток в емкости опережает напряжение на 90 о. По мере заряда барьерной емкости ток в емкости уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t 2 ток принимает установившееся значение I обр = I о.

t вост »(0,1 - 1) мкс - для импульсных диодов.

Емкость p-n-перехода для импульсных диодов составляет единицы пФ.

Если входной импульс с большим временем длительности t U , то время восстановления t вост мало. Если t U - мало, то t вост возрастает.

В случае прямого включения диода в момент времени поступления единичного импульса тока t 1 ток напряжение на диоде достигает максимального значения U max , а затем падает до установившегося значения, равного единичному уровню U 1 .

Тогда t уст = t 1 - t 2 - время установления прямого напряжения.

Это происходит потому, что база высокоомна и на диоде падает максимальное напряжение. По мере инжекции носителей заряда из эмиттера в базу, сопротивление базы падает, потенциальный барьер уменьшается и это приводит к падению напряжения до установившегося значения равного U 1 .

t уст - определяют по напряжению от U max до значения 1,2 от единичного уровня U 1 . Обычно t уст порядка единиц мкс.

Таким образом основными параметрами импульсного диодаявляются: I max имп пр, U обр. доп. (1 - 100В), С, t вост, t уст.

МЕЗАДИОДЫ



В интегральной технологии удобно получать мезадиод, который относится к импульсным диодам и способен работать с очень короткими импульсами.

Получают их следующим образом. Берут подложку n-типа и диффузией или напылением вносят акцепторную примесь, создавая тем самым область р-типа. Далее с помощью механической обработки или травления создают мезадиоды с малой площадью p-n-перехода. Затем пластину разрезают.

Параметры у мезадиодов те же, что и у импульсных диодов, т.е. I max имп пр, U обр. доп. , С, t вост, t уст.

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД



Если в полупроводнике высокая концентрация примесей, то это приводит к искривлению энергетических зон. В этом случае появляется туннель, по которому носители заряда из валентной зоны переходят в зону проводимости.

Если к туннельному диоду не проложено внешнее напряжение, то суммарный ток через p-n-переход равен нулю.



Участок от О до А - это участок явно выраженного туннельного эффекта (примерно до 0,2 В). Участок АВ при увеличении напряжения больше, чем U 1 , энергетические зоны еще более искривляются, что приводит к уменьшению тока туннельного эффекта (U 2 примерно равно 0,4 - 0,6В).

При дальнейшем Увеличении напряжения (участок ВС) начинается диффузионный процесс, как и в обычном диоде.

Участок АВ - отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать туннельный эффект в схемах усилителей, электронных генераторов и импульсных переключательных устройствах (мультивибратор, триггер и т.д.), но мощность таких диодов обычно мала.

Параметры: I max /I min »5, I max т.э. , I min т.э. , - r, U 1(max т.э.) , U 2(min т.э.) , DU - изменение напряжения при прямом включении, когда максимальный ток туннельного эффекта становится равным диффузионному току.

ВАРИКАП





Варикап - это полупроводниковый диод с управляемой емкостью. Чтобы описать работу варикапа используют вольт-фарадную характеристику, т.е. зависимость емкости от приложенного напряжения.

Характеристика нелинейна и используют только ее часть при обратном включении диода. При уменьшении обратного напряжения U обр емкость возрастает, т.е. в варикапе используют барьерную емкость.



Параметры варикапа: C max , C max /C min ³10.

Применяют варикапы в избирательных устройствах, например в параллельном колебательном контуре.

С разд - не пропускает постоянную составляющую в контур.

Изменяя напряжение, мы тем самым изменяем емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура. В приемниках с АПЧ используют именно варикап.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Д9А - высокочастотный, маломощный диод.

Здесь Д - означает диод, 9 - серия, А - особенности электрических параметров. В данном случае Д9А - германиевый диод.

КД220 К - кремниевый диод, серия 220.

Аналог этого обозначения 2Д220. Первая цифра здесь означает 1 - германий, 2 - кремний, 3 - арсенид галлия.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистором называют электропреобразовательный прибор с двумя и более p-n-переходами. Различают транзисторы двух типов n-p-n-типа и p-n-p-типа.



Эмиттер - это область с очень высокой концентрацией носителей заряда. Средняя область - база - другого типа проводимости, концентрация носителей в ней много меньше, чем концентрация в эмиттере, т.е. как и в диодах база высокоомна.

Коллектор осуществляет экстракцию носителей из базы поддействием внешнего напряжения. Концентрация носителей в коллекторе велика, но чуть ниже чем в эмиттере.

Если к транзистору приложить напряжение к эмиттерному переходу в прямом в прямом направлении, а к коллекторному переходу в обратном направлении, причем Е к >>Е э, то тогда эмиттерный переход становится уже, его сопротивление уменьшается и начинается инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.

Коллекторный переход закрыт для основных носителей заряда, но поскольку электроны в базе являются неосновными носителями, то они под действием коллекторного напряжения Е к переходят в коллектор и создают во внешней цепи ток I к - ток кллектора.

Таким образом во внешней цепи эмиттера течет эмиттерный ток, который равен :

I э = I к + I б

Причем в первом приближении можно считать, что I э = I к, т.к. ток базы I б очень мал. В реальных транзисторах в эмиттере, базе и коллекторе есть неосновные носители заряда. Поэтому через закрытый коллекторный переход течет ток неосновных носителей заряда коллектора I о, или тепловой ток, т.е.

I э =I к + I о



На схемах транзисторы обозначаются следующим образом

Для транзистора важно знать соотношение между входным током I вх и выходным I вых, поэтому вводят коэффициент передачи по току. В схеме с общей базой (наш пример) это a - коэффициент передачи по току или коэффициент передачи эмиттерного тока.

Он равен a = I к /I э »(0,96 - 0,999) - в реальных транзисторах, т.е. схема с общей базой не усиливает по току т.к. a<1.

ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА



Схема включения с общей базой. Здесь база является общим электродом для входа и выхода.

I вх = I э, I вых = I к

U вх = U эб, U вых = U кб

Схема с общим эмиттером.

I вх = I б, а I вых = I к

U вх = U бэ U вых = U кэ

Схема с общим коллектором.

I вх = I б, I вых = I э

U вх = U бк U вых = U эк

Наиболее часто встречаются схемы с общей базой и с общим эмиттером.

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА



Рассмотрим семейство входных и выходных вольтамперных характеристик, хотя есть и переходные характеристики и характеристики обратной связи ВАХ.

Входная вольтамперная характеристика транзистора в схеме включение с общей базой - это зависимость входного тока от входного напряжения I вх = f(U вх) при U вых = const или иначе

I э = f(U эб) при U кб = const.



Это характеристика открытого эмиттерного перехода. На вольтамперную характеристику влияет напряжение на коллекторном p-n-переходе. Чем больше на нем напряжение, тем правее сдвигается входная вольтамперная характеристика транзистора. Это происходит в результате модуляции толщины базы. Если база уменьшается по толщине, то ее сопротивление увеличивается.

Выходная вольтамперная характеристика - это зависимость выходного тока от выходного напряжения I вых = f(U вых) при I вх = const. Семейство выходных характеристик - это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.

Здесь I ко - тепловой коллекторный ток насыщения.

С увеличением входного тока выходной ток пропорционально возрастает (I э4 > I э3 > I э2 > I э1 > 0). Выходной коллекторный ток практически не зависит от выходного напряжения U кб.

Диапазон значений напряжения при U кб кб = 0 коллекторный ток в выходной цепи обусловлен наличием электрического поля высокоомной базы, разность потенциалов которой аналогична разности потенциалов рассматриваемого ранее p-n-перехода.

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ



при U кб = const. r э - дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

Диффузионное сопротивление базы

Объемное сопротивление базы (зависит от концентрации носителей в базе)



при I э = const. r к - это дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.



Это коэффициент обратной связи по напряжению.

Отметим, что коэффициент обратной связи - это отношение входного напряжения к выходному. Отношение выходного напряжения к входному - это коэффициент прямой передачи (или коэффициент усиления?)

при U кб = const - это коэффициент прямой передачи по току.



ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА

Обычно эквивалентную схему используют на переменном токе. Здесь С э - диффузионная емкость эмиттерного p-n-перехода, ею обычно пренебрегают.

mU кб - эквивалентный генератор тока (напряжения?).

mU кб = U эб

Б’ - внутренняя точка базы.

r б = r’ б + r” б

m = (10 -3 - 10 -5) - поэтому в реальных транзисторах ею пренебрегают.

Выходная цепь включает r к, барьерную емкость С к и эквивалентный генератор тока aI э = I к. Барьерной емкостью С к пренебрегать нельзя, т.к. сопротивление коллекторного перехода r к велико. В результате эквивалентная электрическая схема транзистора упрощается.

Параметры r э, r б, r к, С к приводятся в справочниках.

ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМЫ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Входные характеристики - это зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером I б = f(U бэ) при U кэ = const. Это характеристики открытого p-n-перехода.

При напряжении менее 0,3 В в цепи базы протекает обратный ток I о. С увеличением напряжения между коллектором и эмиттером U кэ характеристика сдвигается влево, т.е. величина заданного входного тока появляется при меньшем напряжении база-эмиттер U бэ, т.к. часть напряжения U кэ прикладывается и к эмиттерному переходу.

Выходные вольтамперные характеристики - это зависимость выходного коллекторного тока от выходного напряжения, т.е. в данном случае I к = f(U бэ) при постоянном входном токе базы I б = const. Это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.



I кос - сквозной ток насыщения в схеме с общим эмиттером. Это нулевой сквозной ток коллектора, он течет через весь транзистор.

С ростом входного тока выходной ток также возрастает (I б4 > I б3 > I б2 > I б1 >0). Причем, чем больше входной ток, тем больше зависимость тока коллектора I к от выходного напряжения U кэ.



Что касается параметров схемы замещения, то здесь важно знать соотношение между входным и выходным токами. По аналогии со схемой с общей базой можно представить следующую схему замещения. Здесь параметры r б, r э, r к, С к - те же что и в схеме с общей базой, но данная схема не удобна, т.к. в ней нет связи между входным током I б и выходным током I к. Можно записать

I э = I к + I б Из схемы с общей базой I к = aI э + I ко, подставляем в данное выражение предыдущее, тогда

I к = aI э + aI б + I ко и отсюда получаем

А a - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой, тогда

b - коэффициент передачи потоку в схеме с общим эмиттером.