Электроника и схемотехника. Экзамен

1 вопрос: Электропроводность полупроводников (дырочная, электронная, собственная проводи­мость, регенерация, рекомбинация пар).

Электропроводность полупроводников

Полупроводники – материалы, имеющие при нормальной температуре удельное сопро­тивление от 10^-5 до 10¹⁰ Ом/см (германий, кремний, арсенид Галлия, селен, оксиды и т.д.).

Проводимость:

• Дырочная

• Электронная

• Собственная

Процесс образования пары – генерация пары.

Генерация:

• Тепловая

• Световая

• Ударная

• Электрическая

При разрыве связи электрона и дырки электрон движется хаотично. Процесс восстановле­ния пары (захвата электрона дыркой) – рекомбинация. Промежуток времени до рекомби­нации – время жизни элек­трона.

Расстояние, пройденное частицей, – диффузионная длина. Если в полупроводнике создать опреде­ленное электростатическое поле, то хаотичное движение упорядочится, и возможно 2 встречных потока. Поскольку они движутся противоположно, то i_д + i_к = i_др – т.е. дви­жение носителей заряда в полупровод­нике, вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала, называется дрейфом (ток называ­ется дрейфовым).

Удельная проводимость полупроводников ρ = E / I. Электрические свойства полупровод­ников зави­сят от содержания в них атомов примеси.

Существуют донорные и акцепторные примеси.

Акцепторная:

Если с германием (4-х валентный) ввести индий (3-х валентный), образуется ковалентная связь ме­жду индием и германием. Этот связанный электрон превращает индий в отрица­тельно заряженный ион. Концентрация свободных электронов: Iдыр > Iэл – полупроводники p – типа.

Донорная:

Донорная примесь образуется при вводе, например, сурьмы (5-и валентная). Образуется свободный электрон. Iэл > Iдыр – полупроводники n – типа.

В любом полупроводнике есть основные и неосновные носители заряда.

В примесном полупроводнике при низкой температуре всегда есть дырочная и электрон­ная прово­димость. При повышении температуры собственная проводимость возрастает. А примесная имеет предел. Поэтому при высоких температурах всегда собственная про­водимость.

2 вопрос: Основные свойство и характеристики полупроводников (уровень Ферми, концентрация носителей зарядов, электронейтральность, диффузия, дрейф).

Основные свойства и характеристики полупроводника.

Параметры полупроводника зависят от электропроводимости материалов.

Один из важнейших – уровень Ферми. Является функцией концентрации. При определен­ной темпе­ратуре (постоянной) уровень Ферми постоянен. Т.е. от концентрации распреде­ление примеси не зависит. При повышении температуры концентрация неосновных носи­телей увеличивается. P * n возрастает по экс­поненте. Т.е. при данной температуре количе­ство дырок и электронов постоянно, и рекомбинация данной пары вызовет генерацию в другом месте. Если в ограниченный объем полупроводника введут дополнитель­ные элек­троны и дырки в первый момент ничего не произойдет, но далее под влиянием градиенты они по­кидают тот объем, и разность между ∆ P и ∆ n стремится к нулю. Вот это время на­зыва­ется τe (приблизи­тельно 10-12 с). Это время диэлектрической релаксации. Т.о., в од­нород­ном полупроводнике не могут иметь место объемные заряды в течение времени 3 – 5 τe (3*10-12 с) (условие электронно-нейтрального по­лупроводника).

Если возмущение вызвано основными носителями, то высасывание за малый промежуток времени. В противном случае в течение короткого времени в полупроводнике появится дополнительный заряд основ­ного носителя, и он компенсирует заряд неосновного носи­теля. Т.о. движение носителей зарядов обуслов­лено двумя процессами:

1. диффузией (под влиянием градиента концентрации)

2. дрейфом (под влиянием градиента температуры) (подробнее об этом разделе в учеб­нике на стр.30)

3 вопрос: Электрические процессы в p – n – переходах (p – n и Ме – полупроводник).

Электронный переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются. Если одна из областей металла, то это металлопроводники (M-n, M-p). Эти переходы нельзя создать механическим путем. Только технологическим путем. Допустим, уровень Ферми в металле больше, чем у р-типа. Поэтому часть электронов пе­рейдет из металла в полупроводник. Переход будет осуществляться до тех пор, пока уро­вень Ферми (энергии носите­лей) не сравняется, т.е. в полупроводнике вблизи контактов избыточный заряд электронов, и они начинают рекомбинировать с дырками. Концентра­ция дырок уменьшается, нарушается электронейтральность, и в по­лупроводнике слой не­подвижных отрицательно – заряженных ионов, вблизи контактов с уходом электронов из металла (с внешней оболочки электрон улетает) тонкий слой зарядится положительно.

У границы объемные заряды. Возникает контактная разность потен­циалов – электрическое поле. Оно препятствует дальнейшему про­движению электронов из металла и дыркам в металл. Результирую­щий (i_дырок + i_{электронов}) ток равен 0. По­скольку неподвижные ионы в слое, то этот слой имеет повышенное удельное со­противление. Обычно ширина L = 10^-4 – 10^-6 см. Если подключить внешнее сопро­тивление («–» к металлу, «+» к полупроводнику), то это поле будет снижать потен­циальный барьер, т.е. возникает дополнительное поле, снижающее внутреннее поле полупроводника. Сопротивление при­контактного слоя уменьшается, и через пере­ход потечет ток, обу­словленный……………………….

Если изменить полярности, то внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, и прикон­тактный слой ещё сильнее обедняется носителями заряда. Т.о., переход металла в полупроводник обладает вентильными свойствами. Это эффект Шоттки.

Рассмотрим p-n переход.

p – много дырок, n – преимущественно электроны. Если количество дырок в p-переходе равно количеству электронов в n-переходе, то это симметричный пе­реход. Сегодня в основном несимметричные пере­ходы.

Свойства несимметричного p-n перехода:

Пусть концентрация дырок в р-переходе намного больше, чем в n-пе­реходе. Это низкоомная область (малое сопротивление). Т.к. концен­трация дырок в р-пе­реходе больше, чем в n-переходе, то часть дырок в результате диффузии перейдет в область n-перехода. И в n-переходе вблизи границы окажутся избыточные дырки. Они встречаются с электронами, рекомбинируют с ними.

Следовательно, свободных носителей становятся меньше, уменьшается концентрация свободных электронов, образуется область некомпенсированных положительных зарядов. В области р-перехода уход дырок из граничного слоя способствует образованию области некомпенсированных отрицательных зарядов. Неосновные заряды тоже движутся: элек­троны из n-перехода в р-переход. Следовательно, этот ток на три порядка меньше. Им можно пренебречь. Образуется p-n переход. Электрическое поле, возникшее между разноименными ионами, препятствующие пере­мещению ос­новных носителей, не препятствует движению неосновных носителей. Эти неосновные носители, имеющие энергию теплового происхождения, генерируют в объеме полупроводника, и, диффундируя в электрическом поле, захватываются электрическим полем и перебрасываются в поле с противоположной проводимостью. Это приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Следовательно, равен­ство неосновных и основных носителей. Результирующий ток равен 0. В p-n переходе создается разность потоков U_k, который называется потенциальным барьером (контактная разность потенциалов). U_k = 0,7 В (кремний), U_k = 0,3 В (германий). Ширина зависит от U_k. Если приложить U к р-области, а «– » к n-области, p-n переход смещен в прямом на­правлении. Это направление падает на входе, уменьшение внешнее поля. ……………………. уменьшается ширина L и сопротивление этого слоя. В цепи потечет ток. Но пока |U_k| > |U| (сохраняется переход), объединенный носителями заряда переход будет иметь высокое сопротивление, ток имеет малое значение. При |U_k| = |U|, L стре­мится к 0, объединенная область исчезает, через переход течет прямой ток. Введение но­сителей заряда через переход в область полупроводника, где они Неосновные, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией. Т.к. p-n переход несимметрич­ный пере­ход, то диффузионный поток дырок будет преобладающим. Это односторонняя инжекция Неосновные но­сители инжектируются из низкоомного слоя в высокоомный. Инжектирующий слой с малым удельным со­противлением называется электром, а слой, в котором инжектирующий неосновной слой – база. Т.е. во внешней цепи появился ток.

В равновесном состоянии через переход течет ток, имеющий две составляющие:

1. диффузионные основные носители заряда, где они являются несновными.

2. дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения.

П ри наложении прямого направления это равновесие нарушается, ток в диффузии много­кратно уве­личивается. Вторая составляющая остается неизменной.

На основе этого определяют ВАХ.

Если к переходу приложить обратное сопротивление, то об­щее………………………………………

Движение основных носителей уменьшается, а по­том прекращается. Электроны и дырки движутся от p-n перехода, и дефицит свободных носителей увеличивается. Однако ток есть, но ток неосновных носи­телей. Уход основных носителей приводит к снижению до 0 концентрацию двух границ. Т.о. обратный ток теп­ловой (определяет только дрейф) (ток насыщения). Переходы других типов:

1. 1

   i p

   область – собственная проводимость, 2 область – р-область.

2. p i (бол.) (мен.)

   

   p i (мен.) (бол.)

   3.

Отсюда следует многообразие типов диодов. Кроме того, прямой ток меньше, чем в p-n переходе.

4 вопрос: Свойства несимметричного p –n – перехода, потенциальный барьер, ВАХ.

Свойства несимметричного p-n перехода:

Пусть концентрация дырок в р-переходе намного больше, чем в n-пе­реходе. Это низкоомная область (малое сопротивление). Т.к. концен­трация дырок в р-пе­реходе больше, чем в n-переходе, то часть дырок в результате диффузии перейдет в область n-перехода. И в n-переходе вблизи границы окажутся избыточные дырки. Они встречаются с электронами, рекомбинируют с ними.

Следовательно, свободных носителей становятся меньше, уменьшается концентрация свободных электронов, образуется область некомпенсированных положительных зарядов. В области р-перехода уход дырок из граничного слоя способствует образованию области некомпенсированных отрицательных зарядов. Неосновные заряды тоже движутся: элек­троны из n-перехода в р-переход. Следовательно, этот ток на три порядка меньше. Им можно пренебречь. Образуется p-n переход. Электрическое поле, возникшее между разноименными ионами, препятствующие пере­мещению ос­новных носителей, не препятствует движению неосновных носителей. Эти неосновные носители, имеющие энергию теплового происхождения, генерируют в объеме полупроводника, и, диффундируя в электрическом поле, захватываются электрическим полем и перебрасываются в поле с противоположной проводимостью. Это приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Следовательно, равен­ство неосновных и основных носителей. Результирующий ток равен 0. В p-n переходе создается разность потоков U_k, который называется потенциальным барьером (контактная разность потенциалов). U_k = 0,7 В (кремний), U_k = 0,3 В (германий). Ширина зависит от U_k. Если приложить U к р-области, а «– » к n-области, p-n переход смещен в прямом на­правлении. Это направление падает на входе, уменьшение внешнее поля. ……………………. уменьшается ширина L и сопротивление этого слоя. В цепи потечет ток. Но пока |U_k| > |U| (сохраняется переход), объединенный носителями заряда переход будет иметь высокое сопротивление, ток имеет малое значение. При |U_k| = |U|, L стре­мится к 0, объединенная область исчезает, через переход течет прямой ток. Введение но­сителей заряда через переход в область полупроводника, где они Неосновные, за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией. Т.к. p-n переход несимметрич­ный пере­ход, то диффузионный поток дырок будет преобладающим. Это односторонняя инжекция Неосновные но­сители инжектируются из низкоомного слоя в высокоомный. Инжектирующий слой с малым удельным со­противлением называется электром, а слой, в котором инжектирующий неосновной слой – база. Т.е. во внешней цепи появился ток.

В равновесном состоянии через переход течет ток, имеющий две составляющие:

1. диффузионные основные носители заряда, где они являются несновными.

2. дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения.

П ри наложении прямого направления это равновесие нарушается, ток в диффузии много­кратно уве­личивается. Вторая составляющая остается неизменной.

На основе этого определяют ВАХ.

Если к переходу приложить обратное сопротивление, то об­щее………………………………………

Движение основных носителей уменьшается, а по­том прекращается. Электроны и дырки движутся от p-n перехода, и дефицит свободных носителей увеличивается. Однако ток есть, но ток неосновных носи­телей. Уход основных носителей приводит к снижению до 0 концентрацию двух границ. Т.о. обратный ток теп­ловой (определяет только дрейф) (ток насыщения). Переходы других типов:

1. 1

   i p

   область – собственная проводимость, 2 область – р-область.

2. p i (бол.) (мен.)

   p i (мен.) (бол.)

   3.

Отсюда следует многообразие типов диодов. Кроме того, прямой ток меньше, чем в p-n переходе.

5 вопрос: Особенности реальных p – n – переходов (канальные токи, емкости, вольт – фарад­ная характеристика, виды пробоев).

Особенности реальных p-n переходов:

1. В идеальном p-n переходе уже при сравнительно небольшом U_обр i_обр не зависит от значения U_обр. В реальном есть зависимость, причем довольно значительная. Это отличие определяется термогенерацией носителей заряда в p-n переходе.

2. Существуют канальные токи и токи утечки. На поверхности возникают канал.

3. P-n переход обладает определенной емкостью, т.к. по обе стороны имеются электри­ческие заряды, созданные ионами примеси.

В p-n переходе две емкости: барьерная (С_бар.) и диффузионная (+С_диф.). Наличие в переходе ионов донорной и акцепторной примеси, образующие две обкладки конденсатора, определяют барьерную емкость. С_бар = f (U) – вольт - фарадная характеристика. Диффузионная емкость определяется следующим образом: прямой ток через переход обусловлен инжекторной………………….в базовую область. В базе накапливается избыточный заряд неосновных носителей, пропорциональный этому току, и заряд неосновных носителей. При быстром изменении полярности напряжения инжекторные дырки не успевают реком­бинировать, и под действием U_обр. переходят в область электра. Образованный ток сильно увеличивается. Избыточный заряд в базе рассасывается за счет рекомбинации, образован­ный ток уменьшается до статического. Значительное увеличение тока называется пробоиной.

Пробой бывает трех типов:

• Туннельный

• Л авинный

• Тепловой

Туннельный пробой: электроны просачиваются через потенциальный барьер, когда – U возрастает так, что возникают каналы – туннели (при узком p-n переходе). U > 10⁶ В/см.

Лавинный пробой: ударная ионизация. Неосновные носители ускоряются настолько, что при их переходе через p-n переход соударяются с атомами и ионизируют их. Создаются дополнительные носители заряда и т.д. Процесс ограничен только внешним сопротивле­нием. Он возникает в широких p-n переходах. Сильно зависит от температуры.

Тепловой пробой: количество теплоты в p-n переходе больше количества тепла, отводи­мого от него. Происходит интенсивные генерации пар и увеличение обратного тока. Ведет к разрушению p-n перехода.

Вопрос 6: Полупроводниковые диоды, виды, типы диодов. Выпрямительные диоды.

Диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим p – n - переходом и двумя вы­водами. В зависимости от технологии изготовления:

• Точечные диоды

• Сплавные диоды

• Диоды с диффузионной базой

Конструктивно разделяют:

• Точечные диоды

• Плоскостные диоды

• Планарные диоды

• Мезодиоды

П о функциональному назначению:

• Выпрямительные диоды

• И мпульсные диоды

• Универсальные диоды

• Стабилитроны

• Туннельные диоды

• Фотодиоды

• Светодиоды и т.д.

Большинство диодов выполняют на основе несимметричных p-n переходов. Низкоомная область – электр, высокоомная – база. Их основа – ВАХ.

Далее рисунок (см. выше).

Реальная характеристика отличается от идеальной характеристикой, т.к. тепловой ток при обратном включении. При прямом включении существенную роль оказывает падение на­пряжения на сопротивление базы диода, которая проявляется от образца к образцу. В справочки максимально допустимое значение. Характеристики диодов сильно зависят от температуры. У германия ток увеличивается на 10 (в справочнике на 25), у кремния в 2, 5 раза (у кремния ток с 0, 02 мА). В расчетах об­ратным током пренебрегают. Прямое значение зависит от непрямого. Влияние темпера­туры определяет ТКН (температурный коэффициент напряжения). ТКН = ∆U / ∆T.

Выпрямительные диоды:

Предназначены для преобразования переменного тока в постоянный, используется в ис­точниках питания. Должен выдерживать большие прямые токи, большие падения напря­жения, в итоге Р = 1 Вт. Барьерная емкость велика и достигает значений десятков пФ. Следовательно, они должны работать в низкочастотных цепях.

Основные параметры:

1. Допустимое обратное напряжение (U_{обр.доп.}) – это такое напряжение, которое диод может выдержать долгое время без нарушений его работоспособности.

2. Средний прямой ток – максимально допустимое значение постоянного тока в пря­мом направлении.

3. Прямой импульсный ток.

4. С редний обратный ток.

5. Среднее прямое напряжение (среднее – 0,25 В).

6. С редняя мощность рассеивания на диоде Р_{ср. рассеив.}

7. Средняя мощность рассеивания за период.

8. R_диф. = ∆U / ∆I (скорость возрастания)

(разное диф. сопро­тивление)

Вопрос 7: Полупроводниковые диоды, виды, типы диодов. Импульсные диоды, кремневые стаби­литроны.

Диод – полупроводниковый прибор с одним электрическим p – n - переходом и двумя вы­водами.

В зависимости от технологии изготовления:

• Точечные диоды

• Сплавные диоды

• Диоды с диффузионной базой

Конструктивно разделяют:

• Точечные диоды

• Плоскостные диоды

• Планарные диоды

• Мезодиоды

По функциональному назначению:

• Выпрямительные диоды

• Импульсные диоды

• Универсальные диоды

• Стабилитроны

• Туннельные диоды

• Фотодиоды

• Светодиоды и т.д.

Большинство диодов выполняют на основе несимметричных p-n переходов. Низкоомная область – электр, высокоомная – база. Их основа – ВАХ.

э б

Реальная характеристика отличается от идеальной характеристикой, т.к. тепловой ток при обратном включении. При прямом включении существенную роль оказывает падение на­пряжения на сопротивление базы диода, которая проявляется от образца к образцу. В справочки максимально допустимое значение.

Характеристики диодов сильно зависят от температуры. У германия ток увеличивается на 10 (в справочнике на 25), у кремния в 2, 5 раза (у кремния ток с 0, 02 мА). В расчетах об­ратным током пренебрегают. Прямое значение зависит от непрямого. Влияние темпера­туры определяет ТКН (температурный коэффициент напряжения). ТКН = ∆U / ∆T.

Импульсные диоды (VD):

И мпульс – очень быстрые переходные процессы. Импульсный диод должен иметь малую емкость; импульсный диод имеет малую длитель­ность переходных процессов и предназначен для работы в импульсных цепях. Отлича­ются малыми емкостями, меньшей мощностью. Указывается емкость С, максимальное импульсное прямое напряжение, время установле­ния прямого напряжения (от закрытого в открытый), время восстановления обратного со­противления. В быстродействующих импульсных цепях диоды Шоттки. Прямая ветвь – идеальная экс­понента, обратная – единица нА.

Они очень дешевы, используются в логарифмических преобразователях, для

управления больших токов.

Кремневые стабилитроны:

Предназначены для стабилизации напряжения. Их работа основана на использовании яв­ления электрического пробоя при включении диода в обратном направлении. При этом механизм пробоя туннельным, лавинным и смешанным.

∆U

I _{стаб. min}

∆I

I _{стаб. max}

У низковольтных вероятен туннельный пробой, у высоковольтных – лавинный. У p-n пе­реходов выше, чем у обычных. У небольших обратных напряжениях в переходе сильное электрическое напряжение, вызывающее электрический пробой.

– +

– кремневый стабилитрон

В схеме: