Вопросы и ответы (шпоры) к экзамену по ОЭЭ / Ответы на вопросы (Шпоры) по ОЭЭ

1.Электрические свойства полупроводников.

Вещ-ва делятся на 2 группы: проводники и изоляторы. Существуют промежуточные вещ-ва, они проводят ток достаточно слабее, чем проводники; сначала их отнесли к группе п/п. П/п имеют родственные отношения с диэлектриками. Они отличаются от проводников:

1)разный хар-р зависимости проводимости от Т.

2)сильное влияние на проводимость ничтожного кол-ва примесей

3)чувствительность к различным видам излучения

Внешние е (не активные) называют валентными. Дрейфом в электротехники называют электрический ток, от + к - , перенос тока в Ме осуществ. валентными е. При отсутствии напряжения или эл. поля эти е могут перемещаться свободно, при этом эл. ток отсутствует. При напряжении или эл. поле, е в Ме может иметь траекторию, т.е их движение приобретает упорядочный хар-р.

2.Носители зарядов беспримесных металлов

В атомах Ge и Si внешние эл. оболочки образуются 4-мя электронами. В их структуре каждый из е образует с соседним атомом ковалентную связь. Такая пара жестко связана и не может свободно перемещаться в п/п-ке. Все валентные е в идеальном п/п входят в ковалентные связи, т.е. не должны быть свободных носителе зарядов.

При повышении Т атомы, кот. находились при 0 в неподвижном состоянии начинают совершать тепловые колебательные движения. При колебании кристалл. решетки выделяются тепловые кванты – фононы. Перемещение носит тепловой хар-р. Энергия фононов передается е и для некоторых е достаточно, чтобы они отрывались от своих атомов. Энергия фонона способствует перемещению е в объеме п/п, т.о. в п/п появляется носитель тока. Нарушение ковал. связи приводит к

Вывод: кол-во е и дырок, кот. явл. свободными носителями тока в чистом п/п во много раз меньше, чем в металлах, поэтому проводимость в металлах значительно выше. Свободные носители заряда в чистом п/п при любой Т появляются только в рез-те появлении энергии из вне ( виды энергия: фононы, световая энергия, энергия рентгеновских лучей).

3. Энергетическая диаграмма.

Всоответствии с принципом механики е могут обладать квантовой энергией. Wз – запрещенная зона.

Вп/п запрещенная зона отделяет зону проводимости и валентную зону. Wз имеет размерность (электрон вольт) – энергия, кот. нужно сообщить е чтобы перевести его в

зону проводимости. В п/п Wз<= 3 эВ, в диэлектриках 3эВ < Wз <=10эВ. Если нагреть диэлектрик до Т 600-700, то его проводимость мала, если на него воздействовать сильным эл. полем, то его проводимость может существенно подрасти. При Т выше 0, в рез-те терморегуляции в п/п создается некоторое собственная концентрация носителей:

А – коэф. завис. от роды кристалла К – постоянная Больцмана = 1,27*10^-23 Дж/К Т – абсолютная тем-ра в К

Рi – электрическая проводимость. Концентрация носителей зарядов в п/п и его эл. проводимость увел. с повышении Т и уменьшается с ростом ширины запрещающей зоны.

4. Носители зарядов примесных металлов

Если ввести в чистый п/п примесь, то может быть создан проводник либо с дырочной, либо с электронной проводимостью. Примесь предназначена для увеличения проводимости. Различают п/п : р-типа (дырочные) и n–типа(электронные). n–типа(электронные)

Для получения такого проводника в него вносят примесь, которая создает в кристалле проводника только свободные е. Вводимую примесь называют донорной. Для Ge и Si донорные примеси 5 группы, такие как сурьма

Sb или фосфор P.

Атомы примеси замещают атомы п/п. 4 атома е участвуют в ковалентных связях, а 5 избыточный е, слабее связан со своим атомом. Тогда энергии фонона оказывается достаточной, чтобы избыточный е был свободным, то атом примеси превращается в положительный ион, т.е произойдет ионизация атомов примеси.

Энерг. диаграмма введенной примеси выглядит: Wд – энергия донорной примеси от-но

небольшой по сравнению с шириной запрещенной зоны. И в зависимости от типа проводника наход

взоне 0,01….0,07 эВ – энергия активации или ионизации. При 0 Т ионизация не имеет места. Все е, кот. наход . на донорном уровне участвуют

всоздании тока. Вывод: в примесных п/п концентрация е в зоне проводимости опред. преимущественно концентрацией введенной примеси, а не собственными е валентной зоны.

Концентрация е в n–типа существенно выше концентрации дырок в рез-те перехода в зону проводимости.

Ток в основном создается е в проводниках n–типа, е- основные носители заряда, дырки неосновные носители.

р-типа введение примеси направлено на увеличение концентрации дырок, для этого использ. элементы 3 группы: алюминий, бор, галлий. При введении такой примеси

каждый атом образует только 3 заполнен. ковал. связи. 4 связь остается незаполненной. Недостающий валентный е может перейти от 1 атома соседней кристалл. решетки, но переход е приводит к образованию дырки соседнего атома и

превращает атом примеси в отрицательный неподвижный ион. Атомы примеси принимающ. е – акцепторные, а примесь – акцепторная. За счет этой примеси увел. кол-во дырок в п/п. Пока число дырок = числу отриц. ионов, то заряд нейтрален. Дырки – основные носители заряда, е – не основные носители.

В примесных п/п концентрация основных носителей создается за счет внесении примеси, а не основных – за счет термогенерация, которая связана с переходом е из валентной зоны в зону проводимости. Необходимо примесь вносить в таком кол-ве, при котором концентрация основных носителей на 2-3 порядка превышала концентрации неосновных. Удельная проводимость примесного п/п выше по сравнению с чистым в 10 и 100 раз. Произведение концент. основных и неосновных зарядов при данной Т явл. постоянной величиной.

Если повышать Т примесного п/п может оказаться, что эл.проводимость будет опред. не концентрацией внесен. примеси, а концентрацией собств. носителей

зарядов.

5. Время жизни носителей зарядов.

Процесс рекомбинации примесных п/п влияет на время жизни носителей зарядов, время жизни определяет быстродействие п/п приборов.

Дан п/п-к п-типа, с помощью внешнего воздействия – облучения световым потоком, этот поток создает концентрацию дырок и концентрацию е:

Внешнее воздействие закончилось, и идет процесс уменьшения концентрации до равновесного. Спад начальной концентрации дырок подчиняется exp закону:

Основную роль в рекомбинации зарядов явл. центры рекомбинации – ловушки – они способны захватывать е. Для время жизни носителей зарядов в примесный п/п вводят в небольшом кол-ве золото или никель, кот. создают более эффективные центры рекомбинации.

темп. потенциал При Т=300 К, он равен 0,025В. Т.о. любой проводник при комнатной Т имеет потенциал в 25-26мВ.

7. Полупроводниковые диоды

Диодами называют двухэлектродные элементы, обладающие односторонней проводимостью тока, обусловленной применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя: один с электронной, другой с дырочной электропроводностью (см. рис. 1а).

Электронные процессы при отсутствии напряжения: обычно концентрация акцепторной примеси намного больше концентрации донорной примеси.

Диффузионный ток – движение дырок навстречу электронам, дрейфовый ток создан не основными носителями заряда, эти токи

направлены встречно и равны друг другу.

При наличии внешнего напряжения, в прямом направлении: сужение p-n

перехода, и увеличение диффузионного тока через него – инжекция носителей через p-n переход. Iпр=Iдрейф-Iдиффуз, Iдрейф=Const. С повышением прямого напряжения, потенциальный барьер ещё больше повышается, а Iдиффуз

уменьшается.

Включение в обратном направлении: уменьшается диффузионный ток, дрейфовый не уменьшается, но он больше диффузионного. Iобр=Iдрейф-Iдиф. (Величина тока зависит от площади перехода). Обратный ток – тепловой ток.

8.Полная ВАХ диодов

Полная ВАХ диода (в I квадранте масштаб на 3 порядка больше, чем в

III).

t - Тепловой потенциал

S – площадь перехода, Iдрейф – дрейфовая плотность тока.

0-1: Сказывается объемное сопротивление слоев p-n структуры, которое растет с ростом тока, когда существенно увеличивается падение напряжения на диоде Uпр. В кремниевых диодах Uпр = 0,8...1,2В

(из-за большого удельного сопротивления), в германиевых Uпр = 0,3...0,6В. 1-2: Оказывает влияние ТОК УТЕЧКИ через поверхность p-n перехода и

ГЕНЕРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА, которая является причиной возможного пробоя p-n перехода. Ток утечки линейно зависит от величины приложенного к диоду обратного напряжения Uобр,: ток утечки создается различными загрязнениями на внешней поверхности полупроводниковой структуры, которые увеличивают проводимость кристалла и обратный ток через диод Iобр.

2-3: (Генерация зарядов начинается, когда Uобр >Uдоп). Изменение характеристики до пробоя.

3-4: Резкое возрастание обратного тока, оно характеризует пробой p-n перехода. Пробой бывает электронный и тепловой. Электронный пробой бывает лавинный и туннельный. Лавинный возникает при энергии достаточной до отрыва электрона, образуется пара, которая ускоряется и т.д.. Он возникает в широких p-n переходах. Туннельный пробой, под действием электрического поля, происходит непосредственный отрыв электронов, без столкновения, увеличивается обратный ток, возникает в узких p-n переходах.

5-4: Тепловой пробой. Разрушение локального участков и превышение критической концентрации электронов.

9.Емкость рп-перехода ( складывается из диффузионной и барьерной емкости) Величина барьерной емкости составляет 10 и 100 пкФарад, для ее уменьшения нужно увеличить обратное и.

Емкость зависит от площади обкладок конденсатора и от расстояния между ними. Падение

напряжения расширяет рп-переход, что применяется в дистанционном управлении. Диффузионная емкость имеет место при протекании прямого тока, она больше барьерной емкости, составляет сотни тысяч пкФарад. Добротность такой емкости невелика.

Светодиодный индикатор – полупроводниковый прибор излучающий свет.

Схема включения светодиодного индикатора ничем не отличается от схемы включения параметрического диодного эл-та, включает 2 или 3 эл-та:

Самая простейшая схемаоднополупериодная схема. Нужно знать Rб, который рассчитывается как: Rб=(Uвх - Uvd)/Ivdном, где Uvdпадение напряжение на диоде;

Ivdном – номинальный ток горения стабилитрона он находится в пределах 10мА…..20мА. 2 Вт мощности

резистра хватит на управления любым светодиодным индикатором.

10.Принцип действия биполярного транзистора и его параметры.

Транзистор включают 3 способами с ОБ ,ОЭ, ОК. Рассмотрим тр-р р-n-р с ОБ: Использ 2 источника U: Uэ подкл к + полюсу,а Uк к -.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы эмиттерный переход оказался смещенным в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

Напряжение Uэ действует в прямом направлении, и дырки из эмиттера в большом количестве будут диффундировать в область

базы. Диффузионный поток электронов, основных носителей заряда в базе, также возрастает.

Осовная функция эмиттерного перехода сводится к ИНЖЕКЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (ДЫРОК) В БАЗУ.

Iэ = Iэp + Iэn ; Iк = Iкp + Iк0; Iб = Iбp + Iэn - Iк0

Управляющ. св-ва: 1) изменение выходного коллекторного тока под действием подводимого тока эммитора – происходит из-за изменения дырочной составляющей эм. тока.

принцип действия основан на создании транзитного потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управления выходным током за счет изменения входного тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется

током.

В соответствии с первым законом Кирхгофа:

Iэ = Iк + Iб; Iк = Iэ + Iк0; Iб = (1- )Iэ - Iк0

Коэф-т передачи эм. тока равен: =γ*δ, где γ- коэф-т инжекции – показатель эм. перехода; γ=Iкр/Iэ=0,97...0,998 – какая часть дырок участвует в движении; δ- относител. коэф-т переноса носителя заряда к базе = Iкр/ Iэр (дыр. состав. кол. тока/ дыр. состав. эм. тока);

В идеальном транзисторе =1. Мощность вых сигнала может быть больше входной мощности ( т.к Uк больше Uэ). Низкое входное соп-е – это способствует достижению наивысших частотных св-в тран-ра.

11.Биполярный транзистор

По структуре бывают либо биполярные ( имеют носители зарядов двух видов е и дырки), либо униполярные (использ заряды только одного вида). Транзистором – полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов

по мощности, имеет трехслойную полупроводниковую структуру и содержит два p-n перехода. Существуют транзисторы типов p-n-p и n- p-n. Имеет 3-слойную структуру: рис-ки.

Сплавная технология изготовления: пластина n- типа явл. основанием или базой конструкции, два р- слоя создаются путем диффузии в них сплавов акцепторной примеси. Один

слой – эммитор, он имеет меньшую площадь, а другой слой – коллектор. Основная фун-я эммитера – эмметирование носителей в базу, фун-я кол-ра – сбор носителей, прошедших через базу. Площадь коллектора делают больше, для сбора носителей, прошедших через базу.