“ТВЕРДОТІЛЬНА ЕЛЕКТРОНІКА“

Лектор проф. Опанасюк Анатолій Сергійович

Метою вивчення дисципліни є формування у студентів знань у області напівпровідникових приладів та особливостей їхнього застосування в електронних схемах.

У результаті вивчення дисципліни студенти повинні:

розширити свій науково-технічний кругозір в області елементів електронної техніки; придбати знання, необхідні інженеру, що займається експлуатацією пристроїв і систем промислової

електроніки.

Після засвоєння матеріалу навчальної дисципліни студент повинен: ЗНАТИ:

–фізичні принципи роботи приладів твердотільної електроніки що є основою їх функціонування;

–параметри і характеристики різних напівпровідникових приладів і елементів інтегральних мікросхем, необхідні для забезпечення їх штатних режимів роботи;

-експлуатаційні особливості та можливі застосування;

-типові аналогові та цифрові схемотехнічні рішення.

Опанасюк 1 А.С.

ЛІТЕРАТУРА

•Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пос. / В.А. Гуртов. - 2-е изд., испр. и доп. - Москва: Изд-во ПетрГУ, 2005. - 492 с.

•Зи С. Физика полупроводниковіх приборов, Т.2 / С. Зи - Москва: Мир, 1984. - 456 с.

•Грудман М. Основы физики полупроводников. Нанофизика и технические приложения / Москва: Физматлит, 2012. – 772 с.

•Хорунжий В.А. Функціональна мікроелектроніка. Опто- і акустоелектроніка / В.А. Хорунжий – Харків: Основа, 1995. – 131 с.

•Суємацу Я., Катаока С., Кисино К., Кокубун Я. и др. Основы оптоэлектроники: Пер. с яп. – Москва: Мир, 1988. – 288 с.

•Берченко Н.Н. Справочные таблицы / Н.Н. Берченко, В.Е. Кревс, В.Г. Середин. – Москва: Воениздат, 1982. – 208 c.

•Курс лекцій з дисципліни «Твердотільна електроніка» / Укладачі: А.І. Новгородцев, О.А. Борисенко, О.М. Кобяков. - Суми: Вид-во СумДУ, 2008. – 205 с.

•Методичні вказівки до лабораторних занять з дисципліни «Напівпровідникові прилади» Укл. Любивий О.А. СумДУ, 2012 р.

Опанасюк А.С. 2

ОЦІНЮВАННЯ

Курс викладається 2 семестри: модульних циклів - 6 Структура навчальної дисципліни: 378 год./10,5 кредитів (4/6,5) Лк. – 40 год./20, практ. – 20 год./20 лаб. роб. – 20 год./20 ПМК - 1 семестр, ДСК - 2 семестр

Шкала оцінювання: R=100 балів

Нарахування балів:

присутність на лекції 10 1=10 балів практичні заняття 10 пр. 1,5 бали/пр.=15 балів

(з них 0,5 балів за присутність на практичному занятті та 1 бал за виконання завдань)

лабораторні заняття: 5 лаб. зан. 3 бали/лаб. = 15 балів

(1 бал за присутність на лабораторній роботі та 2 бали за захист лабораторної роботи)

модульні контролі: 3 5=15 балів. РГР 5 балів.

ДСК 40 балів.

3

Опанасюк А.С.

ШКАЛА ОЦІНЮВАННЯ ЗНАНЬ СТУДЕНТІВ

Практичні заняття: 1. ЛПД та діоди Ганна; 2. Основи оптики та оптоелектроніки; 3. Світлодіоди і випромінюючі лазери; 4. Фотодетектори; 5. Фотоелектричні перетворювачі

Опанасюк А.С. 4

ЛАВИННО-ПРОЛІТНІ ДІОДИ

•Нагальна необхідність мініатюризації апаратури НВЧ, підвищення її економічності і надійності викликала швидке зростання робочих частот напівпровідникових приладів. Поряд з великими успіхами в технології транзисторів цьому сприяло відкриття нових фізичних явищ в напівпровідниках.

•Одним з перших явищ такого роду було виявлене НВЧ випромінювання при ударній іонізації в р-п - переходах, яке послужило основою для створення нових приладів – лавинно-пролітних діодів (ЛПД).

•Лавинно-пролітний діод - напівпровідниковий діод, що має негативний диференціальний опір в НВЧ- діапазоні внаслідок розвитку так званої лавинно-пролітної нестійкості. Остання обумовлена ударною іонізацією та дрейфом носіїв заряду в р-n - переході в режимі зворотного зміщення.

•Теоретичні розробки з описом ідеї створення ЛПД вперше були викладені У. Рідом в 1958 році, тому базовий варіант лавинно-пролітного діода на основі асиметричного p-n-переходу зазвичай називають діодом Ріда.

•Генерація НВЧ коливань в такого сорту германієвих структур вперше спостерігалася в 1959 році Тагером А.С., а потім в 1965 році на кремнієвих діодах Р. Л. Джонсоном.

•Виникнення негативного опору в ЛПД обумовлено двома фізичними процесами, що мають кінцеві часи протікання в області просторового заряду (ОПЗ) p-n-переходу в режимі лавинного множення. Перший процес

пов'язаний з часом наростання лавинного струму, а другий процес пов'язаний з проходженням носіїв через пролітну область. Їх суперпозиція призводить до появи фазового зсуву між струмом і напругою на відводах діода. Одним з основних критеріїв, необхідним для роботи ЛПД, є приблизна рівність між періодом

коливань НВЧ поля і характерним часом прольоту носіїв через ОПЗ.

•В наш час ЛПД є одним з найбільш потужних джерел НВЧ-випромінювання.

•Основними представниками сімейства ЛПД є діод Ріда, асиметричний різкий p-n-перехід, симетричний p-n- перехід (діод з двома дрейфовими областями), діод з двошаровою базою, діод з тришаровою базою (модифікований діод Ріда) і p-i-n-діод.

•Для виготовлення ЛПД використовують кремній та арсенід галію.

Опанасюк А.С. 5

БУДОВА І ЗОННА ДІАГРАМА

•Розглянемо будову і параметри ЛПД на основі класичного діода Ріда зі структурою p+-n-i-n+ (рис.). Діод складається з сильно легованого р+-еміттера і неоднорідно легованої n-бази (рис. 1, а). Вузький шар n- бази легований сильно (n-шар), інша частина бази легована слабо (i-шар). Розподіл поля в такій структурі для зворотної напруги U0, більшої, ніж напруга пробою Ui, показано на рис. 1 (б). При цьому напруженість поля в області р-n-переходу перевищує поле ударної іонізації Ei і поблизу р-n-переходу генеруються електронно-діркові пари (область множення). Дірки швидко пролітають до електрода крізь вузький сильно легований емітер, не надаючи істотного впливу на роботу приладу. Електрони, покинувши область множення, пролітають потім протяжну слабо леговану n- область (область дрейфу).

В області множення і в області дрейфу електрони рухаються з однією і тією ж дрейфовою швидкістю, що не залежить від напруженості поля - швидкістю насичення υs. Значення поля Es, при якому дрейфова

швидкість електронів насичується, становить для електронів в Si і GaAs величину 104 В/см, що значно менше значення поля в області множення (3-5) 105 В/см. Характерне значення υs ~107 см/с.

Схема, зонна діаграма, розподіл концентрації легуючої домішки N, електричного поля E та коефіцієнта ударної іонізації в діоді Ріда при напрузі, близькій до напруги лавинного пробою

Опанасюк А.С. 6

ПРИНЦИПИ ГЕНЕРАЦІЇ

•Нехай крім постійної напруги U0 до діода прикладена змінна напруга U частотою f (рис. а). З ростом напруги U відбувається різке збільшення концентрації носіїв в області множення внаслідок експоненціального характеру залежності коефіцієнта ударної іонізації від поля. Однак оскільки швидкість росту концентрації електронів dn/dt пропорційна вже наявній в області множення концентрації n, момент, коли n досягає максимуму, запізнюється по відношенню до моменту, коли максимуму досягає напруга на діод (рис. б). В умовах, коли υs не залежить від поля, струм провідності в області множення Iс пропорцій концентрації n: Ic = enυsS (е - заряд електрона, S - площа діода). Тому крива на рис. б являє собою також і

залежність струму Ic в області множення від часу.

Коли напруга на діоді спадає і концентрація носіїв в області множення різко зменшується, струм на електродах приладу I (повний струм) залишається постійним (рис. в). Згусток електронів що сформувався в області множення рухається через область дрейфу з постійною швидкістю υs. Поки згусток електронів не увійде у контакт, струм через

діод залишається постійним (теорема Рамо - Шоклі). З порівняння рис. а і в видно, що напруга, яка подається на ЛПД, коливається практично в

протифазі зі струмом, таким чином має місце від'ємний диференціальне опір. Цей опір є частотно-залежним. Час прольоту носіїв через область дрейфу, t =L/υs, де L-довжина області дрейфу, практично

дорівнює повній довжині діода. Зміщення фаз між струмом і напругою може бути реалізоване тільки на частоті f =1/t (і на гармоніках). Більш точний розрахунок встановлює співвідношення між f і L:

f = v/L.

Залежність напруги (а), концентрації носіїв (б) та струму (в) на ЛПД від часу

Опанасюк А.С. 7

ВИКОРИСТАННЯ ЛПД ДЛЯ ГЕНЕРАЦІЇ НВЧ-КОЛИВАНЬ

•Напівпровідникова ЛПД структура зазвичай монтується в типовий НВЧ корпус. Як правило, діод кріпиться дифузійною областю або металевим електродом на мідний або алмазний тепловідвід для забезпечення ефективного охолодження p-n-переходу під час роботи. Для роботи на частотах, що відповідають резонансної частоті власного контуру діода, достатньо помістити його в розріз коаксіального контуру. При роботі на частотах, відмінних від частоти власного контуру діода, останній розміщують у зовнішньому резонаторі. На рис.1 показана типова схема НВЧ резонатора для вимірювання спектра НВЧ коливань, що генеруються ЛПД, а на рис.2 - спектр НВЧ коливань, що генеруються ЛПД в режимі лавинного множення з негативним опором.

Опанасюк А.С. 9

ПАРАМЕТРИ ЛПД

•ЛПД широко застосовується для генерування і посилення коливань в діапазоні частот f = (1-400) ГГц. Найбільша вихідна потужність діапазону Рвих = (1-3) ГГЦ отримана в приладах із захопленим об'ємним зарядом лавин, становить сотні Ват в імпульсі. Для безперервного режиму області сантиметрового діапазону найбільше значення вихідної потужності і ККД досягнуте на ЛПД з модифікованою структурою Ріда на основі GaAs і становить Рвих = 15 Вт на частоті 6 ГГц.

•На рис. наведено характерні параметри різних типів ЛПД (вихідна потужність, частота і коефіцієнт корисного дії), як для імпульсного, так і для безперервного режиму НВЧ генерації.

Характеристики ЛПД. Поруч у експериментальними точками вказані значення ККД в процентах. SD - одна область дрейфу; DD - дві області дрейфу

Опанасюк А.С. 10