6

1. ПОЛУПРОВОДНИКИ 2

1.1. Основные положения теории твердых тел 2

1.2. Носители заряда в собственных полупроводниках 4

1.3. Электропроводность примесных полупроводников 7

1.4. Основные свойства и характеристики полупроводников 9

Дрейфовое и диффузионное движения носителей заряда. 11

Диффузионное движение носителей заряда возникает, когда имеется различие в концентрации электронов (или дырок) в соседних слоях ПП. Носители заряда перемещаются из слоя с большей концентрацией в слой с меньшей концентрацией. Если в данном слое постоянно поддерживается более высокая концентрация носителей заряда, чем в соседнем слое, то создается непрерывный диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания концентрации. Плотности потоков носителей заряда пропорциональны градиенту их концентрации; при одномерной диффузии, например, вдоль оси Х, плотность диффузионного тока, создаваемого электронами и дырками, определяется следующим соотношением: 12

1.5. Электронно-дырочный переход 12

1.6. Прямое и обратное смещение p-n-перехода 16

1.7. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода 18

1.8. Емкости p-n-перехода 20

1.9. Контактные явления на границе раздела полупроводника и металла 20

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 21

2.1. Выпрямительные диоды 21

2.2. Высокочастотные и сверхвысокочастотные диоды 23

2.3. Импульсные диоды 23

2.4. Диоды Шоттки 25

2.5. Стабилитроны, или опорные диоды 26

2.6. Туннельные диоды 27

2.7. Излучающие оптоэлектронные приборы 30

3. Биполярные транзисторы 32

3.1. Принцип действия транзистора 33

3.2. Способы включения транзистора в схему 36

37

Как следует из выражения (3.7), ток эмиттера распределяется между коллектором и базой. Если ток Iэ возрастает на величину Iэ (например, из-за увеличения напряжения эмиттера при возрастании напряжения сигнала на +Uс), то, соответственно, возрастут и остальные токи. Для нового состояния получим равенство: 37

Iэ + Iэ = Iк + Iк + Iб + Iб. 37

3.4. Статические вольт-амперные характеристики транзистора 38

3.4.1. Характеристики транзистора в схеме с ОБ 39

3.4.2. Характеристики транзистора в схеме с ОЭ 40

3.5. Ключевой режим работы транзистора 42

3.6. Усилительный режим работы транзистора 49

4. ПОЛЕВЫЕ (УНИПОЛЯРНЫЕ) ТРАНЗИСТОРЫ 55

4.1. Полевые транзисторы с р-n-переходом 55

4.2. Основные параметры полевых транзисторов 58

4.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором 59

МОП-транзисторы с плавающим затвором. Ячейка флэш-памяти 62

5. АНАЛОГО-ЦИФРОВЫЕ И ЦИФРО-АНАЛОГОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 64

5.1.1. Основные принципы, характеристики и параметры АЦП 64

5.1.2. Принципы построения АЦП 67

5.1.3. Интегральные микросхемы АЦП 72

5.2. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) 73

5.2.1. Основные характеристики и параметры ЦАП 73

5.2.2. Принципы построения ЦАП 75

5.2.3. Интегральные микросхемы ЦАП 79

1. Полупроводники

1.1. Основные положения теории твердых тел

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Металлы характеризуются малым, а диэлектрики – очень большим сопротивлением. К полупроводникам относится обширный класс материалов с удельным объёмным сопротивлением 10¹⁰ – 10^-5 Ом·см (в полупроводниковой технике принято измерять сопротивление 1 см³ материала).

Как известно, атом состоит из ядра, вокруг которого по определенным орбитам вращаются электроны. Согласно постулату де Бройля с каждой движущейся массой вещества связан особый волновой процесс, а длина волны определяется соотношением:

λ = h / mv, (1.1)

где h – постоянная Планка;

m – масса;

v – скорость движения.

Волны де Бройля существенно ограничивают подвижность электронов в атомах. Установлено, что электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его длин волн. Остальные орбиты для электрона запрещены. В изолированном атоме с одним электроном скорость движения электрона по разрешенной орбите устанавливается такой, при которой центробежная сила уравновешивает силу притяжения отрицательно заряженного электрона к положительно заряженному ядру. Каждой разрешенной орбите соответствует своя скорость и, следовательно, своя кинетическая энергия электрона. Установлено, что, двигаясь по разрешенной орбите, электрон не расходует (не излучает) энергию. В противном случае, излучая энергию, электрон по спирали упал бы на ядро.

Свободные атомы имеют дискретный энергетический спектр, как показано на рис. 1.1, а.

При переходе электрона с одного разрешенного уровня на другой, более отдаленный от ядра, происходит поглощение энергии, а при обратном переходе – её выделение. Поглощение и выделение энергии может происходить только строго определенными порциями – квантами. На каждом энергетическом уровне может находиться не более двух электронов. В группе близко расположенных атомов вследствие взаимодействия атомов друг с другом разрешенные уровни энергии расщепляются в зоны разрешенных энергий, которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число подуровней в каждой разрешенной зоне равно количеству атомов в группе (рис. 1.1, б). Кристалл твердого тела содержит большое количество близко расположенных атомов, поэтому число подуровней, входящих в разрешенные зоны его энергетической диаграммы, довольно велико.

Рис. 1.1. Энергетические диаграммы твёрдых тел:

а – свободного атома; б – группы из четырёх атомов; в – металлов; г – полупроводников; д – изоляторов

Верхнюю из заполненных энергетических зон называют валентной, так как ее электроны способны взаимодействовать с соседними атомами, обеспечивая молекулярные связи. Разрешенная энергетическая зона, расположенная непосредственно над валентной зоной, называется зоной проводимости.

В зависимости от электронной структуры атома и строения кристаллической решетки между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо может сохраняться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три класса кристаллических тел: металлы, диэлектрики и полупроводники (рис. 1.1, в, г, д).

У металлов (рис. 1.1, в) валентная зона и зона проводимости взаимно перекрываются, поэтому при Т = 0 К металл обладает электропроводностью. У полупроводников и диэлектриков (рис. 1.1, г, д) зоны разрешенных значений энергии отделены запрещенной зоной энергии ∆Wз. Поэтому у них зона проводимости при Т = 0 К пуста и электропроводность отсутствует. Зонные диаграммы диэлектриков и полупроводников отличаются только шириной запрещенной зоны, которая у наиболее распространенных полупроводников составляет 0,1…3 эВ (у полупроводников, на основе которых в будущем надеются создать высокотемпературные приборы, ∆Wз = 3…6 эВ), а у диэлектриков свыше 6 эВ [4].