53.Квантовые плёнки

В твердых телах квантовое ограничение может быть реализовано в трех пространственных направлениях. Количество направлений, в которых эффект квантового ограничения отсутствует, используется в качестве критерия для классификации элементарных низкоразмерных структур по трем группам: квантовые пленки, квантовые шнуры и квантовые точки.

Квантовые пленки (quantum films) представляют собой двумерные (2D) структуры, в которых квантовое ограничение действует только в одном направлении — перпендикулярно пленке (направле ние z на рис. 1.2). Носители заряда в таких структурах могут свободно двигаться в плоскости xy. Их энергия складывается из квантованных значений, определяемых эффектом квантового ограничения в направлении z (в соответствии с толщиной пленки lz), и непрерывных составляющих в направлениях x и у:

E=

В k-пространстве энергетическая диаграмма квантовой пленки представляет собой семейство параболических зон, которые, пере- крываясь, образуют подзоны. Минимальная энергия электрона в n-й подзоне задается соотношением (1.5). Электрон с такой энергией не-подвижен в плоскости пленки.

Зависимость плотности электронных состояний от энергии в кван-товой пленке имеет ступенчатый вид (вместо параболической зависимости в трехмерных структурах):

i= 1,2…

где 0(E - E) — ступенчатая функция.

Электроны в квантовых пленках обычно называют двумерным электронным газом .

54. Устройства молекулярной электроники : диоды , транзисторы, оптические сенсоры.

Молетроника - область электроники, использующая в качестве составных элементов электронных схем (диодов, транзисторов, элементов памяти) отдельные молекулыорганических соединений.

Диод -  электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока.

Электроды диода носят названия анод и катод.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, действие которо- го основано на выпрямляющем свойстве электрического перехода и имеющий два вы- вода для включения в цепь. Поэтому они обладают различной проводимостью в зави- симости от направления электрического тока.

Полупроводниковые диоды классифицируются по ряду признаков, основными из которых являются тип электрического перехода и назначение диода.

В диодах применяются электронно-дырочные переходы, контакты «металл - полупроводник», обладающие вентильным свойством, или гетеропереходы.

VD

K

А

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Кроме того, они также используются в цепях управления и коммутации, в схемах умножения напряжения и преобразователях постоянного напряжения в случаях, где не предъявляются специальные требования к частотным и временным парамет- рам сигналов. Основные параметры выпрямительного диода, характеризующие его работу, мож- но разделить по нескольким признакам. Во-первых, существуют рабочие значения пара- метров, при которых они обычно эксплуатируются, и во-вторых, предельно допустимые, определяющие их максимальные технические возможности. В-третьих, набор параметров изменяется в случаях, когда диоды используются в цепях постоянного тока. Основными такими параметрами являются:

1. Максимально-допустимый средний прямой ток I_{пр мах} за период, обеспечива- ющий допустимый нагрев диода.

2. Максимально-допустимое среднее прямое напряжение за период, при кото- ром через диод протекает прямой ток I_{пр мах}.

3. Максимально-допустимое среднее обратное напряжение U_проб за период, ко- торое соответствует началу процесса пробоя диода (см. рис.3.6).

4. Обратный ток, протекающий через диод при максимально-допустимом среднем обратном напряжении U_проб.

5. Максимально допустимые рассеиваемые мощности на диоде и на диоде с теплоотводом.

6. Диапазон рабочих частот диода.

7. Диапазон рабочих температур.

Импульсные диоды

Можно выделить два основных переходных процесса: установление прямого напряжения при заданном прямом токе и установление обратного тока при заданном обратном напряжении.Время установления прямого напряжения t_уст – ин- тервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на диоде является одной из важнейших ха- рактеристик импульсных диодов.

Диоды Шоттки

В диодах Шоттки используется контакт некоторых пар металл-полупроводник. При определенных соотношениях между работами выхода электрона из металла и полупроводника такие контакты обладают выпрямляющим свойством.

^I а) _б)

в)

а)

0,7

0,3

б)

-100 В

Туннельные диоды – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором вследствие туннельного эффекта на вольт-амперной характеристике при прямом напряжении имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

а) ^I _б)

^Iп

^Iв

^{Uп U}в

^Uрр ^U

Рис. 4.3 Вольт-амперная характеристика туннельного диода (а) и его условное графическое изображение (б)

значение прямого наряжения на 2-ой восходящей ветви при котором ток равен пиковому .

- пиковый

впадены

Туннельные диоды используются для усиления и генерации слабых СВЧ сигналов (сверх высокочастотных ).

Обращённый диод - Обратный ток у туннельных диодов во много раз больше обратного тока других диодов. Это свойство применяется в особом виде туннельных диодов, называемых об- ращенными диодами. У таких диодов концентрации примесей подбираются так, чтобы уровень Ферми при отсутствии внешнего напряжения совпадал с потолком валентной зоны полупроводника р-типа и с дном зоны проводимости полупроводника п-типа.

б)

U

Стабилитрон или диод Зенера - это полупроводниковый диод, применяемый для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке. Для этой цели используется участок обратной ветви вольт-амперной характеристики в области электрического пробоя, на котором напряжение на диоде слабо зависит от протекающего тока.

б)

Рис. 4.7 Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и его условное графиче-

ское обозначение (а)

Транзисторы.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя взаимодей- ствующими р-п-переходами, имеющий три вывода и предназначенный для усиления, ге- нерирования и преобразования электрических сигналов. Слово «биполярный», кото- рое обычно опускают, подчеркивает, что в работе транзистора участвуют носители заряда обеих полярностей, то есть как электроны, так и дырки. Этим они отличаются

от полевых транзисторов, в которых происходят процессы, обусловленные движением носителей заряда одного знака.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал, управляемый электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором и истоком. Термин «полевой» характери- зует механизм управления током: с помощью электрического поля, а не тока, как в биполярных транзисторах.

Полевые транзисторы по принципу действия подразделяются на два вида:

• полевые транзисторы с управляющим р-п-переходом;

• полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП - или МОП - транзи- сторы).

В зависимости от проводимости канала полевые транзисторы делятся на: полевые транзисторы с каналом р-типа и n-типа. Канал р-типа обладает дырочной про- водимостью, а n-типа - электронной.

Оптические датчики — небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием электромагнитного излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный или совокупность сигналов на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Данное свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматизированных системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков.

Оптические датчики называют ещё оптическими бесконтактными выключателями, фотодатчиками, фотоэлектрическими датчиками.