Двенадцатый билет

12. P-n переход: контактная разность потенциалов, толщина, напряжение пробоя, ёмкость p-n перехода.

Контактная разность потенциалов

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей Iдифф. Контактную разность потенциалов в отсутствие внешнего напряжения ϕk0 можно найти по формуле:

Толщина p-n перехода

За w принимается протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей, или, что то же самое, толщина обеднённого слоя:

При подаче прямого напряжения переход сужается, а при подаче обратного напряжения расширяется. От толщины перехода зависят его барьерная ёмкость и напряжение лавинного пробоя.

Напряжение лавинного пробоя

При обратном смещении поле p-n перехода увеличивается и может достигнуть предела электрической прочности материала, после чего наблюдается быстрый рост обратного тока. Пробой бывает обратимый (электрический) и необратимый (тепловой).

Процесс лавинного пробоя связан с явлением ударной ионизации

Напряжение туннельного пробоя

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, связанный с переходом электронов через тонкий потенциальный барьер без изменений энергии. Необходимым условием туннельного пробоя перехода электронов является наличие занятых энергетических состояний в валентной p-области и свободных состояний с теми же значениями энергии в n-области.

Когда обедненная область тонкая, то преобладает туннельный пробой, в противном случае лавинный.

Барьерная емкость:

p-n переход является эквивалентом конденсатора и обладает барьерной емкостью. Так как толщина ОПЗ p-n перехода увеличивается при обратном смещении, то барьерная емкость уменьшается за счет условного «увеличения расстояния между обкладками эквивалентного конденсатора». При прямом смещении толщина обедненного слоя уменьшается и барьерная емкость увеличивается. Перезарядка барьерной емкости определяет частотные свойства p-n перехода.

Диффузионная емкость:

При прямом токе в базу диода инжектируются неосновные носители. Их рекомбинация требует времени, так как характерное время жизни неосновных носителей порядка τ ≈ 10 -9 с. Накопленный заряд неосновных носителей придает дополнительную инерционность p-n переходу, характеризуемую, так называемой, диффузионной емкостью.

27. Компьютерное моделирование диодов и транзисторов.

Компьютерное моделирование электронных элементов заключается в поиске их эквивалентных схем и математических описаний, делающих возможным достаточно точный компьютерный анализ сложных схем с такими элементами.

Формула Шокли описывает вольт-амперную характеристику (ВАХ) идеального p-n перехода. При равновесии суммарный средний ток через переход нулевой. При прямом смещении потенциальный барьер понижается. Диффузионный ток (ток инжекции), с понижением барьера растет по экспоненте. При обратном напряжении на p-n переходе диффузионный ток быстро стремится к нулю и доминирует дрейфовый ток (ток экстракции). Ток экстракции мал и не зависит от приложенного напряжения, так как определяется постоянным темпом диффузии к ОПЗ p-n перехода неосновных носителей из электронейтральных p и n областей. Концентрация неосновных носителей в этих областях сильно зависит от температуры и поэтому обратный ток p-n перехода тоже сильно зависит от температуры.

Но такая модель не отражает важнейших свойств реального диода: возникновение пробоя при обратном напряжении, наличие наклона начальной части обратной ветви ВАХ, вырождение экспоненты в линейную зависимость тока от напряжения в области больших прямых токов.Кроме того, эта модель не учитывает инерционные свойства диода.

Более точной является модель на основе эквивалентной схемы.

Эта модель позволяет отобразить два близких к прямой линии участка ВАХ простейшими уравнениями первой степени. Это участок пробоя и линейная часть ВАХ при прямом напряжении. Уравнение Шокли хорошо описывает начальную часть ВАХ диода при прямом и небольших обратных напряжениях.

42. Ключ на МДП транзисторах с одинаковым каналом.

Ключ с динамической нагрузкой

Роль динамической нагрузки выполняет транзистор Т2, у которого затвор соединен со стоком. В схеме с динамической нагрузкой транзистор Т2 называют нагрузочным, а T1 активным.

Пока UВХ = 0, т.е. меньше порогового U0, канала в Т1 нет и потребляемого тока Iп также нет. Когда UВХ > U0, Т1 открыт, потребляется некоторый ток Iп.

Непрерывное потребление тока и энергии в одном из состояний является большим недостатком рассматриваемого ключа. Поскольку существуют ключи, не обладающие этим недостатком, ключи на одинаковых МДП-транзисторах применяются редко.

57. Приборы с зарядовой связью. Матрицы для фототехники.

Приборы с зарядовой связью:

ПЗС (прибор с зарядовой связью) — общее обозначение класса полупроводниковых приборов, в которых применяется технология управляемого переноса заряда в объёме полупроводника.

ПЗС-устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремниевые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны, образовавшиеся в данном пикселе матрицы в результате воздействия света при экспонировании.

Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а, следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Фотоматрица

Фотоматрица или светочувствительная матрица — растровая оптическая система в виде специализированной аналоговой или цифро-аналоговой интегральной микросхемы, состоящей из светочувствительных элементов — фотодиодов.

●​ Предназначена для преобразования спроецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных

●​ Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.

●​ Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрихкодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.