ЭКЗАМЕН ЭЛЕКТРОНИКА ver2206

1 ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1.1 Классификация материалов. Твердотельная электроника

Твердотельная электроника изучает следующие вопросы:

-Изучение свойств материалов, влияние примесей

-Создание областей с различной проводимостью

-Нанесение диэлектрических и металлических пленок

-Исследование химических и физических процессов на поверхности полупроводника

-Разработка, средства и измерения микронных элементов

Связанная с ней полупроводниковая электроника занимается разработкой и изготовлением приборов: диодов, транзисторов, оптоэлектронных приборов, ИС. Ее основа – кристалл, т.е. твердые тела, в которых атомы образуют кристаллическую решетку

Классификация материалов по проводимости:

Зонная диаграмма

1.2 Монокристалл кремния. Метод Чохральского

Монокристалл состоит из кремния, у которого кристаллическая решетка всего тела непрерывна, не нарушена до краев и не имеет каких либо границ зерен.

Метод Чохральского основной промышленный способ выращивания монокристаллов кремния.

В тигле плавится чистый поликремний. В расплав опускается затравочный кристалл, которой медленно вытягивается, одновременно вращаясь. Так, формируется большой монокристалл, он шлифуется и

электроника Стр.1

нарезается на тонике пластины.

1.3 Структура p-n перехода

Акцепторная примесь – атом, внедренный в кристаллическую решетку, который создает энергетический уровень в запрещенный зоне чуть выше валентной, т.е. имеет на 1 валентный электрон меньше. Он принимает электрон из валентной зоны, создавая дырку и становясь отрицательным ионом. (3я группа элементов: бор, алюминий, галлий, индий).

Донорная примесь – атом, …, который создает уровень ниже зоны проводимости. Имеет на 1 валентный электрон больше, становится положительным ионом. (5я группа: фосфор, мышьяк, сурьма).

Переход – граница полупроводников двух типов проводимости и область пространственного заряда вокруг нее, полученные в результате легирования примесного полупроводника одного типа примесью другого.

За счет диффузии, дырки из p и электроны из n стремятся равномерно распределится по всему объему. В несимметричном переходе, например если в p концентрация больше чем в n, дырки переходят и рекомбинируют с частью электронов. Оставшиеся без электронов дырки образуют пограничный слой с положительным зарядом. А в акцепторной p смеси атомы, захватившие соседние электроны образуют не скомпенсированный отрицательный заряд.

Так на границе образуется узкий в доли микрона слой, одна сторона которого отрицательна (p) а другая положительна (n) заряжена. Разность потенциалов образованная этими зарядами называется потенциальным барьером. Дырки отталкиваются назад положительным зарядом, и наоборот. Так, получается обедненный слов с высоким сопротивлением.

1.4 Основные свойства перехода

ВАХ перехода:

Основные свойства перехода:

-Одностороння проводимость: дрейфовый ток в обратной ветви пренебрежимо мал по сравнению с диффузным током в прямой.

-Зависимость сопротивления от внешних факторов: приложенного напряжения, освещенности, магнитного или электрического поля, температуры и давления.

-Зависимость от частоты и емкости: емкость зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Если оно прямое, это диффузная емкость, обратное, то барьерная.

-Пробой : это резкое возрастание обратного тока, даже при незначительном увеличении обратного

напряжения, сверх определенного значения. Бывают электрические восстанавливаемые (лавинный и туннельный) и тепловой невосстанавливаемый

электроника Стр.2

1.5 Диффузия и дрейф в p-n переходе

Диффузия – перемещение свободных носителей заряда в области их большей концентрации к области меньшей.

Диффузный ток – ток основных носителей заряда, образованный прямым смещением. Дрейф – направленной движение носителей под действием электрического поля. Дрейфовый ток – ток неосновных носителей, образованный обратным смещением.

При прямом смещении: диффузионный ↑, дрейфовый ↓ При обратном: диффузионный ↓, дрейфовый ↑

Диффузия через переход происходит вследствие прямого смещения, из-за чего происходит снижение потенциального барьера, который препятствует прохождению основных носителей. Приложенное внешнее поле компенсирует внутреннюю напряженность перехода, потенциальный барьер снижается и основные носители заряда свободно проникают в область противоположный проводимости.

В обратной ветви потенциальный барьер препятствует перемещению основных носителей тока, но неосновные пропускает. Они имеют энергию теплового происхождения, дрейфуют к переходу, захватываются его электрическим полем.

Ток может быть электронным или дырочным в зависимости от того, кем было вызвано движение. Дрейфовый ток пренебрежимо мал по сравнению с диффузным, потому переход обладает односторонней

проводимостью.

1.6 Прямое и обратное смещение перехода

Приложение внешнего напряжения к переходу, при котором потенциал p области становится положительным относительно n. Внешнее поле направленно против внутреннего поля, что приводит к уменьшению барьера, резкому увеличению диффузии основных носителей. Так, через переход течет большой прямой ток, экспоненциально растущий с увеличением напряжения.

Приложение внешнего напряжения, при котором потенциал n области становится положительным относительно p. Внешнее поле со направлено со внутренним, увеличивается ширина обедненного слоя. В идеале ток равен 0, сопротивление очень велико.

1.7 Зависимость сопротивления p-n перехода от внешних факторов

Зависимость сопротивления от внешних факторов: приложенного напряжения, освещенности, магнитного

электроника Стр.3

или электрического поля, температуры и давления.

Зависимость перехода делает его незаменимым при разработке различных датчиков. Эта сфера активно

развивается, элементы уменьшаются, датчики дешевеют и становятся более удобными. Например, для

создания термометров используют зависимость сопротивления перехода от температуры

1.8 Пробой перехода

Пробой – резкое возрастание обратного тока (даже при малом увеличении обратного напряжения) сверх определенного значения. Бывают восстанавливаемые электрические и невосстанавливаемые тепловые.

Электрический связан со значительным увеличением электрического поля в переходе. Бывает 2 видов: Туннельный пробой возникает в узких переходах (высокая концентрация примесей) из-за туннельного эффекта, когда под воздействием сильного поля носители переходят из одной области в другую не затрачивая энергию. Вообще, туннельный эффект – преодоление носителями заряда потенциального барьера, когда их полная энергия меньше высоты барьера.

Лавинный пробой возникает в широких переходах. В сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов перехода. Носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника, выбить электроны из ковалентных связей. Образуется пара электрон-дырка, которая продолжит ионизацию.

Тепловой пробой возникает когда энергия, выделяемая в переходе при прохождении через него обратного тока, превышает энергию, которую переход способен рассеять. Происходит перегрев, и обратный ток (который является тепловым), резко возрастает, а перегрев увеличивается.

Электрический пробой не опасен для прибора, при отключении источника вентильные свойства перехода быстро восстанавливаются. А в тепловом пробое происходит разрушение кристалла.

электроника Стр.4

1.9 Уравнение идеального диода Шокли

Уравнение Шокли:

Коэффициент идеальности обычно опускается. В среднем он варьируется от 1 до 2. Ток обратного насыщения не постоянная величина и зависит от температуры.

При обратном смещении экспоненциальный член близок к 0, потому величина тока через диод близка к обратному. При умеренных напряжениях прямого смещения экспоненциальное значение становится

сильно больше 1, т.к. тепловое напряжение по сравнению с ним очень мало. В этом случае можно пренебречь -1.

1.10 Теоретическая и реальная ВАХ p-n перехода

Теоретическую ВАХ описывают через уравнение Шокли, оно моделирует экспоненциальную зависимость тока от напряжения при умеренном постоянном токе.

Реальная ВАХ учитывает пробои, утечки, сопротивление базы (отклонение на прямой ветви) и прочее.

электроника Стр.5

1.11 Переход полупроводник-металл. Работа выхода электронов

При определенных условиях в переходе полупроводник-металл может появится потенциальный барьер. Обычно он называется барьер Шоттки.

Работа выхода электрона – это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы он смог покинуть твёрдое тело.

Если работа выхода у электронов металла выше, чем у полупроводника, то преобладает перемещение из полупроводника в металл. Металл заряжается отрицательно, а оставшиеся ионы создают в его приграничном слое положительный потенциал, что создает барьер. Т.к. здесь не происходит процесса рекомбинации, то он ток возрастает быстрее.

2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ. ДИОДЫ

2.1 Диод общего назначения: УГО, назначение, характеристики, теоретическая и реальная ВАХ, прямое и обратное смещение, принцип работы, разновидности

Диод – пассивный нелинейный двухполюсник. Полупроводниковые диоды являются простейшими полупроводниковыми приборами. Их работа основана на p-n переходе. Они имеют 2 выводы: анод от p и катод от n.

электроника Стр.6

Назначение диодов пропускать ток только в одном направлении (анод → катод), т.е. низкое сопротивление в прямом направлении и высокое в обратном.

Основные характеристики: это относится к выпрямительным я уточню на консульте че писать тут

-Допустимое Uобр, которое диод может выдержать без нарушения работоспособности

-Средний прямой ток Iпр.ср – наибольшее допустимое значение постоянного тока, протекающего в прямом направлении

-Максимально допустимый импульсный прямой ток Iпр (?)

-Средний обратный ток Iобр.ср – среднее за период значение обратного тока

-Среднее прямое напряжение Uпр.ср – падение напряжения на открытом диоде

-Средняя рассеиваемая мощность Pср.д – средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде при выпрямлении переменного тока

-Дифференциальное сопротивление rдиф = Uпр.ср/ Iпр.ср

ВАХ диода определится ВАХ p-n перехода. При подаче к диоду прямого напряжения диод открыт и пропускает прямой ток, при том падение на нем очень мало. При обратном напряжении диод заперт, и если оно не достигает значения Uобр.max, то через диод протекает пренебрежимо малый обратный ток. Иначе возникает пробой и обратный ток резко возрастает.

Разновидность диодов:

Еще есть импульсные диоды, у которых ширина перехода сильно меньше, потому переходные процессы в них проходят достаточно быстро. Они используются как ключи в импульсной технике.

электроника Стр.7

2.2 Диод общего назначения: дифференциальное сопротивление, диффузионная и барьерная ёмкости, тангенс угла отсечки

Одним из самых важных параметров перехода (т.е. диода) – дифференциальное сопротивление. Физически это сопротивление элемента, оказываемое против протекания слабого переменного тока. (Малое переменное напряжения часто используется как тестовое, так что это удобный параметр для оценки возможностей элемента или цепи).

Его можно измерить, если вместе с постоянным напряжением к элементу приложить малое переменное с амплитудой U и частотой f и регистрировать величину протекающего тока I. Тогда, по закону Ома:

Т.к. полупроводниковые диоды строятся на базе p-n перехода, то ему характерны те же свойства. При рассмотрении их дифференциального сопротивления рассматривается только прямая ветвь ВАХ (но для стабилитрона это обратная ветвь).

Емкость перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. Если приложено прямое то используют зависимость диффузионной емкости от приложенного напряжения, иначе – барьерной.

Прямое смещение перехода сужает обедненную область, а обратное – расширяет. По аналогии с обкладками конденсатора: чем меньше расстояние, тем больше емкость.

В высокочастотных схемах нельзя пренебрегать этой емкостью, т.к. она может ограничить полосу сигнала.

электроника Стр.8

Емкость не всегда плохо, например, на ней делают варикап. Но емкость в любом случае преобразовывает

сигнал на диоде.

Осторожно дикпик, уточню на консульте Консульта не было Василь Тагирович принял ислам делайте с этим че хотите

Рассмотрим выпрямитель со входным сигналом Umsin(ωt) и напряжение смещения U0. Диод открывается, когда мгновенное значение входного напряжения превышает порог открывания. Из условия открывания:

Umcosθ = U0. Отсюда: θ = arccos(U0/Um). Где θ – половина времени открытого состояния.

Вообще, угол отсечки θ – половина фазового угла, в течение которого ток через диод протекает в течение одного периода гармонического сигнала. Нужен он, чтобы считать гармонические характеристики тока: постоянные составляющие, амплитуды гармоник, а также КПД выпрямителя или усилителя.

2.3 Диод Шоттки

Диод Шоттки – диод, в основе которого лежит переход металл-полупроводник (см 1.11). Он имеет значительно меньшее падение напряжения, а значит и меньшую рассеиваемую мощность. Особенность диода Шоттки – отсутствие проникновения неосновных носителей из металла в полупроводник, что

значительно повышает быстродействие. Т.е. нет процесса рекомбинации, а значит он быстро переключается.

У диодов Шоттки меньше емкость, т.к. нет накопления неосновных носителей. Это повышает их рабочую частоту.

На их основе делают выпрямители, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, имеющие лучшие частотные свойства.

2.4 Диоды: германиевый, кремниевый, Шоттки. ВАХ(на одной координатной плоскости), особенности, отличия, области применения

Германиевый и кремневый диоды отличаются материалом, в которые вводят примеси (невероятно). В их основе лежит p-n переход, в отличие от диода Шоттки, который сделан на металл-полупроводнике.

Мне не удалось толком понять кто левее германий или Шоттки, но предположительно ВАХ германиевого, кремниевого диодов и диода Шоттки:

электроника Стр.9

Германиевые диоды применяются как детекторы слабых сигналов в радиоприемниках, для схем с малым

напряжением питания, датчиках температуры и в качестве фотодиодов.

Кремниевые диоды применяются как выпрямители тока, стабилизаторы напряжения, в качестве варикапов, для модуляции сигналов и как датчики температуры, а также в импульсных схемах.

На основе диода Шоттки делают выпрямители, импульсные и сверхвысокочастотные полупроводниковые диоды, имеющие лучшие частотные свойства.

2.5 Стабилитрон (диод Зенера)

Стабилитрон – диод, использующий участок ВАХ перехода соответствующий обратному электрическому пробою. Ему свойственна неизменность падения напряжения при изменениях в несколько раз тока. Это позволяет использовать стабилитрон в качестве источников опорного напряжения, а также как стабилизаторов напряжения при небольших мощностях.

Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор R0, ограничивающий ток Iст, который является обратным для p-n структуры диода. При изменении Uвх

меняются ток Iст и падение этого тока на R0. Значения Iст и его изменений зависят от пересечения ВАХ

стабилитрона с прямыми, проведенными под углом arctgR0 от точек Uобр, Uвх и Uст.

Для определения дифференциального сопротивления стабилитрона используется обратная ветвь ВАХ. Его

можно посчитать по формуле: rдиф = Uст/ Iст Основные параметры стабилитрона:

-Напряжение стабилизации Uст

-Минимальный (возникает электрический пробой) и максимальный (рассеиваемая мощность не превышает допустимого значения) токи стабилизации

-rдиф

-Максимальная рассеиваемая мощность Pmax при которой не возникает тепловой пробой

электроника Стр.10