Физические основы электроники. Транзисторы. Гальваномагнитные и термоэлектрические приборы. Оптоэлектронные приборы. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
А.Д. БЯЛИК, А.В. КАМЕНСКАЯ
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ТРАНЗИСТОРЫ
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
НОВОСИБИРСК
2017
1
УДК 621.382(075.8) Б 994
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент А.С. Бердинский канд. техн. наук, доцент И.С. Савиных
Бялик А.Д.
Б 994 Физические основы электроники. Транзисторы. Гальваномагнитные и термоэлектрические приборы. Оптоэлектронные приборы : учебное пособие / А.Д. Бялик, А.В. Каменская. – Новосибирск :
Изд-во НГТУ, 2017. – 92 с. ISBN 978-5-7782-3223-5
Работа подготовлена на кафедре полупроводниковых приборов
и микроэлектроники для студентов II курса факультета РЭФ направлений подготовки 11.03.04 – Электроника и наноэлектроника, 28.03.01 – Нанотехнологии и микросистемная техника
Бялик Александр Давидович Каменская Анна Викторовна
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
ТРАНЗИСТОРЫ
ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Учебное пособие
Редактор И.Л. Кескевич
Выпускающий редактор И.П. Брованова
Корректор И.Е. Семенова
Дизайн обложки А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Л.А. Веселовская
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП)
___________________________________________________________________________________
Подписано в печать 29.05.2017. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 5,34. Печ. л. 5,75. Изд. № 143. Заказ № 753. Цена договорная
___________________________________________________________________________________
Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
|
УДК 621.382(075.8) |
ISBN 978-5-7782-3223-5 |
Бялик А.Д., Каменская А.В., 2017 |
|
Новосибирский государственный |
|
технический университет, 2017 |
2
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
A – работа выхода
C – электрическая емкость с – скорость света в вакууме
D– коэффициент диффузии d – длина, расстояние
E– напряженность электрического поля, энергия
Eg , E – ширина запрещенной зоны
Eд |
– энергия ионизации донорной примеси |
FЛ |
– сила Лоренца |
f |
– частота, функция |
G |
– скорость оптической генерации |
g |
– фактор вырождения |
h |
– толщина, постоянная Планка |
I |
– электрический ток |
IS ,I0 |
– ток насыщения |
IG |
– ток термогенерации |
i– мгновенное значение тока J – интенсивность излучения
j– плотность тока
KU |
– коэффициент усиления по напряжению |
k |
– постоянная Больцмана |
L |
– индуктивность, диффузионная длина носителей заряда, |
|
длина, расстояние |
Ln |
– диффузионная длина электронов |
Lp |
– диффузионная длина дырок |
l – длина, расстояние
М– коэффициент лавинного умножения
3
m |
– эффективная масса |
m* |
– эффективная масса электрона |
n |
|
m*р |
– эффективная масса дырки |
N |
– число частиц, концентрация легирующей примеси |
NV |
– эффективная плотность состояний в валентной зоне |
NC |
– эффективная плотность состояний в зоне проводимости |
N А |
– концентрация акцепторов |
NД |
– концентрация доноров |
n |
– концентрация электронов, показатель преломления |
n0 |
– равновесная концентрация электронов |
ni – собственная концентрация электронов |
|
P |
– мощность |
p |
– концентрация дырок |
p0 |
– равновесная концентрация дырок |
pi |
– собственная концентрация дырок |
q |
– заряд |
R |
– активное сопротивление, коэффициент отражения |
Rн |
– сопротивление нагрузки |
RХ |
– коэффициент Холла |
r |
– радиус |
S– площадь, крутизна передаточной характеристики, чувствительность
T– температура
t – время
U – разность потенциалов, электрическое напряжение Uпроб – напряжение пробоя
Uпор – пороговое напряжение
UХ – ЭДС Холла
V – объем, электрическое напряжение, ЭДС
u– скорость v – скорость
4
w– толщина базы, число витков
x– расстояние
z– расстояние, полное сопротивление
– коэффициент передачи по току (для БТ с ОБ), коэффициент
поглощеният – относительная термоЭДС
β– коэффициент передачи по току (для БТ с ОЭ)
γ – удельная проводимость, эффективность эмиттера
δ– толщина, электронно-дырочного перехода
ε– относительная диэлектрическая проницаемость
0 – электрическая постоянная
– квантовый выход
λ– длина волны
μ – относительная магнитная проницаемость, подвижность носителей заряда
n |
– подвижность электронов |
p |
– подвижность дырок |
ρ – удельное сопротивление, плотность
σ– удельная проводимость
τ |
– время жизни носителей заряда |
φ |
– фазовый сдвиг, потенциал |
к |
– контактная разность потенциалов |
Т |
– тепловой потенциал |
5
НЕКОТОРЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПОСТОЯННЫЕ
1.Скорость света в вакууме, c 2,998 108 м/с
2.Заряд электрона, q 1,602 10 19 Кл
3.Масса покоя электрона, mn 9,109 10 31 кг
4.Масса покоя протона, mP 1,673 10 27 кг
5.Постоянная Планка, h 6,626 10 34 Дж ∙ с
6.Приведенная постоянная Планка ћ = h/(2 ∙ π) = 1,055 10 34 Дж ∙ с
7.Постоянная Больцмана, k 1,381 10 23 Дж/К
8.Число Авогадро, NА 6,023 1023 1/моль
9.Электрическая постоянная, 8,849 10 12 Ф/м
10.Магнитная постоянная, 0 1,257 10 6 Гн/м
11.Тепловой потенциал (при T = 300 К), Т = kT/q = 0,0258 В
6
ВВЕДЕНИЕ
Материал настоящего учебного пособия составлен таким образом, чтобы способствовать закреплению у студентов теоретических знаний, а также выработке навыков в решении инженерных задач.
Данное учебное пособие является продолжением задачника «Элементная база электроники» авторов А.Д. Бялика и А.В. Каменской, вышедшего в издательстве НГТУ в 2016 году, поэтому нумерация глав в учебном пособии начинается с цифры 5.
При решении задачи необходимо прежде всего установить, какие физические закономерности лежат в ее основе. Затем с помощью формул, выражающих эти закономерности, следует найти решение задачи или ее части в общем виде (т. е. в буквенных обозначениях), причем искомая величина должна быть выражена через заданные величины. После этого можно перейти к подстановке числовых данных, обязательно выраженных в одной и той же системе единиц. Рекомендуется пользоваться единицами системы СИ. Числовой ответ непременно должен иметь размерность.
В некоторых задачах для нахождения искомых величин приходится решать систему достаточно громоздких уравнений. В этом случае целесообразно сначала подставить в эти уравнения известные числовые коэффициенты, а затем находить искомые величины.
Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать с точностью до второго-третьего знака после запятой. Это обычно определяется точностью представления исходных данных.
Полученное в виде числового ответа решение необходимо проверить каким-либо способом. Полезно оценить результат, сначала вычислив его приближенно путем округления значений до удобных для вычисления.
Некоторые задачи можно решить несколькими методами, что позволяет сделать вывод о том, какие из них наиболее рациональны.
7
Всегда следует считать лучшим тот метод решения, который проще, т. е. требует меньшего числа действий.
В заключение кратко перечислим основные рекомендации, следование которым поможет существенно облегчить решение инженерных задач.
1.Необходимо обращать внимание на все без исключения слова в условии, поскольку при наличии или отсутствии каких-либо, на первый взгляд, малосущественных ограничений ощутимо упрощается решение.
2.Перед решением задачи желательно выписать все известные и относящиеся к решению законы и формулы.
3.Перед решением сложной и непонятной задачи необходимо попытаться сначала свести задачу к более частной и, как правило, к более простой.
4.Для удобства интерпретации условия задачи и поиска решения полезно делать соответствующие рисунки и чертежи, желательно как можно более крупными, в натуральную величину или в масштабе. Имеющиеся в условии чертежи достраивать до удобных.
5.Число уравнений должно соответствовать количеству неизвестных по ходу решения. При необходимости нужно вводить новые неизвестные.
6.Если сразу после прочтения условия задачи возможные пути решения задачи с первого взгляда не очевидны, необходимо сначала формально записать все возможные уравнения, которые могут привести к решению.
7.Необходимо помнить, что в конечных формулах должны присутствовать только буквы (данные), которые описываются в условии как известные, плюс общеизвестные константы. Если условие задачи составлено корректно, то в одном из вариантов решения должны присутствовать все известные по условию данные. Если это не так, то либо вариантов решения несколько, либо (что вероятнее) задача решена неверно.
8.Всякое решение необходимо проверить на здравый смысл, на предельные и частные случаи, на размерность и на порядки.
8
РАЗДЕЛ 5
ТРАНЗИСТОРНЫЕ СТРУКТУРЫ
5.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Транзистор – это элемент полупроводниковой электроники, предназначенный для усиления и преобразования электрического тока.
Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами, свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда [1–3].
Основные закономерности физических процессов, протекающих в биполярном транзисторе можно описать в рамках простейшего приближения, когда его структура разбивается на ряд характерных зон: области пространственного заряда и квазиэлектронейтральные области эмиттера, базы и коллектора. Многие физические процессы можно описать качественно и количественно, использовав лишь одномерное приближение, когда учитывается движение носителей заряда вдоль одной оси координат, перпендикулярной плоскостям р–n-пе- реходов [2].
Работа биполярного транзистора (БТ) основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника. В зависимости от типа легирующих примесей в этих областях различают транзисторы типа n–р–n и р–n–р. Каждый из р–n-переходов может быть смещен как в прямом, так и в обратном направлении. Четыре возможные комбинации их смещения образуют четыре возможных режима работы БТ. В активном нормальном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Существуют три схемы
9
включения БТ. Если в схеме общим выводом является эмиттер, то это схема с общим эмиттером (ОЭ), если общим является вывод базы, то это будет схема с общей базой (ОБ), по аналогии определяется схема с общим коллектором (ОК) [4].
Физические процессы в биполярном транзисторе можно описать системой уравнений, которая представляет собой математическую модель транзистора [2]. Для ее построения необходимо получить уравнения, связывающие токи транзистора с приложенными к р–n-переходам внешними напряжениями.
Согласно упрощенной эквивалентной схеме коэффициент передачи тока одномерной теоретической модели биполярного транзистора можно представить в виде [3]
п *M ,
где γ – эффективность эмиттера; п – коэффициент переноса; * –
эффективность коллектора; M – коэффициент лавинного умножения. В биполярном транзисторе (например бездрейфовом, структуры
n–p–n) плотность тока неосновных носителей заряда jn (электронов) в
p-базе, текущих от эмиттера к коллектору, при низком уровне инжекции определяется диффузией электронов:
jn qDn dndx .
Для того чтобы определить составляющие токов эмиттера и коллектора, связанные перемещением неосновных носителей заряда (ННЗ), необходимо найти распределение концентрации ННЗ в базе, которое определяется решением дифференциального уравнения вида ННЗ:
d 2n n np0 0, dx2 L2n
где Ln – диффузионная длина электронов в базе.
Граничными условиями при решении этого уравнения для низкого уровня инжекции являются условия Шокли [3, 6].
10