Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
11
Кроме этого, можно построить зависимость комплексного коэффициента усиления от частоты — диаграмму Боде. При проведении этого анализа нелинейные модели компонентов автоматически заменяются линейными моделями, параметры которых
рассчитываются программой в зависимости от режима по постоянному току. На рис. 1.3 приведены АЧХ операционного
усилителя, охваченного цепью отрицательной обратной связи.
Рис. 1.3. АЧХ операционного усилителя
При обработке графиков и проведении измерений коорди-
нат произвольной точки в системе Micro-Cap предусмотрен электронный курсор, который становится активным при нажатии клавиши F8. При включении этого режима в точках пересечения активного графика появляются «квадратики», которые способны
перемещаться при нажатии левой и правой кнопки мышки. Перемещение курсоров по выбранным графикам осуществляется не
только с помощью кнопок мыши, но и стрелками клавиатуры.
Внизу каждого окна графиков располагается таблица, число строк
которой равно числу построенных графиков плюс одна строка, в
которой размещаются значения независимой переменной, откладываемой по оси X (например, время, частота). В колонках таблицы располагается следующая информация:
– имя переменной, выведенной на график;
– Left — значение переменной, помеченной левым курсором;
– Right — значение переменной, помеченной правым кур-
сором;
– Delta — разность значений координат курсоров;
– Slope — тангенс угла наклона прямой, соединяющей два
курсора.
12
Режим электронного курсора позволяет анализировать по-
лученные результаты по числовым значениям, отображаемым в
этой таблице.
Рассмотренные виды анализа обладают рядом дополни-
тельных возможностей. Во всех этих видах анализа в системе
Micro-Cap можно проводить многовариантный расчет Stepping,
в ходе которого оказывается возможным строить семейства характеристик схемы или полупроводникового прибора при изменении одного из параметров. При реализации режима многовариантного расчета изменяется значение одного или нескольких
параметров и запускается соответствующий режим анализа.
В перечень варьируемых параметров входят:
– атрибуты VALUE компонентов, (например, сопротивле-
ние резистора или емкость конденсатора);
– параметры моделей активных компонентов (например,
коэффициент передачи тока базы BF);
– символьные переменные, определенные в текстовой об-
ласти директивами .DEFINE и .PARAM.
Рис. 1.4. Многовариантный анализ АЧХ
На рис. 1.4 приведено семейство АЧХ LC-колебательного
контура, полученное в режиме многовариантного анализа при
изменении номинальных значений конденсатора, задающего
частоту резонанса.
13
2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
2.1. Электропроводность беспримесных
и примесных полупроводников
Физическую модель полупроводника описывает зонная
теория, основу которой составляют известные постулаты физики твердого тела о движении электронов атомного ядра на дискретных орбитах, определяемых энергией электрона (разрешенных энергетических уровнях). Такие электроны удерживаются
на орбите и не могут свободно передвигаться, то есть являться
носителями тока. При внешнем энергетическом воздействии
электрон может приобрести дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы покинуть орбиту и стать свободным.
Свободные электроны появляются под действием электрохимического потенциала или градиента электрического поля.
В твердом теле разрешенные энергетические уровни отдельных электронов образуют разрешенные зоны, состоящие из
дискретных уровней отдельных электронов. Разрешенные зоны
разделены друг от друга запрещенными зонами. Проводимость в
твердом теле возможна лишь при переходе электрона на ближайший более высокий разрешенный энергетический уровень.
Такие уровни имеются в верхней части разрешенной зоны, которая называется зоной проводимости. Нижняя часть разрешенной зоны полностью заполнена электронами и называется валентной зоной. Электропроводность полупроводника определяется взаимодействием этих двух зон.
В беспримесном полупроводнике при температуре абсолютного нуля все уровни валентной зоны заняты, а зоны проводимости свободны, свободных носителей зарядов нет, и электропроводность равна нулю. При повышении температуры
(Т > 0 ºК) отдельные электроны приобретают энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости, в
которой электрон может двигаться под воздействием электрического поля (рис. 2.1).
При уходе из валентной зоны электрона освобождается
разрешенный уровень, который может быть занят соседним
электроном валентной зоны, то есть появляется возможность
движения свободных зарядов и валентной зоне. Поэтому в ре-
14
зультате акта перехода одного электрона из валентной зоны в
зону проводимости в полупроводнике появляются два свободных носителей заряда-электрон (n) в зоне проводимости и свободный уровень в валентной зоне — дырка (p). В собственном
полупроводнике число свободных электронов (ni) и число дырок
(pi) равны между собой.
Рис. 2.1. Диаграмма уровней собственного полупроводника
Число свободных носителей, возникающих при Т > 0 ºК,
определяется плотностью разрешенных уровней в каждой зоне и
вероятностью нахождения электрона на определенном уровне и
подчиняется соотношению:
3/2
з
φ
exp( )
2φ
ii
Т
n p A T= =
,
(2.1)
где А — коэффициент, учитывающий свойства материала;
з
φ
—
ширина запрещенной зоны в вольтах (
з
φ 0, 66B=
— для германия,
з
φ 1,12B=
— для кремния);
φ
Т
— температурный потенциал:
φ
Т
кТq
=
,
(2.2)
где
19
1,602 10q−=
Кл — заряд электрона;
23
1,38 10k−=
Дж/(Вт Гц) —
постоянная Больцмана.
Зона проводимости
Е
Запрещенная зона
Валентная зона
F
15
При комнатной температуре
φ 0, 026B
Т
. Из экспоненци-
альной зависимости (2.1) вытекают следствия:
− электропроводность собственного полупроводника
весьма сильно зависит от ширины запрещенной зоны (при комнатной температуре электропроводность кремния в 10
3
меньше
электропроводности германия);
− электропроводность собственного полупроводника
весьма сильно зависит от температуры;
− при комнатной температуре электропроводность соб-
ственного полупроводника мала, что затрудняет создание сильноточных полупроводниковых приборов без использования
примесных материалов.
Инициировать электропроводность собственного полупроводника можно не только при его нагреве, но и за счет других энергетических воздействий: оптического, механического,
электрического поля высокой напряженности. На основе таких
воздействий реализован ряд специальных полупроводниковых
приборов: терморезисторы, фоторезисторы, тензорезисторы,
варисторы. Эти приборы меняют свое сопротивление (электропроводимость) под воздействием одного из перечисленных
энергетических воздействий и, таким образом, выполняют преобразование температуры, освещенности, механической деформации, напряженности электрического поля в электрическое
сопротивление.
Электропроводность
примесных полупроводников
Внедрение в полупроводник относительно небольших
объемов примесных материалов позволяет существенно увеличить электропроводность уже при комнатной температуре. При
этом различают донорные и акцепторные примеси.
Донорная примесь
Материал этой примеси выбирают таким, чтобы разрешенные уровни ее электронов находились вблизи «дна» зоны
проводимости (рис. 2.2).
16
Рис. 2.2. Диаграмма уровней полупроводника
с донорной примесью
Вероятность перехода электронов примеси в зону проводимости при комнатной температуре резко увеличивается по
сравнению с электронами валентной зоны. Свободные носители
в зоне проводимости в основном будут обусловлены электронами примеси — их число будет намного больше дырок в валентной зоне. Такой полупроводник называется электронным или
n-типа. Электроны в таком полупроводнике представляют собой
основной тип носителей (
n
n
), а дырки — неосновной тип (
p
p
),
при этом:
np
np
.
(2.3)
В отличие от электронов, уходящих из валентной зоны,
электроны примеси, перешедшие в зону проводимости, дырок
не образуют, поскольку при малой концентрации примеси расстояние между её атомами настолько велико, что переход электрона от одного атома примеси на освободившийся уровень у
другого атома становится невозможным, поэтому атом примеси,
потерявший электрон, становится положительно заряженным
ионом, не способным передвигаться в твердом теле.
Концентрация носителей в примесном полупроводнике
подчиняется соотношению:
2
np
i
n p n=
.
(2.4)
φ
F
Зона проводимости
Уровень
примеси
Запрещенная зона
Валентная зона
17
Из соотношения (2.4) следует, что увеличение объема
примеси, с одной стороны, приводит к увеличению числа основных носителей заряда, но, с другой стороны, возрастает вероятность их рекомбинации, когда электроны из зоны проводимости возвращаются на свободные уровни примеси, деионизируя ее ионы. В результате этих процессов наступает равновесие,
определяемое соотношением (2.4).
При повышении температуры число свободных электронов, образовавшихся при ионизации примеси, остается практически неизменным, а число электронов, переходящих из валентной зоны, как и в случае собственного полупроводника, экспоненциально нарастает. Поскольку число атомов исходного полупроводника на несколько порядков превышает число атомов
примеси (например, 99,999 % атомов полупроводника и 0,001 %
атомов примеси), число «собственных» электронов в зоне проводимости становится много больше числа электронов от примеси. В полупроводнике снова устанавливается равновесие свободных электронов и дырок, примесный характер проводимости
при этом практически исчезает. Такой полупроводник называется вырожденным. Поскольку примесный характер проводимости является главным фактором в работе основных полупроводниковых приборов, критическая температура при которой происходит вырождение, является одним из основных параметров
полупроводника. По значению критической температуры германий (≈ 80 ºС) значительно уступает кремнию
(≥ 150 ºС) и арсенид галлию (≥ 200 ºС).
Важное значение в теории электропроводности полупроводника играет понятие уровня Ферми. Уровень Ферми — это
сумма химического потенциала, обеспечивающего диффузию
носителей заряда в объеме твердого тела и электрического потенциала, обеспечивающего дрейф носителей. Движение носителей заряда возможно лишь при наличии градиента либо химического или электрического потенциала. В равновесном состоянии, когда направленное движение носителей заряда в твердом
теле отсутствует, градиент уровня Ферми равен нулю, при этом
φ
F
const=
. Уровень Ферми является функцией концентрации
свободных носителей заряда и для полупроводника n-типа проводимости определяется выражением:
18
0
lnφ φ φ
FT
i
n
n
= +
,
(2.4)
где
0
φ
— потенциал середины запрещенной зоны.
Для собственного полупроводника уровень Ферми равен
значению потенциала середины запрещенной зоны:
0
φφ
F
=
.
(2.5)
Для электронного полупроводника уровень Ферми перемещается выше середины запрещенной зоны:
0
φφ
F
.
(2.6)
Акцепторная примесь
Уровни этой примеси располагаются близко к потолку валентной зоны (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Диаграмма уровней полупроводника
с акцепторной примесью
Электроны валентной зоны ионизируют атомы примеси,
создавая свободные носители заряда — дырки, количество которых значительно превышает число электронов:
pn
pn
.
(2.7)
φ
F
Зона проводимости
Уровень
примеси
Запрещенная зона
Валентная зона
19
Такой полупроводник называется дырочным, или p-типа.
Уровень Ферми у него лежит ниже середины запрещенной зоны:
0
lnφ φ φ
FT
i
n
n
= −
,
(2.8)
2.2. Принцип действия диода
Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный
прибор (рис. 2.4, а), основу которого составляет p-n-структура,
состоящая из областей p-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом (рис. 2.4, б).
а) б)
Рис. 2.4. Полупроводниковый диод:
а — условное обозначение; б — структура
При изготовлении диодов используют примесные полупроводники с существенно различной концентрацией основных
носителей. Например, концентрация электронов в n-области
может быть во много раз больше, чем их концентрация в
p-области, где они служат неосновными носителями заряда. Область n (эмиттер) и область р (база) с помощью электродов соединяются с металлическими выводами, благодаря которым диод включается в электрическую цепь. Вся p-n-структура заключается в стеклянный, металлический, пластмассовый или керамический корпус или опрессовывается специальной смолой.
В отсутствие приложенного к полупроводниковому диоду
напряжения электроны из n-области диффундируют в область
их низкой концентрации — p-область, где происходит их рекомбинация с дырками акцепторов, что приводит к образованию
пространственного (объемного) отрицательного заряда ионизи-
АНОД
КАТОД
p
n
20
рованных атомов акцепторов, не скомпенсированного положительным зарядом дырок — основных носителей заряда в этой
области. Одновременно происходит диффузия дырок в
n-область, в результате чего возникает нескомпенсированный
зарядом электронов пространственный положительный заряд
ионов доноров. Таким образом, между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда,
обедненный основными носителями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и n-областями. Его называют потенциальным ба-
рьером, а его величину
0
φ
— высотой потенциального барьера.
На рис. 2.5 приведена энергетическая диаграмма p-n-перехода.
Рис. 2.5. Энергетическая диаграмма p-n-перехода
Потенциальный барьер создает поле, препятствующее переходу основных носителей заряда (электронов) из n-слоя в
p-слой и одновременно создающее ускорение для неосновных
носителей (дырок). Искривление энергетической диаграммы
(рис. 2.5) происходит в приграничной области шириной порядка
микрона (2x). Эта область обладает высоким сопротивлением
по сравнению с другими участками n- и p-слоев и называется
p-n-переходом.
p-cлой
n-cлой
φ
F
0
φ
x
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]