Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика полупроводниковых систем. Основные понятия
.pdf
Нелинейные свойства конденсированных систем 251
PSfrag replacements
PSfrag replacements
# Измерение спонтанной поляризованности диэлектриков
1. Схема Сойера – Тауэра (рис. 1, а) измерения зависимости
электрической индукции D = εE = ε0E + P от напряженности
электрического поля E в заполняющем плоский конденсатор C
сегнетоэлектрическом образце толщиной L. Спонтанную поляризо-
ванность Psнаходят, из петли гистерезиса (рис. 1, б); U = U1+ U2.
+P
c
D
s
E = U1/L
0
+E
c
−P
s
а) б)
O
U
U
1
U
+Q
C
s
−Q
+Q
2
−E
−Q
Рис. 1. а) Электрическая схема. б) D(E) на экране осциллографа O
2. Плоский сегнетоконденсатор соединяют
с гальванометром G и погружают в инертную
жидкость (рис. 2). Гальванометр регистрирует электрический ток по его магнитному дей-
G
I
p
Cs= εA/L
ствию. Увеличение температуры T масла с постоянной во времени t скоростью dT /dt = K
вызывает изменение Ps, что приводит к возникновению пироэлектрического тока плотностью
Jp= Ip/A. Величина Jpдостигает максимума
перед самой температурой Кюри TC, а затем
уменьшается до нуля. В итоге имеем:
Z
Jp=
dP
dt
dP
s
=
s
dTdTdt
= K
dP
dT
s
, Ps=
K
T
1
JpdT.
T
C
3. Если через баллистический гальванометр (BG) разрядить сегнетоконденсатор Cs, то
стрелка гальванометра будет колебаться с затуханием во времени (рис. 3). Максимальное
Масло
+Q
C
s
−Q
A
L
A
√
A
Рис. 2
BG
Рис. 3
отклонение θpстрелки пропорционально прошедшему через BG
заряду Q = qθp, где коэффициент q находят из калибровки. Образец, поляризованный при определенной температуре T соединяют
с гальванометром и погружают в масло, нагретое выше температуры Кюри TC. При исчезновении спонтанной поляризованности
Psвыделяется заряд Q = PsA, который находят по величине θp.
Повторяя измерения при различных температурах поляризации сегнетоэлектрика, можно найти температурную зависимость Ps.
s
252 Глава 13
# Поляризация диэлектриков
Если диэлектрик поместить между обкладками конденсатора
и создать на них в момент времени t = 0 разность электрических
потенциалов U , то в цепи возбуждается переменный зарядный ток
I (t), который создается процессами образования электрических ди-
польных моментов (рис. 1). При этом заряд Q на электродах имеет
такой знак, что происходит нейтрализация зарядов диполей.
I
+Q
+
U
−
A
−
+
−
+
Рис. 1. Схема измерения поляризационного заряда
−
−
+
+
−
−
+
+
−Q
Электрод
−
+
Диэлектрик
−
+
Диполь
I
Z
∞
Q =
I (t) dt
0
t0
Четыре вида поляризации индуцируются электрически полем:
электронная, ионная, дипольная (ориентационная) и миграционная (поляризационная за счет перемещений носителей заряда в
пределах кристаллических зерен или включений другой фазы внутри диэлектрика). У пьезоэлектрических кристаллов поляризация
возникает и в случае приложения механического напряжения растяжения-сжатия или сдвига. Поляризацию, которая имеет место
в отсутствие внешнего электрического поля или механического
напряжения, называют спонтанной. При изменении температу-
ры кристалла, обладающего спонтанной поляризацией, изменяются состояния колебаний атомов и поляризованность, что вызывает
появление зарядов на поверхности кристал-
1
2
ла и разности потенциалов между противоположными гранями (пироэлектриче-
ский эффект). Механическое воздействие
3
4
на пироэлектрический кристалл изменяет
состояние его поляризации, поэтому он
проявляет и пьезоэлектрические свойства.
Изменение направления спонтанной поля-
Рис. 2. Ареал кристаллических диэлектриков
(1): отношения между
пьезоэлектриками (2),
пироэлектриками (3) и
сегнетоэлектриками (4)
ризации под действием внешнего электрического поля характерно для сегнетоэлектриков, которые всегда относятся к пироэлектрикам, и у них всегда проявляются
пьезоэлектрические свойства (рис. 2).
Глава 14. Полупроводниковые приборные структуры
# Проектирование — план и процесс создания детального описа-
ния устройства, ранее не существовавшего или отличающегося от
известных. Проектирование является одним из этапов конструирования, позволяющего изготовить устройство средствами техники. Проектирование реализует возможность определять (в смысле “предсказывать”) характеристики устройства теоретически, т. е.
без построения его действующего образца. Проектирование объединяет расчеты, выбор необходимых материалов и технологий,
использование стандартов, чертежи. Проектирование, вместе с изготовлением образца устройства и его испытаниями, образует единый процесс опытного конструирования. При этом учитываются
экономические, социальные и экологические последствия реализации проекта на практике. Проектирование начинается с анализа требований заказчика к устройству и включает ряд действий:
определение основных идей технического решения, расчет параметров устройства и его конструкции, создание описания (спецификации) и его оформление в виде стандартной документации.
При каждом таком действии возможно использование рассчитанных параметров и документации для создания макета (опытного
образца) технической системы. Далее проводятся испытания макета с целью уточнения его параметров, проверки совместимости
составных частей между собой и соответствия требованиям заказчика. После испытаний устройства, изготовленного по созданной
в процессе проектирования документации, в проект вносятся изменения (устройство и его документация “доводятся”). При этом
документация должна быть пригодна для реализации (и доводки)
устройства, а также согласована с целями его дальнейшего производства, эксплуатации и утилизации.
# Импеданс — характеристика дискретного элемента электриче-
ской цепи, препятствующего возбуждению в нем тока от внешнего источника электрического напряжения (О. Хевисайд; 1886 г.).
Импеданс Z = Z1+ iZ2— полное электрическое сопротивление
линейного двухполюсника для гармонического (синусоидального)
сигнала; Z1= Re Z, Z2= Im Z, i =√−1. Если свойства двухпо-
люсника постоянны во времени, то импеданс равен отношению
комплексной амплитуды напряжения гармонического сигнала, при-
253
254 Глава 14
кладываемого к двухполюснику, к комплексной амплитуде тока,
возбужденного в двухполюснике. Адмиттанс Y = 1/Z = Y1+ iY2.
Иммитанс — совокупность {Z, Y }.
# Гиратор (от греч. gyros “круг”) — участок электрической цепи,
имитирующий индуктивность или емкость в некотором интервале
частот переменного тока. Гиратор (изобрел Б. Теллеген; 1948 г.)
осуществляет инвертирование полного комплексного электрического сопротивления ZRC= Z1− iZ2участка цепи, т. е. заменяет
ZRCна ZRL= Z3+ iZ4, где Z1, Z2, Z3, Z4— вещественные (действи-
тельные) величины сопротивлений, i =√−1 — мнимая единица.
Активные сопротивления Z1и Z3обусловливают потери электрической энергии в цепи. Реактивные сопротивления Z2и Z4обусловливают сдвиги фаз между переменными во времени токами и
напряжениями. Так как плоские катушки индуктивности из металла не всегда могут применяться в интегральных микросхемах
на кристаллическом кремнии, то использование гиратора, имитирующего индуктивность, позволяет обходиться без катушек. Для
этого используется цепь, состоящая из операционного усилителя, электрического конденсатора и резисторов, которая позволяет
“синтезировать” электрические характеристики индуктивности.
# Лавинно-пролетный диод. Генерация диодом из кристалличе-
ского германия с плоским р–n-переходом электромагнитных колебаний в гигагерцовом диапазоне частот возникает из-за появления
у диода (в отсутствие разогрева его током и внешней подсветки) отрицательного динамического сопротивления при близком к
пробивному отрицательном электрическом напряжении в области
положительного наклона вольт-амперной характеристики.
# Оптрон состоит из источника света и приемника этого же света. Электрический сигнал подается на вход источника света, где
преобразуется в световой сигнал. Далее свет достигает светоприемника и формирует на его выходе электрический сигнал. В оптроне: 1) осуществляется развязка (разрыв) между входом и выходом электрической цепи, что обеспечивает связь между цепями с
различным рабочим напряжением; 2) происходит подавление электрического шума при прохождении сигнала через оптрон. Именно
с оптронов началось введение оптических элементов в электрические схемы и возникла оптоэлектроника.
# Прибор с зарядовой связью (на структуре металл–изолятор
(a-SiO2)–кремний p-типа): 1) неравновесные электроны и дырки
Полупроводниковые приборные структуры 255
генерируются при локальном освещении кристаллического p-Si через слой прозрачного аморфного изолятора; 2) электроны накапливаются в “потенциальной яме”, созданной в приповерхностной
области p-Si положительным электрическим потенциалом на металлическом электроде, а дырки уходят из приповерхностной области в толщу p-Si (подложку); 3) под действием электрических
потенциалов, подаваемых на соседние электроды, меняется конфигурация ямы для электронов, что приводит к перемещению области нескомпенсированного заряда электронов вдоль границы раздела a-SiO2/p-Si. Итак: прибор с зарядовой связью принимает оптическое изображение и преобразует его в переменный во времени
электрический сигнал на электродах.
# Оптический пинцет — прибор для перемещения полупроводниковых частиц микронных размеров с помощью света в не слишком
вязкой среде. Если пучок света сфокусировать с помощью линзы,
то интенсивность света в фокусе больше, чем на периферии светового пучка, т. е. возникает градиентное световое поле. Частица
в области градиентного светового поля испытывает действие сил,
обусловленных взаимодействием вектора напряженности электрической компоненты световой волны с наведенной светом поляризацией частицы. Если показатель преломления частицы больше
показателя преломления среды, в которой она находится, то градиентные силы направлены к центру перетяжки светового пучка. На частицу в световом пучке действуют также силы давления
света (силы радиационного давления), которые обусловлены рассеянием света на частице и направлены вдоль оси светового пучка. Градиентные силы затягивают частицу в область перетяжки,
а силы светового давления — выталкивают из этой области. Если градиентные силы больше сил светового давления, то частица
захватывается в область перетяжки светового пучка и ее можно
перемещать в пространстве световым пучком.
# Электронно-дырочный переход (иначе n–p-переход или p–
n-переход) — область кристаллического полупроводника, в кото-
рой тип электрической проводимости изменяется от дырочной p к
электронной n. Область p-типа содержит водородоподобные акцепторы, а область n-типа содержит водородоподобные доноры. В состоянии термодинамического равновесия электрический ток через
p–n-переход отсутствует: напряженность контактного (или внутреннего) электрического поля, направленного от нескомпенсиро-
256 Глава 14
ванных электронами c-зоны положительно заряженных доноров к
нескомпенсированным дырками v-зоны отрицательно заряженным
акцепторам, препятствует движению электронов из n-области и
дырок из p-области навстречу друг другу. (Между электрически
нейтральными p- и n-областями существует двойной электрический слой — энергетический барьер для движения электронов из
n-области в p-область и дырок из p-области в n-область.) Если
положительный электрический потенциал от внешнего источника
создать на p-области, а отрицательный потенциал — на n-области
(при этом направления внешнего и контактного полей противоположны), то энергетический барьер для движения электронов и дырок уменьшится. Если создать внешний положительный электрический потенциал на n-области, а отрицательный — на p-области
(при этом направления внешнего и контактного электрических полей совпадают), то энергетический барьер для движения электронов и дырок увеличится. Отсюда следует основное свойство p–nперехода — зависимость силы тока через p–n-переход от направления напряженности внешнего электрического поля по отношению
к направлению напряженности контактного поля.
# Солнечный элемент — устройство, преобразующее энергию
оптического излучения Солнца непосредственно в электрическую
энергию, минуя тепловую и/или механическую формы энергии.
Полупроводниковый солнечный элемент представляет собой p–nдиод, состоящий из двух полупроводников с разным типом электрической проводимости (электронной — n и дырочной — p) и двух
металлических контактов к ним. Электрический контакт к освещаемой поверхности делается прозрачным или сетчатым, контакт к
неосвещаемой поверхности — сплошной. Работа солнечного элемента основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковой
структуре: поглощаемое в структуре оптическое излучение (поток
фотонов) создает пары “электрон–дырка” при условии, что энергия фотона превышает ширину запрещенной зоны (энергетической щели) полупроводника. Глубина расположения p–n-перехода
под освещаемым электродом рассчитывается таким образом, что
при поглощении фотонов электроны и дырки возникают в области обеднения p–n-перехода и электронами, и дырками. В этой
области существует встроенное электрическое поле (поле двойного электрического слоя). Большая часть созданных поглощенными
фотонами пар “электрон–дырка” не рекомбинирует, а разделяется
под действием встроенного поля: электрон переходит в n-область,
Полупроводниковые приборные структуры 257
а дырка — в р-область. Работа по разделению зарядов есть электродвижущая сила (ЭДС). Таким образом, поглощение света на
p–n-переходе приводит к возникновению фото-ЭДС.
# Транзистор — приборная структура из полупроводникового ма-
териала с тремя электродами. Посредством электрического сигнала во входной электрической цепи транзистор осуществляет управление током в выходной цепи. Биполярный p–n–p-транзистор (n–
p–n-транзистор) функционирует за счет электрической связи двух
p–n-переходов. В полевом транзисторе используется полупровод-
ник одного типа электрической проводимости в виде тонкого канала между истоком и стоком, на который воздействует электрическое поле изолированного от канала затвора. В отличие от биполярного, полевой транзистор управляется электрическим напряжением, а не током.
# Триггер (от англ. trigger “защелка”) — устройство, которое мо-
жет сколь угодно долго находиться в одном из двух устойчивых
состояний и по сигналу извне скачком переключаться из одного
состояния в другое. В электрических цепях в качестве сигналов
на входах и выходах триггера используются импульсы тока или
перепады электрического напряжения, которые реализуют логическую “1” (высокий уровень напряжения) и логический “0” (низкий
уровень напряжения). Триггер Шмитта имеет один вход и один
выход. Этот триггер переключается, когда входной сигнал становится выше верхнего порога переключения и возвращается в исходное состояние, когда входной сигнал становится ниже нижнего
порога переключения. Разность напряжений верхнего и нижнего
порогов называется гистерезисом переключения. RS-триггер имеет два входа (S — установка и R — сброс) и два выхода (основной
Q и инверсный Q). Два выходных сигнала, на выходе Q и Q (не Q),
находятся в противофазе: если Q = 1, то Q = 0, и наоборот. При
подаче логической 1 одновременно на два входа (R = S = 1) на
двух выходах устанавливается неопределенное (логически недопустимое) состояние, когда нельзя заранее сказать, какое из двух
устойчивых состояний (Q или Q) установится.
258 Глава 14
PSfrag replacements
# Напряжение и разность потенциалов в электрической цепи
Электрическое напряжение — это работа источника электрической энергии по перемещению точечного положительного электрического заряда (пробного заряда) вдоль заданного контура, соединяющего две точки (1 и 2) электрической цепи:
где U — электрическое напряжение, Eel— вектор напряженности
электрического поля, E
них сил, dl — элемент длины электрического контура. Сторонние
(электродвижущие) силы в электрической цепи переносят электрические заряды против электростатических сил и обеспечивают
электрический ток в замкнутой цепи.
U =
Z
((Eel+ E
1→2
— вектор напряженности поля сторон-
ext
I
) ·dl), (1)
ext
ϕ
1
1 2
Разность электрических потенциалов определяется так:
E
ϕ2− ϕ1= −
R
Z
(Eel· dl). (2)
1→2
r
ϕ
2
Электрическое напряжение U по (1) и модуль разности электрических потенциалов |ϕ2− ϕ1| по (2) между точками 1 и 2 электрической цепи совпадают только в том случае, если контур интегрирования не проходит через источники электрической энергии, где имеется поле электродвижущих сил. На рисунке представлен источник электродвижущей силы E с внутренним электрическим сопротивлением r. Источник нагружен сопротивлением
R, так что сила стационарного тока в цепи I = E/(R + r). Если
интегрировать (1) по верхней части контура между точками 1 и
2, то U = Ir = Er/(R + r), так как на гальваническом элементе
Eel+ E
= 0. Если интегрировать (1) по нижней части контура
ext
между точками 1 и 2, то U = I R = ER/(R + r). Величина |ϕ2− ϕ1|
по (2) не зависит от пути интегрирования между точками 1 и
2 контура: |ϕ2− ϕ1| = ER/(R + r). Вольтметр, подсоединенный к
точкам 1 и 2 электрической цепи, показывает значение ER/(R + r),
т. е. величину разности электрических потенциалов |ϕ2− ϕ1| > 0.
Полупроводниковые приборные структуры 259
d
1
d
2
# Пассивные элементы кремниевой микроэлектроники
а) б) в)Резистор Электрический
конденсатор
2
p+-poly-Si
a-SiO
2
a-SiO
Катушка
индуктивности
a-SiO
2
Al
Al
p+-Sip+-Sip+-Si
Напряжение UR(t)
Время t
R(CR, LR)
Ток
IR(t)
UC(t)
C(RC, LC)
IC(t)
L(RL, CL)
UL(t) IL(t)
а) Интегральный резистор из поликристаллического кремния
p+-типа, отделенный от подложки p+-типа слоем аморфного диок-
сида кремния (a-SiO2). Реальное сопротивление R включает паразитную емкость CRи индуктивность LR. б), в) Плоская пленка и
спираль Архимеда из алюминия, напыленные на слой a-SiO2.
# Схемы включения биполярного p–n–p-транзистора
E E
C C
pp n
B B
На внутреннем уровне
транзистор работает во
всех схемах совершенно
одинаково, но внешнее
поведение различно
Коэффициент усиления
по току AI= I
Коэффициент усиления по
напряжению AU= U
Входной импеданс
|Zin| = Uin/I
Выходной импеданс
|Z
| = U
out
out/Iin
out/Uin
in
out/Iout
Схема с общим
эмиттером
I
out
U
U
in
out
Схема с общим
коллектором
I
I
in
U
out
U
in
out
> 1> 1
≈1≈1
Высокий
Низкий
Схема с общей
базой
I
in
U
in
I
out
U
out
≈1
> 1
НизкийНизкий
ВысокийВысокий
260 Глава 14
# Электрофотографический способ репродуцирования (созда-
ние копий исходного документа)
Электрофотография (или ксерография) — процесс, в котором
используются фотопроводящие свойства селенового стекла (a-Se).
Схема ксерографического процесса:
Коронирующий
электрод
а) Коронирующий электрод (положительный потенциал ≈ 3 кВ), движущийся в воздухе параллельно поверхности слоя аморфного селена, заряжает его ионами положи-
а)
a-Se
тельно. На металлической заземленной подложке, на которую нанесено селеновое стек-
Электрод (подложка)
Свет от
документа
ло, образуется отрицательный заряд.
б) На слой проецируется изображение копируемого документа. Фотоны, отраженные
от светлых областей оригинала, поглощают-
б)
Электрон + дырка
ся слоем a-Se. Энергия фотонов должна быть
такой, чтобы электронно-дырочные п´ары создавались только вблизи верхней (положи-
в)
Ион воздуха
−
e
+
h
тельно заряженной) поверхности стекла.
в) Под действием сильного электрического поля внутри селенового стекла дырки (h+)
дрейфуют по направлению к металлической
Краситель
подложке, а электроны (e−) — в противоположном направлении и нейтрализуют положительный заряд, созданный на поверхности
г)
a-Se. В результате верхняя поверхность стекла становится электронейтральной там, где
на оригинале была светлая область, и оста-
Коронирующий
электрод
Бумага
ется положительно заряженной там, где на
оригинале была буква.
г) На слой a-Se наносятся отрицательно
заряженные частицы красителя (сажа, дис-
д)
Селеновое
стекло
пергированная в легкоплавкой смоле), которые прилипают к положительно заряженным
участкам поверхности слоя.
д) С помощью второго коронного разряда краситель переносится с поверхности слоя a-Se на положительно заряженный лист
бумаги. После этого бумагу убирают и полученное на ней изображение закрепляют с помощью нагревания.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]