- •«Национальный исследовательский
- •I. Основы АнАлоговой электроники
- •1. Задачи, решаемые электронной техникой, и элементы, необходимые для их решения
- •1.1. Электрические сигналы. Временное и спектральное представление
- •1.2. Усиление электрических сигналов
- •1.3. Модуляция сигналов
- •1.3.1. Амплитудная модуляция
- •1.3.2. Импульсно-кодовая модуляция
- •1.3.3. Широтно-импульсная модуляция
- •А б Рис. 1.19. Компаратор: а – схема; б – временные диаграммы при шим1.4. Фильтрация сигналов
- •1.5. Хранение и отображение информации
- •1.6. Преобразование электрической энергии
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты первой главы
- •2. Математический аппарат описания электронных элементов
- •2.1. Описание нелинейных элементов
- •2.2. Линеаризация нелинейных уравнений
- •2.3. Частотный анализ линеаризованных цепей
- •2.4. Временной анализ линеаризованных цепей
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты второй главы
- •3. Полупроводники – основа современной элементной базы электроники
- •3.1. Преимущества полупроводниковых элементов перед электровакуумными
- •3.2. Физические основы электропроводности полупроводников
- •3.3. Электропроводность беспримесного (собственного) полупроводника
- •3.4. Электропроводность примесных полупроводников
- •3.4.1. Донорная примесь
- •3.4.2. Акцепторная примесь
- •3.6. Инерционностьp-n-перехода
- •3.6.1. Зарядная емкостьp-n-перехода
- •3.6.2. Диффузионная емкость
- •3.7. Пробой p-n-перехода
- •3.7.1. Тепловой пробой
- •3.7.2. Электрический пробой
- •3.8. Математическая модельp-n-перехода
- •3.9. Переходметалл – полупроводник
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты третьей главы
- •4. Многопереходные электронные элементы
- •4.1. Полупроводниковые триоды (биполярные транзисторы)
- •4.2. Активный режим работы биполярного транзистора
- •4.3. Статические характеристики биполярного транзистора для активного режима
- •4.4. Инерционность биполярного транзистора
- •4.5. Пробой коллекторного перехода
- •4.7. Нелинейная модель биполярного транзистора
- •4.8. Линеаризованная модель биполярного транзистора
- •4.9. Ключевой режим биполярного транзистора
- •4.10. Полевые транзисторы
- •4.11. Полевые транзисторы с управляющимp-n-переходом
- •4.12. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •4.13. Ключевой режим работы полевых транзисторов
- •4.14. Тиристоры
- •4.15. Элементы оптоэлектроники
- •4.15.1. Управляемые источники излучения
- •4.15.2. Фотоприемники
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты четвертой главы
- •5. Основы теории электронных усилителей
- •5.1. Общие положения
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.2. Обратная связь в усилительных устройствах
- •5.2.1. Влияние обратной связи на коэффициент усиления.
- •5.2.2. Влияние обратной связи на нестабильность усилителя
- •5.2.3. Влияние обратной связи на нелинейные искажения и шумы усилителя
- •5.2.4. Влияние обратной связи на входное и выходное сопротивления усилителя
- •5.2.5. Устойчивость усилителей с обратной связью
- •5.2.6. Коррекция частотных характеристик для обеспечения устойчивости усилителя
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.3. Принципы построения усилительных каскадов
- •5.3.1. Цепи задания и стабилизации режима покоя
- •5.3.2. Элементы связи усилительных устройств
- •К Рис. 5.34. Оптическая связь онтрольные вопросы и задания
- •5.4. Операционные усилители
- •5.4.1. Модели оу
- •5.4.2. Масштабирующий инвертирующий усилитель
- •5.4.3. Масштабирующий неинвертирующий усилитель
- •5.4.4. Суммирующий усилитель
- •5.4.5. Вычитающий усилитель
- •5.4.6. Интегрирующий усилитель
- •5.4.7. Нелинейные функциональные преобразователи сигналов
- •Контрольные вопросы и задания
- •5.5. Усилители мощности
- •5.5.1. Линейные усилители мощности
- •5.5.2. Усилители мощности ключевого типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты пятой главы
- •6. Автогенераторы
- •Основные результаты шестой главы
- •7. Источники вторичного электропитания электронных устройств
- •7.1. Классическая схема вторичного источника (без преобразования частоты сети)
- •7.2. Функциональные элементы вторичных источников электропитания
- •7.2.1. Преобразователи переменного напряжения
- •7.2.2. Стабилизаторы постоянного напряжения
- •7.3. Вторичные источники с преобразованием частоты сети
- •Vd Схема упр.
- •Vd Схема упр. Ul
- •Контрольные вопросы и задания
- •Основные результаты седьмой главы
- •II. Основы цифровой электроники
- •1. Введение
- •2. Логические функции
- •2.1. Логические функции и способы их представления
- •2.2. Основы алгебры логики
- •2.2.1. Функция не
- •2.2.2. Функция или
- •2.2.3. Функция и
- •2.3. Логические элементы и-не, или-не
- •2.3.1. Элемент и-не (штрих Шеффера)
- •2.3.2. Элемент или-не (стрелка Пирса)
- •2.4. Синтез логических устройств
- •2.5. Выбор системы логических элементов
- •2.6. Минимизация логических функций
- •Контрольные вопросы и задания
- •3. Характеристики и параметры логических элементов, основы схемотехники
- •3.1. Логические уровни, нагрузочная способность
- •3.2. Логические элементы с тремя состояниями
- •3.3. Быстродействие логических элементов
- •3.4. Помехоустойчивость логических элементов
- •3.5. Число входов логических элементов
- •3.6. Специальные типы логических элементов. Логические элементы с открытым коллектором
- •3.6.1. Расширители числа входов
- •3.6.2. Схема согласования уровней
- •3.6.3. Логический элемент с разрешением по входу
- •Контрольные вопросы и задания
- •4. Цифровые устройства комбинационного типа
- •4.1. Преобразователи кодов, шифраторы, дешифраторы
- •4.2. Мультиплексоры
- •4.3. Сумматоры
- •4.4. Цифровые компараторы
- •Контрольные вопросы и задания
- •5. Последовательностные цифровые устройства
- •5.1. Триггеры
- •5.1.5. Триггер Шмитта
- •5.2. Цифровые счетчики импульсов и делители частоты следования
- •5.2.1. Двоичные счетчики
- •5.2.2. Недвоичные счетчики
- •5.3. Регистры
- •Контрольные вопросы и задания
- •6. Генераторы импульСныхСигналов
- •6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов (мультивибраторы)
- •6.2. Ждущий (заторможенный) режим генераторов
- •6.3. Интегральные таймеры
- •6.4. Генераторы линейно изменяющегося напряжения (тока)
- •Контрольные вопросы и задания
- •7. УстройствасОпРяжЕнияцифровых и аналоговых систем
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •7.2.1. Ацп последовательного приближения
- •7.2.2. Ацп параллельного типа
- •7.2.3. Ацп интегрирующего типа
- •Контрольные вопросы и задания
- •8. Введение в микропроцессорную технику
- •8.1. Арифметическо-логические устройства
- •8.2. Полупроводниковые запоминающие устройства
- •8.3. Программируемые логические интегральные матрицы
- •8.4. Интерфейсные устройства
- •Контрольные вопросы и задания
- •Приложение справочные данные интегральных схем
- •Литература
- •Оглавление
3.4. Электропроводность примесных полупроводников
Основная группа электронных элементов, с помощью которых решаются задачи электронной техники, – это элементы, основанные на механизме примесной электропроводности.
При определенных условиях ничтожно малые относительные объемы примеси, внедренные в исходный полупроводник в результате сложного технологического процесса, могут существенно увеличить электропроводность уже при комнатной температуре.
3.4.1. Донорная примесь
Материал этой примеси выбирается так, чтобы разрешенные уровни ее электронов находились вблизи «дна» зоны проводимости (см. рис. 3.2). За счет значительно меньшего удаления от зоны проводимости вероятность перехода электронов примеси в зону проводимости уже при комнатной температуре резко увеличивается по сравнению с электронами валентной зоны (рис. 3.2, пунктир). Свободные носители в зоне проводимости в основном будут обусловлены электронами примеси, а их число намного больше дырок в валентной зоне. Такой полупроводник называется электронным, или n-типа. Электроны называются основными носителями, а дырки – неосновными, причем имеет место неравенство
nn >> pn. (3.3)
Рис.
3.2. Донорная примесь
Концентрация носителей в примесном полупроводнике подчиняется закону
nn pn = ni2. (3.4)
Соотношение (3.4) означает, что увеличение объема примеси, с одной стороны, приводит к увеличению основных носителей, но, с другой стороны, возрастает и вероятность их рекомбинации, когда электрон из зоны проводимости возвращается на свободные уровни примеси, деионизируя ее атомы. В результате этих процессов и наступает равновесие, определяемое соотношением (3.4).
Поскольку уже при комнатной температуре практически все атомы примеси становятся ионизированными, число основных носителей от температуры практически не зависит(nn const).
Согласно соотношению (3.4)
,
а это означает, что число неосновных носителей очень сильно зависит от температуры из-за аналогичной зависимости от температуры числа собственных носителей ni.
Для того чтобы оценить сложность технологического процесса введения примеси, рассмотрим следующий пример.
Количество атомов в 1 грамме вещества (число Авогадро) составляет примерно Ni = 6 1023. Число свободных носителей в собственном полупроводнике равноni 2 1010(кремний). Допустим, что введена донорная примесь, число атомов которой составляет 10–3 % от общего числа атомов исходного полупроводника, т. е.Nq = 6 1023 10–5 = 6 1018. Все эти атомы будут ионизированы, что приведет к образованию свободных электроновnn = 6 1018. Таким образом, введение одной тысячной процента примеси приведет к увеличению электропроводности враз!
Очевидно, что для получения исходного чистого полупроводника, управления примесной проводимостью применяются сложнейшие технологии, какими стало обладать человечество лишь во второй половине ХХ в.
При повышении температуры число свободных электронов, образовавшихся при ионизации примеси, остается практически неизменным, а число электронов, переходящих из валентной зоны, как это было и в собственном полупроводнике, экспоненциально нарастает. Поскольку число атомов исходного полупроводника на несколько порядков превышает число атомов примеси, число «собственных» электронов в зоне проводимости становится много больше электронов от примеси. В полупроводнике снова устанавливается практическое равенство свободных электронов и дырок [см. формулу (3.1)]: примесный характер проводимости практически исчезает. Такой полупроводник называетсявырожденным. Поскольку примесный характер проводимости является для многих приборов главным условием функционирования, критическая температура, при которой происходит вырождение, является важнейшей характеристикой полупроводника, определяющей его температурный «потолок» нормальной работы. Поэтому вместо германия (критическая температура80С) в настоящее время в основном используется кремний (более 150С), а также арсенид галлия (более 200С).
Важное значение в теории электропроводности полупроводника играет такое понятие, как уровень Ферми(F).
Уровень Ферми – это сумма химического потенциала, обеспечивающего диффузию носителей в объеме твердого тела и электрического потенциала, обеспечивающего дрейф носителей. Движение носителей (электропроводность) возможно лишь при наличии градиента или химического, или электрического потенциала. В равновесном состоянии, когда направленного движения носителей в твердом теле нет, градиент уровня Ферми равен нулю, т. е. F=const.
Это значит, что уровень Ферми располагается горизонтально. Уровень Ферми является функцией концентрации свободных носителей:
, (3.5)
где 0 – потенциал середины запрещенной зоны.
Для собственного полупроводника, у которого согласно (3.1) n=ni:
F = 0,
т. е. уровень Ферми расположен в середине запрещенной зоны.
Для электронного полупроводника, согласно (3.3) и (3.4), nn>niи
F > 0,
т. е. уровень Ферми перемещается выше середины запрещенной зоны.