Физические основы микроэлектроники (ФОМ)

1

Электроника и микроэлектроника, схемотехника

Содержание

стр.

Полупроводниковые приборы ................................................................................................

2

Физика p – n перехода ............................................................................................................

5

Вольт-амперная характеристика p - n перехода ..............................................................

7

Пробой p - n перехода .........................................................................................................

8

Емкость p - n перехода .......................................................................................................

10

Диоды ........................................................................................................................................

11

Транзисторы .............................................................................................................................

14

Физика работы транзистора ...............................................................................................

15

Схемы включения транзистора .........................................................................................

16

Статические характеристики транзистора .......................................................................

18

Малосигнальный режим транзистора ...............................................................................

21

Эквивалентные схемы замещения транзистора ...............................................................

22

Малосигнальные H-параметры ..........................................................................................

24

Частотные свойства транзистора ......................................................................................

25

Полевые (униполярные) транзисторы ...................................................................................

26

МДП (МОП) – транзисторы ...................................................................................................

28

Четырёхслойная полупроводниковая структура ..................................................................

31

Электронные усилители...........................................................................................................

33

Режимы работы усилителей (классы усиления). ..............................................................

36

Усилители напряжения низкой частоты. Задание точки покоя. .....................................

38

Методы стабилизации рабочей точки................................................................................

39

УННЧ. Схема с ОЭ. Анализ работы в режиме усиления переменного тока.................

41

Обратные связи....................................................................................................................

46

Эмиттерный повторитель (каскад с общим коллектором) ..............................................

49

Усилители мощности ..........................................................................................................

51

Усилители постоянного тока..............................................................................................

55

Дифференциальный усилитель ..........................................................................................

56

Операционные усилители...................................................................................................

57

Схемы включения ОУ.........................................................................................................

59

Импульсная (цифровая) электроника.....................................................................................

62

Влияние RC – цепи на прямоугольный импульс..............................................................

63

Электронный ключ на биполярном транзисторе..............................................................

65

Ключи на полевых транзисторах........................................................................................

69

Логические элементы в цифровых устройствах...............................................................

71

Триггеры...............................................................................................................................

73

Счетчики...............................................................................................................................

81

Регистры ...............................................................................................................................

84

Цифровые устройства комбинационного типа.................................................................

90

Мультиплексор................................................................................................................

90

Демультиплексор............................................................................................................

91

Комбинатор (Шифратор)................................................................................................

92

Декомбинатор (Дешифратор) ........................................................................................

92

Сумматор .........................................................................................................................

93

Цифровой компаратор....................................................................................................

95

Электронная память.............................................................................................................

96

Электронные генераторы.........................................................................................................

99

Генераторы синусоидальных (гармонических) колебаний.............................................

100

Мультивибраторы................................................................................................................

104

2

Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы – это электронные приборы, в которых движение и

изменение концентрации электронов (протекание тока) происходит в кристаллическом

твердом теле – кристалле полупроводника. В качестве полупроводников обычно приме-

няют кремний (Si) и германий (Ge).

Собственная проводимость полупроводников

Чистый кремний (Si) или

Ge

-

-

Ge

e

Зона прово-

германий (Ge) имеют кристалли-

димости

ческую решетку, где каждый атом

-

Ge

-

связан с четырьмя другими бли-

-

+

W

∆ W

жайшими атомами ковалентными

-

-

связями. Пространственная орбита

Ge

Ge

Валентная

жестко связана энергией, следова-

зона

тельно,

можно

рассматривать

строение атома как энергетиче-

ское. Электроны находятся на определенных энергетических уровнях. Для твердого тела

рассматривают не отдельные уровни отдельных атомов, а зоны уровней энергии.

При температуре (Т = 0К) в полупроводниках нет свободных электронов. Ток про-

ходить не может, то есть при Т =

0К полупроводник является изолятором (диэлектриком).

При повышении температуры электроны под действием тепловой энергии вырываются из

ковалентной

связи и становятся свободными, не связанными с конкретными атомами. На

месте ухода появляется незаполненная связь. Отсутствие электрона в ковалентной связи

условно называют дыркой, которая

имеет положительный единичный заряд. Процесс об-

разования свободных электронов и дырок при нагревании называется тепловой регенера-

цией. Проводимость, обусловленная тепловой генерацией электронов и дырок в чистом

полупроводнике, называют собственной проводимостью. Чем выше температура, тем вы-

ше концентрация свободных электронов и дырок.

Таким образом, в проведении тока могут участвовать и электроны, и дырки. При

движении в кристалле полупроводника электрон и дырка встречаются и взаимоуничто-

жаются. Такой процесс исчезновения свободных электронов и дырок называют рекомби-

нацией.

Как показано на рисунке, энергетическая зонная диаграмма кристалла полупровод-

ника разделена на три зоны. Валентная зона полностью заполнена валентными электрона-

ми при Т = 0К. Запрещенная зона не имеет энергетических уровней, на которых могли бы

находиться электроны. Находящиеся в зоне проводимости электроны обладают энергией,

позволяющей им разрывать связи с атомами и перемещаться внутри кристалла.

∆ Wп/п = 0,7 (Ge) 1,1(Si) эВ;

∆ Wдиэл. > 6 эВ.

Примесная проводимость n – типа (донорная)

Если в чистый кри-

-

Si

-

Si

e

Зона прово-

сталлический Ge добавить

ничтожную долю атомов 5

димости

∆

W a

-

-

-

∆ W

– валентного элемента, на-

-

Sb

-

W

пример сурьмы Sb, то че-

-

-

тыре электрона сурьмы бу-

Si

Si

Валентная

дут участвовать в кова-

зона

лентных связях, а пятый

электрон не участвует и

слабо связан с ядром. Энергия связи пятого элемента с ядром, называемая энергией ак-

Примесная проводимость p – типа (акцепторная)

Если в чистый кристаллический Ge добавить ничтожную долю атомов 3 – валент-

ного элемента, например индия In (бора, алюминия и др.), то три валентных электрона ин-

дия будут участвовать

Si

-

-

Si

Зона прово-

только

в трёх

кова-

лентных связях из че-

димости

-

In

-

∆ W

тырёх.

Одна

кова-

лентная связь остается

-

+

W

-

-

∆ W a

незаполненной.

В эту

Si

e

Si

Валентная

незаполненную

кова-

зона

лентную связь

могут

легко

переходить

электроны из

сосед-

них ковалентных связей. Необходимая для этого энергия называется энергией активации и

составляет 0,01 эВ. Как показано на зонной диаграмме электроны акцепторной (прини-

мающей) примеси будут находиться на энергетических уровнях вблизи крыши валентной

зоны.

E i

трациях дырок (pp>>pn) электронов (nn>>np), то

есть имеет место градиент концентрации сво-

бодных носителей. Происходит диффузия ос-

p

- - -

+ + +

n

новных зарядов (дырки из p-области диффун-

- - -

+ + +

дируют в n–область, электроны – из n–области

- - -

+ + +

в p–область, при этом возникают диффузион-

- - -

+ + +

ные токи). В результате образуется двойной

слой, создающий внутреннее электрическое по-

h

ле (Ei), которое препятствует диффузии основ-

ных носителей зарядов. Это поле действует на

ϕ

неосновные носители заряда и создает дрейфо-

x

вые токи, следовательно, поле ослабляется и

появляется новая диффузия основных зарядов.

Процесс заканчивается установлением динами-

ϕ

0

ческого равновесия, при котором силы диффу-

зии уравновешены встречными силами внут-

реннего электрического поля (то есть токи

основных носителей зарядов уравновешиваются

jp диф

токами неосновных носителей зарядов и ре-

jn диф

зультирующий ток через переход равен нулю).

jp др

При отсутствии внешнего поля в режиме дина-

jn др.

мического равновесия образуется контактная

разность потенциалов ϕ 0, называемая потенци-

альным барьером.

ϕ 0 = 0,5÷ 1 В,

ϕ 0 = ϕ т ln (p p / p n) = ϕ т ln (n n / n p) ,

где ϕ т - температурный потенциал, равный ϕ т = k·T/q = 25 мВ, где k –

6

P - n переход при внешнем смещении

Обратное включение

Если

внешнее

напряжение

-

Е см

U a

+

Ua

подключить плюсом к n–области,

E i

а минусом – к p–области, то поле

внешнего источника Есм в переходе

p

-

- - -

+ + +

+

n

будет совпадать по направлению с

внутренним полем Еi , а потенциаль-

-

- - -

+ + +

+

ный барьер ϕ

на переходе будет ра-

-

- - -

+ + +

+

вен сумме внутреннего потенциаль-

-

- - -

+ + +

+

ного барьера ϕ 0 и внешнего смеще-

h 0

ния Ua:

ϕ

= ϕ 0

+ Ua .

ϕ

h

Величина

Ua может во мно-

x

го раз превышать величину ϕ 0 и дос-

тигать сотен вольт. При этом в пере-

ϕ

0

ходе протекает результирующий ток

Ia, в обратном направлении равный I0

(Ia обр= I0), так как I0 увеличивается

U a

вследствие усиления электрического

поля Е в переходе.

Таким образом, в обратном

направлении через переход протека-

ет ничтожно малый ток I0 (измеряет-

ся микроамперами или долями мик-

роампера) при высоком обратном

напряжении. Поэтому обратно смещенный переход можно представить разомкнутыми

контактами ключа (ключ отключен), что часто используется на практике.

Как показано на рисунке,

+

ширина p-n перехода h при обратном

Е см

U a

-

смещении увеличивается p - область

по сравнению с равновесной шириной

E i

h0.

Прямое включение

p

-

+

n

Если внешнее напряжение Ua

подключить плюсом к p–области, а

-

+

минусом – к n–области, то поле

-

+

внешнего источника Есм в переходе

-

+

будет направлено против внутреннего

h

поля Еi , а потенциальный барьер ϕ

на

h 0

переходе будет уменьшен на величи-

ϕ

ну внешнего смещения Ua:

x

ϕ = ϕ

0 – Ua .

Через переход с пониженным

ϕ

потенциальным барьером резко уве-

личится диффузионный поток дырок

ϕ

0

в n-область и электронов в p-область,

U a

таким образом, резко возрастает диф-

фузионный ток

I0 диф. через переход

(внешнее смещение ослабляет внут-

реннее поле Ei). При этом прямой ток

будет равен разности токов диффузии

Вольт – амперная характеристика p - n перехода

Идеальная

График

зависимости

между током и напря-

I a , А

Реальная

жением

называется

вольт – амперной ха-

Прямое

рактеристикой

(ВАХ).

Характер

переноса но-

I ном

включение

сителей заряда через p-n

переход в прямом и об-

Uобр. max

I a Rобл

ратном

направлениях

обуславливает

определенный

ход

ВАХКак показано.

на рисун-

Uном

Ua

, В

ке, реальная ВАХ отли-

I

чается от идеальной.

Обратное

обр.

I a = I0 (e

(Ua / ϕ

т )

– 1)

включение

Ua* (Si) = 0.5 В

Ua* (Ge) = 0.7 В

I a

мощность P0 = I0·Ua , следовательно, проис-

ходит нагрев p-n перехода, а при повышении

U

температуры t0 увеличивается тепловой ток

a

I0, что вызывает рост мощности и так далее.

С ростом Uобр повышается температура. Пока

1

тепловой

P0 < Pтеплоотдачи, процесс проходит в нормаль-

пробой

ном режиме, как только P0 > Pтеплоотдачи , рост

P0 , I0 , t0 будет происходить и без повышения

Uобр . Такой процесс заканчивается расплав-

лением этого участка и выходом p-n перехода

из строя.

2

электрический

пробой

Влияние температуры на ВАХ диода (p - n перехода)

Основное

влияние

I a , А

Т

Т1

температуры на ВАХ обу-

словлено сильной зависимо-

I2

2

Прямое

стью концентрации неоснов-

включение

ных носителей

примесного

T2 >

T1

полупроводника.

А2

При

повышении

I o I

А1

температуры изменяются и

1

прямая, и обратная ветви

I 'o

ВАХ. Таким образом, тепло-

U проб. 1 U проб. 2

вой ток I 0 увеличивается в 2

раза на каждые

10 °С

(см.

U2

U1

U , В

формулу). Напряжение

про-

a

боя при повышении темпера-

Обратное

туры перехода уменьшается.

t2−200

включение

′

100

I0 =(I0)200С −2

Тепловой расчет

t°пер. - t°окр. = (Rtпк + Rtрад.) Pрасс.

Пример:

Stрад. = 103/ Rtрад.

Pрасс = U·I =1,1 400=440 (Вт)

I ad = 400 A;

U ad = 1.1В;

t°пер = (Rtпк + Rtрад.) Pрасс + t°окр

t°окр = +50° C;

t°пер = (0,13+0,08) 440+50 = 142°

Rtпк = 0,13 Гр/Вт;

Stрад. = 103/ Rtрад. = 1000/0,08 = 12500 (см2)

Rtрад = 0,08Гр/Вт.

гающие границы p – и n – областей, а диэлектриком – p – n

переход.

Барьерная емкость возникает при обратном напряжении, при возрастании кото-

рого происходит увеличение запорного

C

слоя h и уменьшение барьерной емко-

сти.

С б = Q/U.

C диф.

Диффузионная емкость ха-

С бар.

рактеризует

накопление подвижных

носителей заряда в p – и n – областях.

Эта емкость зависит от тока: чем выше

- U

+ U

ток, тем выше

С диф. При прямом сме-

щении на высоких частотах величина

Сдиф. увеличивается.

Сдиф

> С б.