Электронные цепи и приборы (шпаргалка)

1. Зонная модель полупроводника.

К полупроводникам (ПП) относятся вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Их удельная электрич. проводимость лежит в пределах от 10^-8 до 10⁵ см/м и в отличие от металлов она возрастает с ростом темпер-ры.

ПП представляют собой достаточно многочисленную группу веществ. К ним относятся химич. элементы: германий (Ge), кремний (Si), бор, углерод, фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые химич. соед-ния и многие органич. вещества.

В электронике находят применение ограниченное кол-во полупроводниковых материалов. Это, прежде всего Si, Ge, и арсенид галлия.

Применяемые в электронике ПП имеют весьма совершенную кристаллическую структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя кристалл-ую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике полупроводников – Ge и Si – имеет структуру алмазного типа. В такой реш. каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра.

Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален. Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантово-механический характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи, для ее создания необходима пара электронов.

В Ge и Si, являющихся 4^х-валентными элементами, на наружной оболочке имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его атомами.

рис. 1. рис. 2.

На рис. 1 показ. условн. изображ. кристалич. решетки Si на плоскости:

1 – атом кремния, 2 – ковалентная связь, образованная одним электроном.

На рис. 2 показ. образование свободного электрона под действием тепловой энергии:

1 – нарушенная ковалентн. связь, 2 – свободный электрон, 3 – незаполненная связь (дырка).

рис. 3.

E_V – энергетич. уровень (max энергия связанного электрона), E_d – энергия донора, E_c – зона проводимости (min энергия свободного электрона), Eg – ширина запрещенной зоны.

E_F – уровень Ферми, вероятность заполнения кот. равна Ѕ.

2. Электропроводность полупроводников.

К полупроводникам (ПП) относятся вещества, занимающие по величие удельной электрической проводимости (ЭП) промежуточное положение между проводниками (металлы) и диэлектриками. Значения удельной ЭП этих трех классов веществ приведены в табл.

Основным признаком, выделяющим ПП как особый класс веществ, явл. сильное влияние температуры и концентрации примесей на их ЭП. Так, например, даже при сравнительно небольш. повыш. темп-ры проводимость ПП резко возрастает (до 5 – 6% на 1єС).

У большинства ПП сильное изменение ЭП возникает под действием света, ионизирующих излучений и др. энергетич. воздействий. Т.о ПП – это вещество, удельная проводимость кот. существенно зависит от внешн. факторов.

Электропроводность ПП определяется направленным движением электронов под действием внешнего электрического поля.

В ПП валентная зона и зона проводимости разделены не широкой запрещенной зоной. Под действием внешнего эл. поля возможен переход электронов из валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают свободные энергетические уровни, а в зоне проводимости появляются свободные электроны, называемые электронами проводимости. Этот процесс наз. генерацией пар носителей, а не занятое электроном энергетич. состояние в валентной зоне – дырка.

Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда электрон-дырка, называют собственной электропроводностью. Возвращение возбужденных электронов из зоны проводимости в валентную зону, в рез. которого пара носителей заряда электрон-дырка исчезает, называют рекомбинацией.

Дрейфовый ток. Электроны и дырки в кристалле нах-ся в сост. хаотического теплового движ-ия. При возникновении эл. поля на хаотич. движение накладывается компонента направленного движ., обусловленного действием этого поля. В рез. электроны и дырки начин. перемещ-ся вдоль кристалла – возникает эл. ток, кот. называется дрейфовым током.

Диффузионный ток обусловлен перемещением носителей заряда из области высокой концентрации в область более низкой концентр.

Одним из главных принципов, лежащих в основе многих физических процессов, явл. принцип электрической нейтральности полупроводника, заключающийся в том, что в сост. равновесия суммарный заряд в ПП равен нулю. Он выражается уравнением электронейтральности:

.

3. p-n переход в условиях термодинамического равновесия.

Основная часть полупроводниковых приборов – это p-n переход. p-n переход – это граница раздела между двумя ПП с разным типом электропроводности – p и n.

Мы знаем, в р-области дырок много, а в п-области их мало, и соответственно в п-области электронов много, а в р-области их мало. В результате такой разности концентрации возникает процесс диффузии. В результате чего возникают диффузионные токи дырок и электронов. Эти токи явл. токами основных носителей зарядов. Дырки из р-области переходят в п-область и рекомбинируют с электронами. Также электроны переходят из п-области в р-область и рекомбинируют с дырками. В рез. в р-п переходе образуется слой без подвижных носителей заряда, имеющий большое R, и кот. называется запирающим слоем. В этом слое имеются только отриц. заряды ионов, кот. создают отрицательный заряд –q, и положительный заряд ионов +q. Эти заряды создают эл. поле E_вн, направленное от + к – с отриц. потенциалом в р-области и положит. потенциалом в п-области. Эта разность потенциалов наз. контактной разностью потенциалов.

Эти заряды +q и –q препятствуют дальнейшему прохождению основных носителей ч/з р-п переход. Дырки отталкиваются от +q, а электроны отталкиваются от –q. Т.е. процесс диффузии приостанавливается и I_диф дальше не растет. Поэтому мы говорим, что в р-п переходе возникает потенциальный барьер для основных носителей. В то же время эти объемные заряды +q и –q своим эл. полем Е действуют ускоряюще на неосновные носители зарядов (электроны из р-области притягиваются к +q, а дырки из п-области к –q). В результате неосновные носители под действием эл. поля Е легко перейдут ч/з р-п переход и создадут дрейфовые токи. Дрейфовые токи – это токи неосновных носителей. В какой-то момент времени дрейфовый и дифф. ток ч/з р-п переход становятся равными и противоположными, тогда I_общ=I_др+I_диф=0.

Энергетическая диаграмма р-п перехода в состоянии термодинамического равновесия.

4. Переход металл-полупроводник.

Уровни энергии валентных электронов образуют валентную зону (ВЗ), а следующий уровень энергии, находящийся выше ВЗ образ. зону проводимости (ЗП). ЗП и ВЗ разделены запрещенной зоной (ЗЗ), ширина кот. различна у разных материалов.

У проводников-металлов – ВЗ заполнена частично, электроны занимают нижнюю часть зоны, а верхние уровни ВЗ не заполнены. Под действием слабого внешн. электр. поля валентные электроны приобрет. доп. энергию – кинетическую, заполняя в ВЗ занятые более высокие уровни энергии. Это означает, что электроны под действ. электр. поля приобрет. скорость и участвуют в перенесении электр. заряда, т.е. протекает электрический ток. Возможна и другая зонная структура проводника, при кот. ВЗ целиком заполнена валентными электронами, но ВЗ и ЗП перекрываются, т.е. ЗЗ отсутствует. В этом случае электроны под действием электр. поля могут приобретать дополнительную кинетич. энергию, занимая свободные уровни энергии в ЗП. Валентные электроны в металле принадлежат одновременно всем атомам кристалла и явл. свободными носителями заряда.

Если ВЗ заполнена целиком и ширина ЗЗ не равна 0, то валент. электроны не могут приобретать дополнит. кинетич. энергию и не явл. свободными. Если же вал. электрону собщить энергию, способную преодолеть ЗЗ, то он переходит из ВЗ на один из незанятых уровней ЗП и станов. свобод. носителем заряда. Одновременно в ВЗ появляется один свобод. уровень, соответствующий дырке, что позволяет электронам ВЗ перемещаться. Переход электрона из ВЗ в ЗП может произойти под действием тепловой энергии или какого либо другого источника энергии.

Если ширина ЗЗ относительно велика то тепловой энергии электронов недостаточно, чтобы перейти им из ВЗ в ЗП. Свободных носителей заряда в таких материалах нет и их относят к диэлектрикам.

5. p-n переход при прямом смещении.

Электронно-дырочным p-n наз. такой переход, кот. образован двумя областями ПП с разными типами проводимости: электронный и дырочный. Включение при кот. к p-n переходу прикладывается внешн. напряж. U_пр в противофазе с контактной разностью потенц. наз. прямым (см. рис. 1.). Как видно из потенциальной диаграммы (рис. 2) высота потенциального барьера уменьшается:

U_б=U_к-U_пр

Ширина p-n перехода также уменьшается h’h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным U_б=U_к+U_обр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузионного тока, кот. может быть определен по формуле:

I_диф=I_обр ехр·(-q_eU_обр / кТ).

При обр. включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, т.к. создается движение неосновных носителей. Этот ток наз. обратным и определяется по формуле: I_обр=I_др – I_диф.

Пробоем наз. резкое увелич. I ч/з переход в области обратных напряж. превышающих U, называемое U_проб. Существуют 3 основных вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

рис. 2.

7. Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой 2^х-электродный прибор, действие кот. основано на использовании эл-ских свойств p-n перехода или контакта металл-полупроводник. К этим св-вам относятся: односторонняя проводимость, нелинейность ВАХ, наличие участка ВАХ, обладающего отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при эл-ком пробое, существование емкости p-n перехода. В завис. от того, какое из свойств p-n перехода используется, ПД могут быть применены для целей выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования эл. колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в качестве переменных реактивных элементов.

В большинстве случаев ПД отличается от симметричного p-n перехода тем, что p- область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n-область (несимметричный p-n переход), т.е. в этом случае n- область носит название базы диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p- область и будет иметь меньшую величину, чем для симметричного перехода. При подаче прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока дырок из p-области в базу, и уже при небольших прямых напряжениях будет возрастать экспоненциально. Уравнение ВАХ p-n перехода имеет вид:

.

Применение ПД для тех или иных целей определяет требования, предъявляемые к его хар-кам, к величинам преобразуемых мощностей, токов и напряжений. Эти требования могут быть удовлетворены с помощью соответствующего выбора материала, из кот. изготовляется диод, технологией изготовления p-n перехода и конструкцией диода.

В соответствии с этим ПД разделяются на ряд основных типовых групп. Существующая классификация подразделяет ПД следующим образом:

а) по назначению (выпрямительные, детекторные, преобразовательные, стабилитроны, варикапы и др.);

б) по частотным свойствам (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ);

в) по типу перехода (плоскостные, точечные);

г) по исходному материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и т.д.);

Кроме того, существует разделение ПД внутри одной группы в соответствии с электрическими параметрами.

Кроме специфических параметров, характеризующих данную типовую группу, существуют параметры общие для всех ПД независимо от их специального назначения. К ним относятся: рабочий интервал температур, допустимое обратное напряжение, допустимый выпрямленный ток, допустимая мощность рассеивания.

8. Выпрямительные диоды.

Выпр. диод (ВД) применяются для преобразования переменного I НЧ (до 50 кГц) в I одного направления (выпрямление переменного I). Обычно рабочие частоты ВД малой и средней мощности (P) не превышают 20 кГц, а диодов большой мощности – 50 Гц.

Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его свойством проводить I в одном направлении (I насыщения очень мал).

В связи с применением ВД к их характеристикам и параметрам предъявляются следующие требования:

а) малый обратный ток I₀;

б) большое обратное напряжение;

в) большой прямой ток;

г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.

Для того чтобы обеспечить эти требования, ВД выполняются из полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны (ЗЗ), что уменьшает обр. I, и большим удельным R, что увеличивает допустимое обр. U. Для получения в прямом направлении больших I и малых падений U следует увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

ВД изгот-ся из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным R, причем Si является наиболее перспективным материалом.

Si диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину ЗЗ, имеют во много раз меньшие обратные I, но большее прямое падение U, т.е. при равной P отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у Si диодов будет больше. Si диоды имеют большие обратные U и большие плотности U в прямом направлении.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к. примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.

Количество неосновных носителей заряда определяется t и поэтому ход обратной ветви ВАХ сильно зависит от t, причем эта зависимость резко выражена для Ge диодов. Величина U пробоя тоже зависит от t. Эта зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом пробое за счет ударной ионизации возрастает при повышении t. Это объясняется тем, что при повышении t увелич-ся тепловые колебания решетки, уменьш-ся длина свободного пробега носителей заряда и для того, чтобы носитель заряда приобрел энергию достаточную для ионизации валентных связей, надо повысить напряженность поля, т.е. увеличить приложенное к p-n переходу обратное U. При тепловом пробое U_проб при повышении t уменьшается.

В некотором интервале t для Ge диодов пробой чаще всего бывает тепловым (ширина ЗЗ Ge невелика), а для Si диодов – электрическим. Это определяет значения при заданной t. При комнатной t значения для Ge диодов обычно не превышают 400В, а для Si – 1500В.

9. Стабилитрон.

рис.1. рис. 2.

Обратная ветвь ВАХ, показанной на рис. 1, т.е. явление пробоя p-n перехода, можно использовать для целей стабилизации U, пользуясь тем обстоятельством, что до тех пор пока пробой носит электрический характер характеристика пробоя полностью обратима. Полупроводник. диоды, служащие для стабилизации U, называются стабилитронами (С).

Как видно из ВАХ, в области пробоя незначительные изменения обратного U приводят к резким изменениям величины обратного I.

Предположим, что диод, имеющий такую характеристику, включен в простейшую схему, показанную на рис. 2, причем рабочая точка находится в той области ВАХ, где при изменении тока U практически остается постоянным.

В этом случае, если изменяется входное напряжение U, то изменяется I в цепи, но т.к. U на диоде при изменении I остается постоянным (изменяется R диода), то и U в точках а, б – постоянно. Если параллельно к диоду к точкам а, б подключить R нагрузки, то U на нагрузке тоже не изменится.

С изготовляются из кремния (Si). Это связано с тем, что в C может быть использована только электрическая форма пробоя, которая явл. обратимой. Если пробой перейдет в необратимую тепловую форму, то прибор выйдет из строя. Поэтому величина I_обр в C ограничена допустимой мощностью рассеивания P_рас = U_обр·I_обр.

Т.к. ширина запрещенной зоны Si больше, чем у германия, то для него электрическая форма пробоя перейдет в тепловую при больших значениях обратного I – отсюда целесообразность выполнения C из Si. Степень легирования Si, т.е. величина его удельного сопротивления ρ, зависит от величины стабилизируемого U, на которое изготовляется диод. С для стабилизации низких U изгот-ся из Si с малым удельным R; чем выше стабилизируемое R, тем из более высокоомного материала выполняется диод. Изменение стабилизируемого U от нескольких вольт до десятков вольт может быть достигнуто изменением удельного R Si.

Основным параметром C явл. U стабилизации U_стаб и температурный коэффициент U ТКН, характеризующий изменение U на C при изменении температуры (t) на 1˚С, при постоянном токе.

ТКН может принимать, как положит., так и отриц. значения в зависимости от влияния t на U пробоя U_проб. Для низковольтных С, кот. выполняются из низкоомных полупроводников, пробой имеет туннельный характер, а т.к. вероятность туннельного перехода электронов возрастает с увеличением t, т.е. U_проб падает, то низковольтные C имеют отриц. ТКН.

Для высокоомных стабилитронов ТКН положителен.

где U – напряж. на диоде, T – температура.

10. Варикап.

Действие варикапов (В) основано на использовании емкостных свойств р-п перехода.

Обычно используется зависимость величины барьерной емкости С_зар от U в области обратных напряжений. В общем виде зависимость величины зарядной емкости от U имеет вид;

С_зар≈А(φ_к-U)^-υ,

где А – постоянная,

φ_к – высота потенциального барьера,

U – внешнее напряжение,

υ = 1/2 – для резких переходов,

υ = 1/3 – для плавных переходов.

рис. 1.

Эта зависимость изображена на рис. 1, где сплошной линией показана характеристика плавного перехода, а пунктирной – резкого перехода.

(В) могут быть использованы для различных целей как конденсаторы с переменной емкостью. Иногда их используют в параметрических усилителях. В принципе работы параметрического усилителя лежит частичная компенсация потерь в колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивности L и конденсатора C, при периодическом изменении емкости конденсатора или индуктивности катушки (при условии, что изменение будет происходить в определенных количественных и фазовых соотношениях с частотой колебаний контура). В этом случае увеличение мощности электрических колебаний (сигнала) происходит за счет энергии того источника, который будет периодически изменять величину реактивного параметра. В качестве такого переменного реактивного параметра и используется В, емкость которого меняется в результате воздействия гармонического U подаваемого от специального генератора накачки. Если с помощью U и генератора накачки полностью скомпенсировать все потери контура, т.е. довести его до состояния самовозбуждения, то такая система носит название параметрического генератора.

Очевидно, что в качестве управляемой емкости может работать любой полупроводниковый диод, при условии, что величина его зарядной емкости достаточно велика. К специальным параметрическим диодам, работающим в параметрических усилителях на высоких и сверхвысоких частотах, предъявляются повышенные требования: они должны обладать сильной зависимостью емкости от U и малым значением сопротивлением базы для повышения максимальной рабочей частоты.

11. Высокочастотные диоды.

В высокочастотных полупроводниковых диодах так же, как и в выпрямительных диодах, используется несимметричная проводимость p-n перехода.

Они работают на более высоких частотах, чем выпрямительные диоды (до сотен МГц), и подразделяются на универсальные и импульсные. Универсальные ВЧ диоды применяются для получения высокочастотных колебаний тока одного направления, для получения из модулированных по амплитуде высокочастотных колебаний – колебаний с частотой модуляции (детектирование), для преобразования частоты. Импульсные диоды применяются как переключающий элемент в импульсных схемах.

При работе полупроводникового диода на высокой частоте большую роль играет емкость перехода, обусловливающая инерционность диода. Если диод включен в выпрямительную схему, то влияние емкости приводит к ухудшению процесса выпрямления

Кроме того, эффективность выпрямления снижается за счет того, что часть подведенного к p-n переходу внешнего напряжения падает на сопротивлении базы диода. Отсюда следует, что p-n переходы полупроводниковых диодов, работающих на высокой частоте должны обладать малой емкостью и малым сопротивлением базы.

Для уменьшения емкости уменьшают площадь перехода, а для уменьшения сопротивления базы уменьшают толщину базы.

Требования уменьшения инерционных свойств в.ч. диода и, в связи с этим уменьшения площади перехода, времени жизни неравновесных неосновных носителей заряда и толщины базы становится особенно важным в том случае, если диод работает в импульсной схеме в качестве переключателя. Переключатель имеет два состояния: открытое и закрытое. В идеальном случае переключатель должен иметь нулевое сопротивление в открытом состоянии, бесконечно большое – в закрытом, и мгновенно переходить из одного состояния в другое. В реальном случае при переключении ВЧ диода из закрытого состояния в открытое и обратно стационарное состояние устанавливается в течение некоторого времени, которое называется временем переключения и характеризует инерционные свойства диода. Наличие инерционных свойств при быстром переключении приводит к искажению формы переключаемых импульсов.

При изготовлении импульсных диодов в исходный полупроводник вводятся элементы, являющиеся эффективными центрами рекомбинации (Au, Cu, Ni), что снижает время жизни неравновесных носителей заряда. Толщина n-области (базы) уменьшается до значений меньших, чем значение диффузионной длины пробега дырок Zр. Это одновременно уменьшает и время жизни неравновесных носителей, и сопротивление базы. Конструктивно в.ч. диоды выполняются в виде точечной конструкции или плоскостной с очень малой площадью перехода.

12. Биполярный транзистор.

Бип. тр-ром (БТ) наз-ся электропреобразовательный полупроводниковый (ПП) прибор, имеющий два взаимодействующих перехода. Тр-р представляет собой кристалл ПП, содержащий 3 области с поочередно меняющимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различ. БТ типов p-n-p и n-p-n. Принцип действия БТ различных тип. одинаков. Тр-ры получили назв. бипол., т.к. их работа обеспеч-ся носителями зарядов двух типов основными и неосновн.

Схематическое устр-во и условн. графич. обознач. p-n-p и n-p-n тр-ров показ. на рис. 1.

рис. 1.

Одну из крайних областей тр-ной структуры создают с повыш. концентрацией примесей, используют в режиме инжекции и наз. эмиттером. Среднюю область наз. базой, а крайнюю обл. – коллектором. Два перехода БТ наз. эмиттерным и коллекторным.

В завис. от того, какой электрод имеет общую точку соедин-я со вх. и вых. цепями, различ. 3 способа включ. тр-ра: с ОБ, ОЭ и ОК. Электрич. парам-ры и хар-ки БТ существенно различ-ся при разных схемах вкл.

По режимам работы p-n перехода различают 4 режима работы тр-ра:

1. Активный режим – эмиттерный переход открыт, коллекторный закрыт. Этот режим работы явл. обычным усилительным, при котором искажения сигнала min.

2. Режим насыщения – оба перехода откр. Падение U на откр. эмит. и колл. переходах напр. встречно, однако I в цепи Э-К проходит в одном напр., напр. от К к Э в тр-ре n-p-n типа (рис. 2.а). Тр-р работает в реж. насыщ. при относит. больших токах базы. Инжекции электронов в Б при этом становится столь сильной, что цепь К становится неспособной извлекать избыточные электроны из Б также эффективно, как в активном режиме. Концентрация электронов в Б у колл. перехода становится сравнимой с концентр. их у эмитт. перехода (рис. 2.b), что соотв-ет прямой полярности U на колл. переходе.

рис. 2.