прикладная. Экзаменационные вопросы по дисциплине Прикладная электроника
 Скачать 440.09 Kb.
|
|
Экзаменационные вопросы по дисциплине «Прикладная электроника» 1. Собственная проводимость полупроводников Химически чистый полупроводник называется собственным и обладает как электронной, так и дырочной проводимостью. Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытком подвижных дырок, называется дырочной проводимостью. Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытком свободных электронов, называется электронной проводимостью. В собственных полупроводниках количество свободных электронов равно количеству дырок. Процесс перехода из валентной зоны в зону проводимости называется генерацией электронно-дырочной пары. Процесс перехода из зоны проводимости в валентную зону, связанный с уничтожением свободных носителей заряда, называется рекомбинацией. При нормальных условиях собственные полупроводники находятся в динамическом равновесии, при котором скорость генерации равна скорости рекомбинации. 2. Зонная теория твердых тел Твердые тела резко различаются по своим свойствам, поэтому классифицировать их можно различными способами: 1. по величине удельной электропроводности - проводники - полупроводники - диэлектрики 2. по температурной зависимости электропроводности - у металлов с ростом температуры электропроводность уменьшается пропорционально - у полупроводников и диэлектриков – экспоненциально возрастает 3. по наличию примесей - примеси в металлах уменьшают электропроводность - примеси в полупроводниках увеличивают электропроводность Все эти факты можно объяснить с помощью зонной теории твердого тела. Физика твердого тела показывает, что в твердом теле, так же как и в отдельном атоме, электроны не могут иметь произвольную энергию. В атоме электрон имеет только строго определенные дискретные значения энергии, причем атомы различных элементов отличаются своими системами энергетических уровней. В твердом теле из-за взаимодействия атомов уровни расщепляются и из них образуются области или зоны разрешенных значений энергии, между которыми находятся запрещенные зоны. В результате образуются зоны разрешенных уровней энергии, между которыми находятся запрещенные. Ширина энергетических зон определяется природой атомов, образующих кристалл, и его структурой. Число энергетических уровней, на которые расщепляется каждый энергетический уровень изолированного атома, равно числу атомов в кристалле. Величина расщепления тем больше, чем сильнее взаимодействие между атомами, т. е. чем меньше расстояние между ними. Совокупность энергетических уровней с близкими по значению энергиями называются энергетической зоной. Валентной зоной называется энергетическая зона, уровни которой заполнены электронами при температуре абсолютного нуля. Зоной проводимости называется энергетическая зона, уровни которой свободны от электронов при температуре абсолютного нуля. Запрещенной зоной называется энергетическая зона, в которой нет уровней разрешенных для электронов. 3. Примесная проводимость полупроводников Примесным называется полупроводник, содержащий внутри кристаллической решетки атома вещества с другой валентностью. Примеси, вызывающие в полупроводнике увеличение свободных электронов, называются донорными, а вызывающие увеличение свободных дырок – акцепторными. Полупроводники с преобладанием электронной электропроводностью называются электронными полупроводниками или полупроводниками n- типа. Энергетические уровни атомов донора расположены немного ниже зоны проводимости основного полупроводника, поэтому из каждого атома донора один электрон легко переходит в зону проводимости и таким образом в этой зоне появляются дополнительное число электронов, равное числу атомов донора. В самих атомах донора дырки не образуются. Полупроводник с преобладанием дырочной электропроводностью называется дырочным полупроводником или полупроводником р-типа. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются немного выше валентной зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, в которой при этом возникает дырка. 4. р-n переход. ВАХ Электронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который образован двумя обла-стями полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области p-типа может попасть в правую область n-типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. B результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд. Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области – избыточный отрицательный заряд. Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки p-области от границы раздела полупроводников, а электроны n-области – вправо от этой границы. Вольт-амперной характеристикой p-n перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n переход, от величины и полярности приложенного напряжения. Характеристика, построенная с использованием этого выражения, имеет два характерных участка: 1— соответствующий прямому управляющему напряжению Unp, 2 — соответствующий обратному напряжению Uобр. При больших обратных напряжениях наблюдается пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый). 5. Виды пробоя Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя. В зависимости от процессов, пробой перехода может быть обратимым или необратимым. Обратимым называют такой пробой перехода, когда после уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора. Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность. Различают три основных механизма пробоя: туннельный (зенеровский или полевой), лавинный и тепловой. Туннельный пробой. Сущность туннельного эффекта состоит в том, что при большой напряжённости поля, электроны валентной зоны p-области могут без изменения своей энергии переходить на валентные уровни n-области. Высокая напряжённость поля характерна для узких переходов, т.е. для полупроводников с высокой степенью легирования. Туннельный пробой носит обратимый характер и широко используется для создания полупроводниковых приборов основанных на этом эффекте. Лавинный пробой. Лавинный пробой развивается в p-n переходах образованных слаболегированными полупроводниками, когда ширина перехода достаточно велика. При лавинном пробое носители в p-n переходе разгоняясь до больших скоростей приобретают высокую энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решётки. Высвободившиеся при этом электроны, также приобретая большие энергии, ионизируют всё большее число атомов в переходе. При некотором значении напряжения этот процесс переходит в лавинообразный. Происходит резкое увеличение обратного тока – пробой перехода. Также как и туннельный лавинный пробой носит обратимый характер и также используется для создания различных п/п приборов. Тепловой пробой. Этот вид пробоя p-n перехода наступает в том случае, если количество тепла, выделяющегося в переходе в единицу времени, пропорциональное мощности рассеиваемой на переходе, становится больше количества тепла отводимого от p-n перехода в единицу времени. В этом случае температура перехода растёт, что приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда, а следовательно к увеличению обратного тока и ещё большему разогреву перехода. Температура и ток лавинно нарастают. 6. Классификация полупроводниковых диодов Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода. Полупроводниковые диоды классифицируются: 1) по назначению: выпрямительные, высокочастотные и сверхвысокочастотные (ВЧ- и СВЧ- диоды), импульсные, полупроводниковые стабилитроны (опорные диоды), туннельные, обращенные, варикапы и др.; 2) по конструктивно-технологическим особенностям: плоскостные и точечные; 3) по типу исходного материала: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др. 7. Выпрямительный диод Выпрямительный полупроводниковый диод – это диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды выполняются на основе р-n- перехода и имеют две области, одна из них является более низкоомной (содержит большую концентрацию примеси), и называется эмиттером. Другая область, база – более высокоомная (содержит меньшую концентрация примеси). В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n- перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Как известно, прямой ток диода создается основными, а обратный – не основными носителями заряда. Концентрация основных носителей заряда на несколько порядков превышает концентрацию не основных носителей, чем и обусловливаются вентильные свойства диода. 8. Кремневый стабилитрон Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n- переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n- переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока. Низковольтные стабилитроны изготовляют на основе сильнолегированного (низкоомного) материала. В этом случае образуется узкий плоскостный переход, в котором при сравнительно низких обратных напряжениях (менее 6В) возникает туннельный электрический пробой. Высоковольтные стабилитроны изготавливают на основе слаболегированного (высокоомного) материала. Поэтому их принцип действия связан с лавинным электрическим пробоем. 9. Тунельный диод Туннельный диод – это полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка отрицательного дифференциального сопротивления. Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n- переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект). Туннельный эффект приводит к появлению на прямой ветви ВАХ диода участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.  10. Варикап Варикап – это полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Основной характеристикой варикапа является зависимость его емкости от величины обратного напряжения По другому эта характеристика называется вольт-фарадная характеристика Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Основные параметры варикапов: • номинальная емкость Св – емкость при заданном обратном напряжении (Св = 10…500 пФ); • коэффициент перекрытия по емкости Кс=Cmax/Cmin; (Кс = 5…20) – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений. Варикапы широко применяются в различных схемах для автоматической подстройки частоты, в параметрических усилителях. 11. Импульсный диод Импульсный диод – это диод с малой длительностью переходных процессов, предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Они применяются в качестве коммутирующих элементов (например, в ЭВМ), для детектирования высокочастотных сигналов и для других целей. При быстрых изменениях напряжения на диоде в p-n переходе возникают переходные процессы, обусловленные двумя основными процессами. Первое – это накопление неосновных носителей в базе диода при его прямом включении, т.е. заряд диффузионной емкости. А при смене напряжения на обратное (или при его уменьшении) - рассасывание этого заряда. Второе явление – это перезарядка барьерной емкости, которая тоже происходит не мгновенно, а характеризуется постоянной времени t=rd*Cbar, где rd - дифференциальное сопротивление диода (сопротивление по переменному току), а Cbar - барьерная емкость pn- перехода. Первое явление играет основную роль при больших плотностях прямого тока через диод, заряд барьерной емкости в этом случае играет второстепенную роль. При малых плотностях тока переходные процессы в диоде определяются вторым явлением, а второстепенную роль играет уже накопление неосновных носителей заряда в базе. Рассмотрим процесс переключения диода из состояния высокой проводимости (диод открыт) в состояние низкой проводимости (диод закрыт). При приложении прямого напряжения возникает значительный прямой ток, что приводит к накоплению неосновных носителей заряда в области базы (это высокоомная n - область). При переключении диода с прямого направления на обратное в начальный момент через диод идет большой обратный ток, ограниченный, в основном, объемным сопротивлением базы. Со временем накопленные в базе неосновные носители рекомбинируют или уходят через pn- переход, и обратный ток уменьшается до своего стационарного значения. Весь этот процесс занимает время восстановления обратного сопротивления tgos– интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода до момента достижения обратным током заданного низкого значения. Это один из основных параметров импульсных диодов. 12. Светодиод Светодиодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, предназначенный для непосредственного преобразования электрической энергии в световое излучение. При прямом включении p-n перехода и пропуске прямого тока в процессе рекомбинации происходит переход электрона с высокого энергетического уровня в зоне проводимости (n) на низкий в валентной зоне (p). При работе на светодиод следует подавать прямое напряжение. Схема включения светодиода в цепь постоянного тока и его вольтамперная характеристика. Светодиод, как и любой полупроводник, обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, то есть с ростом температуры увеличивается прямой ток и снижается прямое напряжение светодиода. 13. Фотодиод Фотодиодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, вольтамперная характеристика которого зависит от воздействующего на него света Простейший фотодиод представляет собой обычный полупроводниковый диод, в котором обеспечивается возможность воздействия оптического излучения на р-n переход. В равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует, концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычному p-n переходу При воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в n области возникают электронно-дырочные пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии фотоносителей вглубь n области основная доля электронов и дырок не успевает рекомбинировать и доходит до границы p-n перехода. Здесь фотоносители разделяются электрическим полем p-n перехода, причем дырки переходят в p область, а электроны не могут преодолеть поле перехода, и скапливаются у границы p-nперехода и n области. Таким образом, ток через p-n переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком. 14. Классификация полупроводниковых транзисторов 1) По технологии изготовления и принципу работы: Биполярные; Полевые; Одноканальные; Фото-транзисторы; 2) По назначению и применению в схемах: Усилительные; Генераторные; Ключевые. 3) Биполярные транзисторы делятся по способу проводимости: Прямой проводимости или p-n-p типа; Обратной проводимости или n-p-n типа. 4) Полевые транзисторы делятся по технологии изготовления: Полевые транзисторы с управляющим переходом; Полевые транзисторы с изолированным каналом; МОП – транзисторы; МДП – транзисторы: МДП со встроенным каналом; МДП с индуцированным каналом. 5) Фототразисторы делятся по режиму работы: Фотодиодные; Фототранзисторные. |