Первый билет

• Название: Первый билет
• Дата: 14.02.2023
• Размер: 2.86 Mb.
• Имя файла: Elektronika_shpora.docx
• Тип: Документы; #937160
• страница: 10 из 16

Десятый билет

10. Контакт металл-полупроводник. Диоды Шотки

наиболее распространенным в электронике типам контактов. Чаще всего это обычный, омический контакт. Его сопротивление невелико, не зависит от знака и величины приложенного напряжения. Ток в омическом контакте связан с напряжением законом Ома. Такие контакты совершенно необходимы для электрического соединения элементов или их частей друг с другом.

Некоторые металлы и полупроводники образуют так называемые контакты Шотки, обладающие односторонней проводимостью. При прямом напряжении Uпр они хорошо пропускают ток (открытое состояние), при обратном напряжении Uобр тока почти нет (закрытое состояние). Такие контакты используются в диодах Шотки и некоторых типах транзисторов.

Характер контакта металл–полупроводник зависит от соотношения работ выхода контактирующего металла qм и полупроводника qп. Если, например, qмqп, будет преобладать поток свободных электронов из металла в полупроводник. При этом в m-n переходе в приграничной области полупроводника образуется избыток свободных электронов, т.е. обогащенный слой, рис. 13,а. В таком виде в контакте свободные электроны имеются во всех его частях, и поэтому он обладает очень маленьким электрическим сопротивлением, т.е. является омическим контактом.


а) б)
Рис. 13

ВАХ омического контакта линейна. Его главным параметром является сопротивление R, которое должно быть минимальным. Оно определяется, главным образом, параметрами полупроводниковой области, сопротивление которой намного больше. Удельное сопротивление, зависит от концентрации носителей n и их подвижности µn: R = ρL/S = L/ µnnS (18)

Если qм  qп, в m-n переходе преобладает поток электронов из полупроводника в металл, рис. 13,б. В n-области образуется обеднённый слой.

Уменьшение концентрации свободных электронов в обеднённом слое приводит к появлению здесь положительного заряда нескомпенсированных ионов донорной примеси. Заряды в приграничных областях создают собственное электрическое поле с контактной разностью потенциалов

к0 = m – п (19)

где к0 – контактная разность потенциалов в равновесном состоянии, т.е. в отсутствие внешнего напряжения.

Чтобы получить открытое состояние контакта, необходимо подать на него прямое напряжение, плюс (больший потенциал) к m – области, минус (меньший потенциал) к n – области. Свободные электроны n – области начнут заполнять обеднённый слой, контактная разность потенциалов уменьшится, потенциальный барьер понизится:

к = к0 – Uпр (20)

Распределение свободных электронов примет вид рис. 13,а. Высокая концентрация свободных электронов во всех частях контакта обусловит протекание большого дрейфового тока, прямого тока Iпр.

При обратном напряжении

к = к0 + Uобр , (21)

т.е. контактная разность потенциалов и потенциальный барьер возрастут. В обеднённом слое концентрация свободных электронов станет ещё меньше, сам слой расширится. Обратный ток Iобр будет ничтожным.

Поэтому при qм  qп m-n переход обладает односторонней проводимостью, т.е. является контактом Шотки. Аналогичная картина наблюдается в менее распространённом m-p контакте. При qм  qp это контакт Шотки,

при qм  qp – омический контакт.

14,б:

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) омического контакта и контакта Шотки изображены на рис. 14,а и рис.



а) б)

Рис. 14

ВАХ контакта Шотки описывается формулой Шокли:

I = I0(eU/T – 1), (22)

Термический потенциал T при комнатной температуре составляет 0,025 В, а прямые напряжения составляют десятые доли В. Потому при прямых (положительных) напряжениях единицей в скобках в формуле (22) можно пренебречь и ВАХ в области прямых напряжений, так называемая прямая ветвь - экспоненциальная. Ток насыщения, или тепловой ток I0 при неизменной температуре – константа, определяющаяся конструкцией и материалом контакта, а также степенью легирования полупроводниковых областей. Является параметром контакта. Этот ток называют тепловым из-за сильной зависимости от температуры. В контактах металл-полупроводник и двух полупроводников этот ток обусловлен дрейфом неосновных носителей через внутреннее поле контакта, которое является для них ускоряющим. Поскольку неосновные носители в примесных полупроводниках появляются за счет генерации (в основном, термогенерации), то и величина этого тока зависит непосредственно от температуры.

При обратных напряжениях протекает незначительный ток I0, а при обратных напряжениях, превышающих напряжение пробоя Uпр, возникает электрический пробой и ток резко возрастает.

Важнейшими достоинствами диодов Шотки являются:

• 
  наименьшие по сравнению с другими диодами напряжения открытого состояния, в пределах 0,2…0,5 В. Это означает, что в диодах Шотки, по сравнению с другими диодами, при одинаковом прямом токе рассеиваемая мощность Pрасс = UпрIпр меньше. Поэтому диоды Шотки отличаются меньшими тепловыми потерями;
  
• 
  в открытом состоянии ток в них дрейфовый, т.к. его диффузионная составляющая ничтожна. Поэтому у диодов Шотки нет диффузионной ёмкости, емкость чисто барьерная и небольшая, они отличаются высоким быстродействием.
  

25. Контакт проводник – вакуум. Термоэлектронная эмиссия. Электронные лампы.

Проводник в вакууме также можно рассматривать как контакт двух веществ, точнее, двух сред. В таком контакте возникает явление термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия, в дальнейшем просто эмиссия, является результатом обычной для контактов диффузии свободных электронов из металла (где их много) в окружающий вакуум (где их нет). Эмиссия тем интенсивней, чем меньше работа выхода из металла и чем выше температура.

В простейшем электровакуумном приборе, диоде, вакуум создаётся в стеклянном, керамическом или металлическом баллоне. На условном обозначении диода он отображается кружком или овалом, рис. 48.



Рис. 48

Эмиссия возникает в контакте металла катода с окружающим вакуумом. При косвенном накале катод нагревается с помощью расположенной внутри него нити накала до нескольких сотен градусов, а при прямом накале ток проходит через катод и разогревает его. Для улучшения эмиссионных свойств или получения необходимого тока эмиссии Iэ подбирают специальный металл (иногда полупроводник) катода с минимальной работой выхода или покрывают его специальным составом.

На небольшом расстоянии от катода располагается второй электрод – анод. Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, анод создаёт между катодом и анодом положительное электрическое поле. Это поле заставляет электроны двигаться от катода к аноду. Возникает анодный ток Iа. При отрицательном напряжении на аноде этого тока нет, так как эмиссия свободных электронов происходит только с катода, и конвекционный ток не протекает. Отсюда односторонняя проводимость, как и в диодах на основе m-n и p-n переходов.

В электровакуумном триоде (рис. 49) имеется ещё один электрод –



Рис. 49

управляющая сетка – сетчатый электрод, расположенный между катодом и анодом. Через просветы в сетке могут пролетать электроны. На управляющую сетку подаётся напряжение входного сигнала uвх и постоянное напряжение смещения от источника Ес. Суммарное напряжение на сетке uc = uвх + Ес, как правило, небольшое и отрицательное. При этом электроны не перехватываются сеткой и сеточного тока нет. В противном случае, при положительном uc, наблюдается захват сеткой части электронов из потока, идущего от катода к аноду. В результате появляется сеточный ток, растёт потребление мощности от источника сигнала, уменьшается коэффициент усиления по мощности. Уменьшается также полезный выходной ток Iа.

Расположение сетки, её «густота», величины сеточного и анодного напряжения таковы, что суммарное поле сетки и анода вблизи катода положительное и возникает значительный Iа. В то же время поле сетки сильно влияет на величину Iа т.к. она расположена намного ближе к катоду и эффективно управляет потоком электронов. В результате, из-за отсутствия или малости входного (сеточного) тока мощность источника сигнала ничтожна по сравнению с мощностью, выделяемой в нагрузке Рн = Iа2 ∙ Rн. Следовательно, лампа обладает большим коффициентом усиления по мощности.

С ростом отрицательного напряжения на сетке суммарное поле у катода ослабевает. Это вызывает уменьшение тока анода Iа. При достаточно большом отрицательном напряжении на сетке uC ток анода Iа исчезает (режим отсечки). Электрические свойства триода хорошо отражает семейство анодных характеристик – зависимостей Iа от Ua при различных напряжениях на управляющей сетке Eс. Типичное триода изображено На рис. 50 изображено семейство анодных характеристик пентода, у которого соединены электрически все три сетки.

По анодным характеристикам хорошо видно, что влияние сеточного



Рис. 50

напряжения на анодный ток намного сильнее, чем влияние анодного напряжения. Так, изменение напряжения на управляющей сетке с -3 В до -6 В при неизменном Ua = 100 В уменьшит Iа на 14 мА. В тоже время для изменения Iа на 4 мА потребуется приращение Δ Ua = 200 В.

Лампа с двумя сетками, т.е. с четырьмя электродами, называется тетрод, с тремя сетками – пентод. В таких лампах имеются дополнительные сетки, улучшающие электрические свойства.

Наряду со статическими характеристиками для описания свойств ламп используется следующие три дифференциальных (малосигнальных) параметра. Это крутизна анодно-сеточной характеристики S = dIа / dUc ,