электроника. электроника экз. Полупроводники и их свойства
 Скачать 104.97 Kb.
|
|
Секция 1 "Полупроводники и их свойства" Электропроводность полупроводников, сравнение электропроводности металлов, полупроводников и диэлектриков. Металлы относятся к веществам с очень хорошей электронной проводимостью (проводники первого рода). Их удельная электропроводность  от104до106 ом-1∙см-1, или в системе СИ от106до108сим∙м-1 (1 сим = 1 ом-1).Диэлектрики в противоположность металлам характеризуются жесткой локализацией валентных электронов около определенных атомов, находящихся в ковалентной связи с соседними атомами. В типично ионных решетках электроны тоже прочно удерживаются около каждого иона. По этой причине диэлектрики имеют очень малую удельную электропроводность (от10-10до10-22 ом-1 ∙ см-1) и обладают изолирующими свойствами. Между металлами, как очень хорошими электронными проводниками, и диэлектриками, обладающими более или менее высокими изолирующими свойствами, находится громадная группа веществ с удельной электропроводностью от 10-10до104 ом-1см-1. Вещества этой группы называют полупроводниками. Под полупроводниками понимают обычно неметаллические проводники с электронным механизмом тока. При повышении температуры проводимость полупроводников в отличие от металлов обычно возрастает. Электропроводность диэлектриков тоже возрастает. При температуре, близкой к абсолютному нулю, проводимость полупроводников и диэлектриков практически нулевая. По электрическим свойствам полупроводники стоят ближе к диэлектрикам, чем к металлам, от которых они имеют принципиальное качественное отличие. По сравнению с металлами проводимость полупроводников не уменьшается, а увеличивается при введении ничтожных количеств примесей, при появлении других дефектов строения кристаллической решетки, при действии различных излучений. Электрофизические свойства полупроводниковых соединений весьма чувствительны к отклонениям от стехиометрического состава. В отличие от металлов полупроводники хрупки и менее теплопроводны, хуже отражают видимые лучи. F G Энергетические диаграммы твердых тел, основные принципы зонной теории твердого тела Зонная теория является основой современных представлений о механизмах различных физических явлений, происходящих в твердом кристаллическом веществе при воздействии на него электромагнитного поля. Зонная теория твердого тела – это теория валентных электронов, движущихся в периодическом потенциальном поле, кристаллической решетки. Как отмечалось, отдельные атомы имеют дискретный энергетический спектр, т. е. электроны могут занимать лишь вполне определенные энергетические уровни. Часть этих уровней заполнена при нормальном, невозбужденном состоянии атома, на других уровнях электроны могут находиться только тогда, когда атом подвергнется внешнему энергетическому воздействию, т. е. когда он возбужден. Стремясь к устойчивому состоянию, атом излучает избыток энергии в момент перехода электронов с возбужденных уровней на уровни, на которых его энергия минимальна.  Выводы зонной теории. Характер энергетического спектра у металлических проводников, полупроводников и диэлектриков существенно различен. В металлических проводниках валентная зона заполнена не полностью или перекрывается с зоной проводимости. В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости и валентная зона разделены некоторым энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной. Формально к полупроводникам относят вещества, у которых запрещенная зона меньше 3 эВ. Вещества с более широкой запрещенной зоной относят к диэлектрикам. У реальных диэлектриков ширина запрещенной зоны может достигать 10 эВ.  Секция 2 "p-n-переход, полупроводниковый диод" Электронно-дырочный переход. Принцип действия и энергетическая диаграмма. Электронно-дырочным переходом (или кратко р-п-переходом) называют тонкий слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электронную, а другая – дырочную электропроводность. Сразу после создания р-п-перехода при отсутствии внешнего электрического поля электроны из п-области стремятся проникнуть в р-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р-области перемещаются в п-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток р-п-перехода. Электроны, перешедшие в р-область, рекомбинируют с дырками, в результате чего в р-области вблизи границы раздела двух типов полупроводников появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из п-области приводит к появлению в приконтактной части п-области нескомпенсированных положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси.  Упрощенная структура р-п-перехода Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает в области р-п-перехода объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля (  на рисунке 1.5). Вектор этого поля направлен таким образом, что оно препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей зарядов. Поэтому через короткий промежуток времени на р-п-переходе устанавливается динамическое равновесие, он становится электрически нейтральным, а ток через р-п-переход – равным нулю.Потенциальный барьер p-n перехода. Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов yк (потенциальным барьером), преодолеть которую носители без «сторонней помощи» не могут. Вместе с тем возникшее в р-п-переходе поле не препятствует движению неосновных носителей через переход, так как для них оно будет ускоряющим. Неосновные носители создают дрейфовый ток р-п-перехода. Контактная разность потенциалов yкна р-п-переходе зависит от концентрации примесей в областях полупроводника и определяется выражением:  , где  – температурный потенциал;пi – концентрация носителей зарядов в нелегированном полупроводнике; Контактная разность потенциалов для германия при этом имеет значение 0,2-0,3 В, а для кремния – 0,6-0,7 В. Прямое и обратное смещение p-n перехода, токи прямого и обратного смещения Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п-переходу. Если внешнее напряжение создает в р-п-переходе поле, вектор напряженности которого совпадает по направлению с вектором напряженности внутреннего поля (рисунок 1.6, а), то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается (рисунок 1.6, б). Если полярность поля, создаваемого приложенным внешним напряжением, противоположна полярности собственного (внутреннего) поля и внешнее напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.   Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает – то обратным. Обратный ток (iобр) в р-п-переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Его предельное значение называют обратным током насыщения. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через р-п-переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе. При прямом смещении p-п-перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя р-п-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей. дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:  ,Полупроводниковый диод, определение, обозначение, устройство, принцип действия, ВАХ (прямая и обратная ветвь). Полупроводниковый диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами, в котором используются свойства р-n- перехода. В плоскостных диодах р-n- переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды). Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии  Рис. 3. Устройство плоскостных диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным методоm Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый 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. Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются: прямой ток диода Iпр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно Uпр = 1…2В); максимально допустимый прямой ток Iпр мах диода; максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр мах, при котором диод еще может нормально работать длительное время; постоянный обратной ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uобр мах; средний выпрямленный ток Iвп.ср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре его нагрева; максимально допустимая мощность Pмах, рассеиваемая диодом, при которой обеспечивается заданная надежность диода. d f. Работа диода на обратной ветви ВАХ, пробои диода Туннельный пробой происходит в очень узких р-п-переходах, имеющих толщину в доли микрометра, которая получается при концентрации примеси в базе, превышающей 1019 см-3. Напряжение туннельного пробоя не превышает 4 В. Лавинный пробой происходит в широких р-п-переходах, которые получаются при концентрации примесей в базе, не превышающей 1018 см-3. Напряжение лавинного пробоя больше 6 В. При снижении концентрации примеси напряжение лавинного пробоя возрастает. При концентрации примеси от 1018 до 1019 см-3 может возникнуть как лавинный, так и туннельный пробой. Часто эти два вида пробоя существуют одновременно. При этом напряжение пробоя лежит между 4 и 6 В. При лавинном и туннельном пробое вольтамперные характеристики идут почти вертикально. При этом при туннельном пробое на р-п-переходе устанавливается напряжение, обеспечивающее критическую напряженность поля, а при лавинном пробое устанавливается напряжение, обеспечивающее лавинное размножение носителей заряда. Ток при лавинном и туннельном пробое может достигать очень больших значений, что может привести к перегреву перехода и возникновению теплового пробоя. Чтобы этого не произошло, обратное напряжение на диод всегда подают через ограничительный резистор. Тепловой пробой происходит в р-п-переходах с большими обратными токами. При этом рост тока при наступлении пробоя сопровождается снижением обратного напряжения, так как с ростом тока уменьшается сопротивление перехода из-за повышения температуры. Поэтому на вольтамперной характеристике получается падающий участок. Тепловой пробой обычно сопровождается «шнурованием» тока в переходе, суть которого заключается в следующем. Вследствие дефектов кристаллической структуры либо статистических (случайных) флюктуации плотности обратного тока по ширине перехода в некоторой локальной области перехода температура может превысить среднюю по переходу, это приводит к локальному увеличению плотности тока и выделяемой мощности, что, свою очередь, еще больше повышает температуру в данной области, и т. д. В результате обратный ток стягивается в узкий шнур, и образуется локальный канал с высокой плотностью тока, что может привести к разрушению перехода. Характеристики диода, дифференциальное и статическое сопротивления. Статическое сопротивление Rст определяется для неизменяющегося конкретного напряжения как отношение этого напряжения к току: Rст=U/I. Понятие дифференциального сопротивления используется в том случае, когда ток и напряжение меняются в небольших пределах от какого-либо значения. Дифференциальным сопротивлением Rдиф нелинейного элемента в заданной точке А его характеристики называют отношение бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока. Динамическое сопротивление Rдиф образуется при быстрых изменениях тока и напряжения: Rдиф=dU/dI. Секция 3 "Транзисторы. Тиристоры." Биполярный транзистор, устройство, принцип действия, обозначение, типы, токи биполярного транзистора |