Лекция №1 Краткие сведения по истории электроники

Лекция №1

Краткие сведения по истории электроники.

Начало развития электроники – конец 19 начало 20в.

В1922г. Лосев О.В. открыл возможность генерации и усиления электрических колебаний с помощью кристаллического полупроводникового детектора. Открыл свечение контакта в детекторе.

30-е годы – развитие полупроводниковой электроники. Под руководством Иоффе А.Ф. исследовали:

- физические процессы в полупроводниках;

- влияние примеси на эти процессы;

- термоэлектронные и фотоэлектронные свойства полупроводников;

- выпрямление переменного тока в полупроводниковых приборах (ППП);

Давыдов Б.И. предложил теорию выпрямления переменного тока в контакте.

Металлы и полупроводник

- квантовую теорию п/п; - ввел понятие о подвижных свободных местах кристаллической решетки п/п… - создал теорию генерации пар “электрон-дырка”

Параметры и характеристики имеют значительный разброс.

- Свойства и параметры значительно зависят от температуры.

- Очень изменяются параметры с течением времени (старение).

- Большие собственные шумы.

- Непригодность для работы на ВЧ.

- Входное сопротивление значительно ниже чем у электронных ламп.

- Полезная мощность ниже чем у электровакуумных приборов.

- Работа ППП резко ухудшается под воздействием ионизирующего излучения.

В настоящее время выпускается около 1500 различных типов ППП и тиристоров и более 1000 транзисторов.

 

Лекция №2

Требования к электронным элементам радиоэлектронной аппаратуры

Главные параметры:   1 Номинальные значения и их допуски.

Электроны в твёрдых телах

Энергия электрона принимает лишь определённые значения, называемые энергетическими уровнями. При переходе электрона с более высокого уровня на более… В металлах каждый атом отдаёт электрон в зону проводимости. В полупроводниках… Металлы и полупроводники обладают электронной электропроводностью, обусловленной перемещением электронов проводимости.…

Примесная проводимость

В полупроводнике n – типа уровни доноров находятся вблизи зоны проводимости:    

Биполярные приборы

р-n переход (симметричный) это соединение двух областей с разными типами проводимости, концентрация основных и неосновных носителей равны между… Пример: для германия ni=pi=1013 Тогда концентрация n-донорная и n-акцепторная… Рро- концентрация основных носителей р-области

Прямое включение

 

Происходит сложение полей и большее количество электронов и дырок перемещается в соседнюю область. Дрейфовая составляющая не изменяется, а диффузионная увеличивается. - уменьшается ширина р-n-перехода.

 

 

Обратное включение

    За счет приложенного напряжения увеличивается потенциальный барьер.

Емкости p-n-перехода.

    График распределения концентраций имеет вид:     При смещении в прямом направлении…     При смещении в обратном направлении происходит процесс экстракции, т.е. уменьшение…

Понятие плавного и резкого p-n-перехода.

    Резкий p-n-переход – если концентрация носителей в областях отличается на несколько порядков.

Пробои p-n-перехода.

Различают 3 механизма пробоя p-n-перехода: 1) полевой; 2) лавинный;

Полевой Лавинный

    Если напряжение пробоя больше 7В то это лавинный пробой, если меньше 5В - полевой пробой (туннельный). Если…

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Диод - электропреобразовательный прибор, содержащий один или несколько переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы основан на использовании физических явлений в электронном переходе. В диодах применяются электронно-дырочные переходы, контакт металл-полупроводник, гетеропереход, но существуют диоды не имеющие выпрямительных переходов(диод Ганна) или содержат несколько p-n-переходов p-i-n-диод (динистор). Полупроводниковый диод является нелинейным двухполюсником, т.е. имеет нелинейную ВАХ. Выпрямительные диоды изготавливают на токе от 1мА до 100мА и напряжением от 0,1В до 1000В и зависит от площади p-n-перехода и концентрации носителей.

 

Классификация

 

По признакам:

1 вид перехода (точечный или сплавной)

2 физические процессы в переходе (туннельный, лавинно-пролетный)

3 характер преобразования сигнала (светодиод ,фотодиод и т.д.)

4 метод изготовления перехода(сплавные, диффузионные, эпитаксиальные)

 

По назначению:

1 принцип использования преобразующих и нелинейных свойств Эл. перехода (выпрямительные и импульсные, преобразовательные, переключательные, варикапы, стабилитроны и т.д)

2 диапазон рабочих частот (НЧ, ВЧ, СВЧ, диоды оптического диапазона)

3 исходные материалы для изготовления диодной структуры (кремниевые, селеновые, германиевые, арсенидгалиевые)

 

По конструктивно-технологическим особенностям переходов (точечные, микросплавные, с барьером Шотки, диффузионные, эпитаксиальные, поликристаллические)

 

Конструкция точечного диода:

У точечного диода электронно-дырочный переход образован контактом заостренной металлической иглы например из сплава вольфрама с молибденом с полупроводниковым кристаллом.

Структура Эл. дырочных переходов сплавных диодов образуется вплавлением в кристалл п/п n-типа сплава с акцепторной примесью например индия в германий или алюминия в кремний. В кристалле п/п n-типа подвижность электронов в 2-2,5 раза больше чем дырок в р-проводнике, поэтому при одинаковой Электропроводности п/п n и p типа концентрация доноров в кристалле – базе диода можно уменьшить при этом повысить пробивное напряжение перехода.

 

Основные параметры диода

 

1 Наибольший прямой ток

2 Наибольшая допустимая амплитуда обратного напряжения

3 Максимальный обратный ток

4 Падение напряжения на диоде

5 Граничная частота

6 Рабочий диапазон частот

ВАХ ДИОДОВ

 

 

Сравнение ВАХ германиевого и кремниевого диодов.

Обратная ветвь германиевого диода имеет ветвь насыщения и с увеличением температуры уменьшается напряжение пробоя. Теоретически обратный ток германиевого диода должен быть больше чем у кремниевого н на 6 порядков, а на практике только на 2.

 

 

Лекция №6

Отличия реального диода от идеального

1. Площадь p-n-перехода в диоде ограничена и поэтому сказываются процессы на границе p-n-перехода. Наличие кривизны p-n-перехода в диоде приводит к снижению пробивных напряжений… 2. В диоде p-n-переход обычно несимметричен: область p – повышенной концентрации.

Выпрямительные диоды для ВЧ.

Отличаются от силовых тем, что имеют малые площади p-n-перехода и следовательно малые емкости, более высокие концентрации областей, что позволяет уменьшить последовательные сопротивления, тем самым повысить граничные частоты.

Эквивалентная схема диода.

Преобладают германиевые диоды высокой частоты, т.к. германий обладает большей подвижностью и меньшим прямым напряжением.

Диоды ВЧ работают при малых напряжениях.

 

Импульсные диоды

Используются в устройствах автоматики, вычислительной техники; являются высокочастотными, имеют малую барьерную емкость и сопротивление. В… Назначение ИД – отделить напряжения разной полярности или преобразовать… Схема включения диода.

Режим большого сигнала.

Импульс может быть одно или двухполярный.  

Cтабилитроны

При напряжении до 5В – туннельный, более 7В- лавинный. Если 5<Uпр<7- смешанный. Выпускают стабилитроны на напряжения от единиц до сотен вольт и на токи от… ВАХ стабилитрона:

Параметры ТД

2) напряжение, при котором течет ток пика называют напряжением пика 3) ток впадины и напряжение впадины- ток и напряжение на диоде в области… 4) напряжение раствора - напряжение ТД больше, чем , при котором ток равен току пика

Частотные свойства ТД

Т.к. механизм действия ТД связан с процессом туннелирования, который практически безинерционный, то частотные свойства ТД определяются как в обычном диоде паразитными элементами эквивалентной схемы (эквивалентная схема ТД такая же, как для обычного диода, только отрицательное сопротивление). Т.к. концентрации высоки, следовательно последовательное сопротивление имеет малую величину, поэтому постоянная времени очень мала и ТД работают на ВЧ и СВЧ .

-обозначение ТД

 

Лекция №8

Обращенные диоды

Это диод на основе полупроводника с критической концентрацией примеси, в котором проводимость при обратном включении вследствие туннельного эффекта… ВАХ обращенного диода

Варикапы

Это полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость емкости от величины обратного напряжения, и которые предназначены в качестве… Варикапы работают при обратном постоянном смещении, когда проявляется только… В сплавных варикапах с резким p-n-переходом зависимость барьерной емкости от напряжения получается более резкой.…

Классификация БПТ

 

1 По материалам (Ge,Si,GaAs)

2 По типу электропроводности (n-p-n; p-n-p)

3 По способу изготовления(точечные, диффузионные, сплавные, эпитаксиальные , планарные)

4 По рабочим частотам (НЧ-до3мГц)

5 По мощности (маломощные р<0,3Вт, средней мощности р=0,3-1,5Вт, мощные р≥1,5Вт)

 

Принцип действия БПТ

 

 

Если на ЭБ и КБ подавать нулевые значения напряжения, то это соответствует состоянию динамического равновесия. Через p-n-переход протекает 4 составляющих тока (диффузионные и дрейфовые токи в обоих направлениях) т.е. токов ни в одной цепи нет.

Если И_КБ=0, а И_ЭБ увеличивать в прямом направлении, то будет возрастать I_Э, что соответствует прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода (т.е работает как обыкновенный диод в прямом включении)

Если И_ЭБ=0, а И_КБ увеличивать в обратном направлении то наблюдается обратная ветвь коллекторного перехода.

Если на ЭБ подать прямое напряжение , а на КА-обратное и постоянно их увеличивать, то наблюдаем 2 взаимодействующих p-n-перехода, это соответствует активному режиму. Поэтому принцип действия БПТ заключается в следующем: смещение ЭП приводит к инжекции дырок в область базы, а электроны из базы инжектируются в область эмиттера. Дырки в базе распределяются по всему переходу и достичь КП, где полем перебрасываются в К, тем самым создавая дополнительный I_К.

Не все дырки достигли К, т.к часть дырок рекомбинировало в базе, поэтому ∆I_K=α∆I_Э → α=∆I_K /∆I_Э≈0,99

Где α-коэффициент передачи по току.

В связи с тем , что часть электронов рекомбинировало с дырками, в базе создается некомпенсированный положительный заряд, который из внешней цепи притягивает электроны, создающие ток базы

I_Э=I_К+I_Б – основной закон распределения тока в Э.

∆I_Э=∆I_К+∆I_Б

Электроны , инжектирующие из Б в Э рекомбинируют с дырками и не влияют на ток, а только снижают эффективность Э.

Т.о ток К связан с током Э коэффициентом, меняя I_Э можно управлять I_K, которые протекают в выходной цепи транзистора. В этом заключается эффект БПТ

 

Принцип усиления БПТ

Упрощенная схема усилительного каскада на БПТ  

Схемы включения БПТ

 

Т.к. БПТ имеет 3 вывода, то существует и 3 схемы включения.

1. С общим Э.

 

I_э=I_Б+I_к

 

2. С общей Б.

 

 

 

 

3. С общим К.

 

 

 

 

Статические ВАХ БПТ с ОБ

Для токов через переходы БПТ можно записать Iк=αNIЭП-IКП IЭ=IЭП-αIIКП αN-норм. включ.

Входные характеристики транзистора

Вследствие слабого влияния U_кб характеристика при U_кб≠0 очень мало отличаются от характеристики при U_кб=0, поэтому в справочниках, как правило показаны только две зависимости : U_кб=0 и U_кб≠0.

 

Выходные характеристики БПТ с ОБ

БПТ управляется входным током.

 

 

1 – область насыщения (прямосмещенные эмитерный и коллекторный переходы)

2 – область отсечки (используется в ключевом режиме)

3 – активная область (используется в усилительных каскадах на транзисторах)

4 – область лавинного пробоя (нерабочая область)

 

Принципиальная схема для экспериментального получения ВАХ БПТ с ОБ

 

Статические ВАХ для схемы с общим эмиттером

 

Схема включения БПТ для исследования ВАХ БПТ с ОЭ

 

Входные ВАХ

Выходные характеристики БПТ с ОЭ

 

 

1 – область насыщения

2 – область отсечки

3 – активная область

4 – область лавинного пробоя

 

Параметры БПТ

      h-параметры выбраны за основу вследствие особенных свойств БПТ, поскольку входное сопротивление мало, а выходное…

Определение h-параметров по вольт-амперной характеристике БПТ

                            при при

Модели БПТ

   

Малосигнальные модели БПТ

В простейшем виде биполярный транзистор может быть представлен следующим образом:  

Влияние режима работы и температуры на параметры транзистора

; ; ;

Влияние напряжения на коллекторе на параметры и характеристики биполярного транзистора

С его возрастанием расширяется область объёмного заряда, уменьшается эффективная толщина базы, что приводит к увеличению коэффициента усиления транзистора.

С увеличением напряжения на коллекторе коэффициент усиления или возрастает ещё и по той причине, что растёт коэффициент лавинного умножения :

Уменьшение эффективной толщины базы – эффект Эрли.

 

Ключевой режим работы БПТ

      Сигнал на выходе находится в противофазе с входным сигналом.

ПТУП

(полевой транзистор с управляемым p-n переходом)

 

 

d-ширина области обьемного заряда.

Если между истоком и стоком приложить напряжение, то потечёт ток (в данном случае это ток, вызванный движением электронов). Величина тока будет определяться сечением проводящей части канала а, т.е. сечением и длиной. Чем больше сечение, тем больше ток, т.е. величина тока определяется сопротивлением этого канала.

 

Для МОП транзисторов также наблюдается двоякая зависимость от температуры: с одной стороны с увеличением температуры уменьшается пороговое напряжение, с другой – с увеличением температуры растёт сопротивление канала, т.к. уменьшается подвижность и в зависимости от того, какоё из этих факторов преобладает и объясняется поведение тока стока .

Например, для МОП транзистора с индуцированным каналом зависимость от температуры будет иметь вид:

 

 

Лекция №14

Условное обозначение и схема включения ПТУП с n-каналом

Условное обозначение и схема включения ПТУП с p-каналом

Сопротивление канала описывается формулой

,

где

ρ_к - удельное сопротивление канала,

L – длина канала,

a – эффективная толщина канала,

z – ширина канала.

Если приложить напряжение к затвору относительно канала в запирающем направлении и увеличивать его, то толщина обедненного слоя p-n-перехода d будет возрастать, а эффективная толщина канала a будет уменьшаться и при некотором напряжении на затворе обедненный слой может достигнуть дна канала и перекрыть его, т.е. ток через канал прекратиться. Таким образом меняя напряжение между истоком и стоком, и между затвором и стоком можно управлять величиной тока через канал.

 

Структура МОП (МДП) транзистора с n-каналом.

 

В МОП транзисторах в исходной пластине формируются две области с противоположным типом электропроводимости, по отношению к подложке, которые называются истоком и стоком, исходная пластина называется подложкой.

Если между истоком и стоком приложить напряжение, то тока не будет, поскольку при любой полярности между истоком и стоком один из p-n переходов будет смещён в обратном направлении. Для того чтобы создать проводящий канал формируется затвор. Сначала над пространством между этими областями выращивается тонкий окисел, а сверху наносится металл и, образуемая структура металл-диэлектрик-полупроводник даёт название транзистору – МДП, и является управляющей структурой этого транзистора.

Если приложить напряжение к затвору относительно подложки, то между областями исток и сток появится проводящая область, которая получила название – канала (в данном случае это n-канальный транзистор с проводящей областью n-типа). Напряжение на затворе, при котором возникает канал между областями истока и стока, получило название порогового напряжения.

Транзистор, у которого канал создаётся вследствие приложенного напряжения на затворе, называется транзистором с индуцированным каналом. Однако может быть транзистор и со встроенным каналом. В этом случае канал заранее создаётся технологическими методами.

Следует отметить, что МОП транзистор со встроенным каналом может работать в режиме обеднения и обогащения.

 

С

С

+

+

Условные графические обозначения МОП – транзисторов

И

П

И

-

+

П

-;+

+;-

-

+

-

+

-

-

И

С

-

С

а) б)

П

-;+

+;-

-

+

+

-

+

-

+

+

+

П

И

И

З

-

С

И

в) г)

 

а) встроенный канал n-типа

б) индуцированный канал n-типа

в) встроенный канал p-типа

г) индуцированный канал p-типа

 

Принцип действия и статические ВАХ ПТУП

 

 

 

Если приложить небольшое напряжение между истоком и стоком и увеличивать ,то по мере увеличения , ток через прибор уменьшается, т.к. уменьшается эффективное сечение проводящей части канала, и при некотором значении становится равным нулю.

 

 

Рассмотрим статические ВАХ:

 

Стоко-затворная характеристика Стоковая характеристика

 

Для стоко-затворной характеристики т.е. при увеличении кривая ВАХ будет проходить выше. Значение соответствует значению напряжения на затворе, при котором ток не протекает при любом приложенном напряжении .

Для стоковой характеристики . По мере увеличения напряжения на затворе до кривая стоковых ВАХ будет проходить ниже.

Если оставлять неизменным напряжение на затворе, то по мере увеличения напряжения на стоке будет возрастать . Вследствие протекания создается падение напряжения вдоль канала, имеющее разную величину (меньшую возле истока и большую возле стока — на рис. это показано пунктиром). При некотором напряжении на стоке обедненный слой p-n-перехода возле стока стремится достичь дна канала и полностью перекрыть канал, однако этого не происходит, т.к. напряжение p-n-перехода создается протеканием тока. Если прекратиться ток, напряжение p-n-перехода исчезнет.

 

Основные параметры ПТУП

  стоко-затворная характеристика.

ВАХ МОП-транзисторов

 

Входная характеристика для индуцированного канала

    Чем больше напряжение на стоке, тем больше ток стока.  

Лекция №17

Тиристоры

Тиристор- полупроводниковый прибор, содержащий три p-n-перехода, и предназначенный в основном для коммутации больших мощностей.

 

Принцип действия

Принцип действия определяется его структурой. В качестве исходной берется кремниевая пластина толщиной 400-1000 мкм. Толщина определяется рабочими напряжениями.

Структура тиристора

Чем ниже концентрация примеси (тут донорной), тем больше рабочие напряжения. Пластина помещается в печь, где происходит диффузия примеси p-типа и n–…   Тиристор можно рассматривать как два транзистора p - n- -p и n- -p –n+

Схема замещения

Вследствие того, что переходы П1 и П3 при прямом включении смещены в прямом направлении то составляющими и можно пренебречь. И тогда:

Выражение для ВАХ тиристора:

Из выражения для ВАХ тиристора -коэффициент усиления БПТ p-n-p типа, -коэффициент усиления БПТ n-p-n типа.

При некотором значении и тогда из формулы ВАХ . Введя ток управления электрода можно увеличить и , следовательно можно увеличить.

Анализируя полученную формулу и учитывая зависимость коэффициентов усиления БП транзисторов от тока, можно увидеть, что при некотором значении тока анода, сумма коэффициентов становится близкой к 1 и тогда знаменатель в формуле обращается в 0, а ток анода тиристора стремится к бесконечности. Это говорит о том, что в этот момент происходит переключение тиристора из закрытого в открытое состояние. Влияние УЭ проявляется в том, что ток, задаваемый через УЭ, увеличивает ток, протекающий через переход П3 и тем самым способствует более быстрому увеличению коэффициента усиления n-p-n транзистора. Чем больше тем меньше напряжение включения.

При некотором токе участок отрицательного на ВАХ исчезает, Это ток спрямления.

Процессу переключения из обратного в открытое состояние может способствовать и лавинное умножение на переходе П2. Так как с увеличением напряжения на тиристоре начинается лавинное умножение носителей, которое приводит к увеличению тока через тиристор и тем самым способствует увеличению коэффициентов усиления БПТ и . В этом случае:

М- коэффициент лавинного умножения.

У тиристора низкие коэффициенты усиления (0,1; 0,2; 0,3).

Тиристор обеспечивает высокую плотность тока.