Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

МЕЖДУНАРОДНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Лекционный комплекс

По дисциплине: «Электроника и схемотехника аналоговых устройств»

Для специальности 5В071900

«Радиотехника, электроника и телекоммуникации»

Курс - 2

Семестр - 3

Лекций - 15 часов

Всего часов - 90

АЛМАТЫ 2011



Лекционный комплекс разработан на основании рабочего программы курса специальности 5В071900 - «Радиотехника, электроника и телекоммуникации».

Составитель: к.т.н., доцент Даирбаев А.М.

Лекционный комплекс рассмотрен и одобрен на заседании кафедры «Информационные технологии» от « 28» августа 2011г., протокол № 1.

Заведующий кафедрой, д.т.н. Мухамедиев Р.И.



ТЕМА №1 «Введение, этапы развития электроники»

Электроника-область науки, техники и производства, охватывающая изучение физических основ, исследование, разработку и принципы использования приборов, работа которых основана на протекании электрического тока в различных средах. Практически каждая сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Все технологические процессы сегодня также управляются электронными средствами. Достижения электроники влияют не только на экономическое развитие общества, но и на социальные процессы, распределение рабочей силы, образование и быт. Роль электроники в настоящее время существенно возрастает в связи с применением микропроцессорной техники.

Рассмотрим разделение промышленной электроники на Энергетическую (силовую) электронику и Информационную.

Энергетическая электроника связана с преобразованием переменного и постоянного токов для нужд электроэнергетики, электротяги, металлургии. Развитие электроэнергетики и электротехники тесно связано с электроникой Сложность процессов в энергосистемах, высокая скорость их протекания потребовали широкого внедрения для расчета режимов работы и управления компьютерной техники. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии являются одним из одним из основных нагрузочных элементов энергетических сетей и во многом определяют режимы их работы. На основе полупроводниковых вентильных преобразователей созданы линии электропередачи постоянного тока большой мощности.

Информационная электроника исследует электронные средства, обеспечивающие измерение, контроль и управление различными процессами передачи и обработки информации, включая производство и научные исследования в различных областях. Усилители сигналов, генераторы напряжений различной формы, логические схемы, счетчики, индикаторы - все это устройства информационной электроники. Характерными чертами современной информационной электроники являются сложность и многообразие решаемых задач, высокое быстродействие и надежность. Информационная электроника неразрывно связана с применением интегральных микросхем, развитие и совершенствование которых в главной мере определяет уровень развития этой отрасли электронной техники.

Таким образом, для создания современных электронных устройств необходим совместный труд специалистов в области электроники, автоматики и вычислительной техники. При проектировании электронных устройств неполно заданные требования могут привести к созданию неработоспособного устройства, а неоправданное завышение требований - к повышению стоимости и снижению надежности электронного оборудования. Необходимо также учитывать важность подготовки специалистов по грамотной эксплуатации сложнейших электронных устройств.

При создании электронных приборов специалисты сталкиваются с необходимостью анализировать различные схемные варианты решения той или иной конкретной задачи. Для моделирования процессов и расчета степени оптимальности этих вариантов используется математический аппарат. Расчетные задачи математического аппарата электроники - это шаги по овладению методами анализа и синтеза электронных схем, широко используемые в системах автоматического проектирования (САПР). Математическое моделирование позволяет сэкономить материальные и интеллектуальные ресурсы при создании сложнейших электронных устройств.

В наши дни широко используется компьютерное моделирование электронных приборов. Существует множество программных продуктов, предназначенных для этих целей. В своих лабораторных исследованиях мы будем широко использовать Electronics Workbench. Полный блок анализа улучшает производительность схем и устойчивость разработок.

Важнейшей задачей схемотехнического проектирования является разработка быстродействующих и надежных схем, устойчиво работающих в следующих условиях:

при низких уровнях мощности (малая допустимая мощность рассеивания),

в условиях сильных паразитных связей (высокая плотность упаковки)

при ограниченных по точности и стабильности параметров элементов.

Потенциальная возможность ИМС на этом этапе проектирования оценивается с учетом возможностей выбранного структурно технологического варианта ИМС и его технологической реализации.

Конструктор, стремясь сохранить быстродействие и надежность ИМС на проектном уровне, определяет оптимальную технологию, выбирает материалы и технологические методы, обеспечивающие надежные электротехнические соединения, а также защиту от окружающей среды и механических воздействий с учетом технологических возможностей и ограничений.

При технологическом проектировании синтезируется оптимальная структура технологического процесса обработки и сборки, позволяющая максимально использовать отработанные, типовые процессы и обеспечивать высокую воспроизводимость, минимальную трудоемкость и стоимость с учетом конструкторских требований.

Важным этапом технологического проектирования, направленного на обеспечение качества и надежности ИМС, является разработка операций контроля на всех этапах производства ИМС: входного контроля основных и вспомогательных материалов и комплектующих изделий, контроля в процессе обработки, межоперационного контроля полуфабрикатов и выходного контроля готовых изделий.

Рост степени интеграции и функциональной насыщенности единицы объема изделий микроэлектроники, объективно приводит к микроминитюаризации их исполнения.

Этапы развития электроники:

В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре поколения развития электроники. Поколения развития электроники предлагается сопоставлять с поколениями развития ЭВМ.

1 поколение (1904 -1950) - электровакуумные приборы. Разделение в зависимости от рабочей среды на электровакуумные и ионные.

Плотность монтажа 0,003 эл/см3. Ручная сборка.

1 поколение ЭВМ (1945-1954) - машины создавались на ламповой элементной базе и потому потребляли большое количество электроэнергии и обладали низким уровнем надежности.

2 поколение (1950 - начало 60-х) - дискретные полупроводниковые приборы. Начинает использоваться печатный монтаж.

Плотность монтажа 0,5 эл/см3. Автоматическая сборка.

2 поколение ЭВМ (1955-1964) - широкое использование транзисторной техники, печатного монтажа и ферритовых сердечников.

3 поколение (1960-1980) - интегральные схемы и микросборка. Интенсивное развитие микроэлектроники.

Интегральная схема - совокупность нескольких взаимосвязанных элементов, изготовленных в едином технологическом цикле, на одной несущей конструкции.

Микросборка - интегральная микросхема, в состав которой входят однотипные элементы.

Блочная конструкция микроэлементов - совокупность интегральных микросхем и микросборок.

Плотность монтажа 50 эл/см3.

3 поколение ЭВМ (1965-1980) - смена поколения ЭВМ вновь обусловлена обновлением элементной базы. Резкое уменьшение габаритов, массы, энергопотребления наряду с повышением их надежности.

4 поколение (1980 -по настоящее время) - использование БИС и СБИС, т.е. реализация функционально завершенных узлов в едином корпусе.

Плотность монтажа 1000 эл/см3 и выше.

4 поколение ЭВМ (с 1980) - при существующей степени интеграции электронных узлов стало возможным осуществление функционально полной ЭВМ на одном кристалле.

Информация воплощенная и зафиксированная в некоторой материальной форме, называется сообщением, а физическое средство передачи сообщения - сигналом. Или иначе: сигнал - это процесс изменения во времени физического параметра какого-либо объекта, служащий для отображения, регистрации и передачи сообщения.

Очевидно, что физическая природа сигнала в общем случае может быть любой, но в информационных системах, в основном, используются электрические сигналы. Поэтому входная информация, т.е. входной сигнал, если он не электрический, преобразуется таким образом, чтобы в качестве переносчика сообщения в дальнейшем в системе использовался электрический сигнал. В последнее время используют и оптические сигналы.

По форме представления сигналы делятся на дискретные и аналоговые, что определяет принципы построения и особенности работы электронных устройств, которые их используют.

Аналоговые - непрерывные во времени функции напряжения или тока. Особенностью класса аналоговых устройств является линейная форма зависимости входных и выходных сигналов.

Постоянные - однополярные, медленно изменяющиеся во времени сигналы.

Переменные - функции тока или напряжения, изменяющиеся во времени как по амплитуде, так и по знаку.

Дискретные - разрывные во времени функции напряжения или тока. Могут принимать ограниченное число уровней. Наиболее часто в электронике используются сигналы, которые имеют только два уровня: высокий и низкий - двоичные сигналы. Дискретные сигналы могут быть импульсными или потенциальными. В зависимости от формы представления дискретного сигнала схемы подразделяются на: импульсные, потенциальные или импульсно-потенциальные.

При передаче информации путем изменения физических параметров электрического сигнала в качестве информативного параметра могут использоваться амплитуда, частота или фаза сигнала.

Период и частота переменного тока: частотой сигнала называется количество циклических повторений сигнала, укладывающийся в промежуток, равный 1 сек. Например, если период сигнала Т=1сек., то это значит, что сигнал будет повторяться каждую миллисекунду и за одну секунду он повторится 1000 раз, т.е. его частота 1 кГц (т.е. в одной секунде тысяча периодов сигнала).

ТЕМА №2. «Физические явления при контакте твердых тел»

При образовании кристаллической решетки металла внешние валентные электроны оказываются настолько слабо связанными со своими ядрами, что под воздействием соседних атомов они могут свободно переходить на внешние орбиты этих атомов и передвигаться по кристаллу. При этом атомы превращаются в положительные ионы и распределяются в узлах кристаллической решетки, а свободные электроны, перемещающиеся в пространстве между узлами кристаллической решетки, обуславливают электропроводность металлов. Движение электронов внутри металла определяется силами взаимодействия электронов с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки. При температуре абсолютного нуля и отсутствии каких-либо внешних воздействий эти силы практически уравновешены и электроны внутри металла двигаются хаотически. Это равновесие нарушается лишь у поверхности металла, где образуется поле двойного электрического слоя. Первый слой образуется электронами, выходящими из металла (электронное облако), а второй - ионами поверхностного слоя. Поле двойного электрического слоя препятствует дальнейшему выходу электронов из металла, но при увеличении температуры появляются электроны, способные преодолеть его. Эти электроны теряют свою кинетическую энергию, но их потенциальная энергия растет. Если суммировать все препятствующие силы двойного электрического слоя и назвать их потенциалом пространства, то можно ввести понятие потенциального барьера. Высота потенциального барьера определяет тот минимум энергии, который необходим электрону для выхода из металла. Электрон, обладая некоторым запасом энергии, должен получить дополнительную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер и осуществить работу выхода. Явление испускания электронов твердыми телами называется эмиссией электронов. Работа выхода выражается через потенциал, который определяется разницей между высотой потенциального барьера и потенциалом валентного электрона. Эта разница потенциалов (работа выхода) зависит от толщины электронной оболочки, которая в свою очередь определяется природными свойствами кристаллической решетки конкретного металла.

Основной электрической характеристикой, по которой вещество может быть отнесено к классу проводников, изоляторов и полупроводников является удельная электропроводность:

Для металлов 105-106Ом*см

Для изоляторов 10-10-10-15Ом*см.

Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах 10-1-10-4Ом*см и занимающие по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Объясняется это зонной теорией.

При образовании кристалла энергетические уровни атомов расщепляются, что приводит к образованию зон. Электроны в полупроводнике могут иметь некоторые фиксированные значения энергии или, как говорят, занимают определенные энергетические уровни, образующие области близкорасположенных дискретных значений полной энергии электронов - разрешенные энергетические зоны. Разрешенные энергетические зоны разделены интервалами энергий, которыми электроны не могут обладать и которые называются запрещенными энергетическими зонами. При температуре абсолютного нуля электроны заполняют самые нижние разрешенные уровни, где их энергия минимальна. Вышележащие зоны остаются пустыми. Верхняя из полностью заполненных электронами разрешенных зон полупроводника называется валентной, а следующая за ней незаполненная - зоной проводимости (зона свободных электронов).

Для перехода из валентной зоны в зону проводимости носитель должен приобрести энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Минимальное значение этой энергии равно ширине запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны различна у разных материалов и зависит от температуры:

Рис.1 Энергетическая (зонная) диаграмма

Для Ge ДE=0,72 эВ (электрон-Вольт)

Для Si ДE=1,12 эВ

Для GaAs ДE=1,43 эВ

Ширина запрещенной зоны в металлах практически равна 0, т.е.число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электропроводность. Ширина запрещенной зоны в диэлектриках настолько велика (ДE>4эВ), что при обычных условиях электроны проводимости практически отсутствуют.



Рис.2 Энергетическая диаграмма для полупроводников n - типа.

Рис.3 Энергетическая диаграмма для полупроводников p - типа.

Отличие полупроводников от проводников не количественное, а качественное, связанное со строением и физическими свойствами материалов. Увеличение температуры приводит к уменьшению сопротивления, а для проводников к увеличению.

Сопротивление полупроводников зависит от:

температуры,

наличия примесей

освещённости

механического давления

рентгеновского излучения и т.д.

Качественно зависимость проводимости от внешних условий можно представить как:

При изменении температуры на 1 градус удельное сопротивление меняется на 5-6 %.

Введение примесей изменяет проводимость полупроводников

Если добавить 10-5% примеси, то сопротивление уменьшается в 200 раз.

Наиболее типичными полупроводниковыми материалами являются германий и кремний. Особые свойства полупроводников проявляются только при рассмотрении кристаллической структуры. Далее предполагается, что все процессы происходят в идеальных (или близких к идеальным) кристаллах.

Монокристаллическая структура Ge и Si называется тетраэдром, в ней атомы размещаются в узлах кристаллической решётки, а каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентной связью. На внешней электронной оболочке 4 электрона.

На рис.4 приведено условное расположение атомов в кристалле кремния.

В твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера, поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому. Однако этот процесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано, Например, в германии и кремнии два электрона осуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создать проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон и перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, он переносит с собой излишний отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости.



Рис.4 Кристаллическая структура кремния

Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электрон соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. В идеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны между собой.

p-n переход.

При металлургическом контакте полупроводников p и n типа на их границе (металлургическая граница) возникает область, которую называют p- n переходом.

При металлургическом контакте через границу раздела начинается диффузия основных носителей заряда. Дырок из p > n и з из области n > p. Ионы образуют области объёмного заряда - в P и + в N.

Объёмные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшему движению основных носителей заряда. Этот двойной электрический слой создает электрическое поле, которое приводит к образованию дрейфового тока, направленного навстречу диффузионному. Таки образом, основные носители заряда образуют диффузионную составляющую тока через p-n переход, а неосновные носители - дрейфовую. Эти составляющие равны по модулю и противоположны по направлению. Поэтому суммарный ток = 0 без воздействия внешнего поля.

p - n переход под действием внешнего напряжения.

Прямое смещение p - n перехода:



При прямом смещении p - n перехода внешним напряжением через малое сопротивление областей p - n перехода (к области объёмного заряда). Т.к. эта область обладает большим сопротивлением т.к. в ней нет свободных носителей заряда.

Это внешнее напряжение понижает высоту потенциального барьера , уменьшает размеры p - n перехода , что приводит к увеличению диффузионной составляющей тока, то есть к увеличению тока основного носителя заряда.

Дрейфовая составляющая практически не изменяется, т.к. она зависит от неосновных носителей заряда, число которых постоянно при данной температуре и не зависит от внешнего напряжения.

Диффузионная составляющая резко изменяется при изменении внешнего напряжения т.к. число дырок и электронов, способных преодолеть уменьшающийся потенциальный барьер возрастает экспоненциально.

При этом во внешней цепи протекает ток, совпадающий с диффузионной составляющей тока и практически равной ему.



p - n переход при обратном смещении.

При обратном смещении p - n перехода область объёмного заряда увеличивается, ширина p - n перехода возрастает, уменьшая число основных носителей заряда, способных преодолеть возросший барьер, уменьшается диффузионная составляющая тока через p - n переход.

И уже при малых обратных напряжениях она практически равна нулю.

Через p - n переход протекает только дрейфовая составляющая тока, обусловленная неосновными носителями заряда. Т.О, ток через p - n переход зависит от полярности внешнего напряжения и значением этого напряжения. При прямом смещении этот ток резко возрастает, а при обратном смещении он пренебрежимо мал.

Это свойство p - n перехода называют выпрямительным (вентильным) свойством p - n перехода.

Вольт - Амперная характеристика p - n перехода.



ТЕМА №3,4. «Свойства полупроводниковых приборов, контактные и поверхностные явления в них»

Для целенаправленного изменения свойств полупроводники легируют, т.е. вводят в небольшом количестве атомы примесей, позволяющие управлять типом электропроводности (электронный, дырочный) и удельной электрической проводимостью. Электропроводность примесного полупроводника называется примесной. Примеси могут весьма существенно влиять на электрические свойства полупроводников. Например, добавление в кремний бора в количестве одного атома на 105 атомов кремния увеличивает проводимость при комнатной температуре в 1000 раз. Удельная электропроводность примесных полупроводников так же, как и для собственных полупроводников, определяется концентрацией носителей заряда в зоне проводимости и их подвижностью. Для донорного полупроводника при низких температурах основным поставщиком электронов в зону проводимости являются донорные уровни примеси. За счет термического возбуждения электроны с донорных уровней примесных атомов переходят в зону проводимости.

?

Ионы атомов акцепторной примеси

Ионы атомов донорной примеси

Большинство полупроводниковых (п/п) приборов изготовляют на основе примесных полупроводников . Таким образом в рабочем диапазоне температур полупроводникового прибора поставщиками основного количества носителей заряда в полупроводниковом материале должны быть примеси. Поэтому в практике важное значение имеют п/п материалы, у которых ощутимая собственная концентрация носителей заряда появляется при возможно более высокой температуре, т.е. полупроводники с достаточно большой шириной запрещенной зоны.

Такую же роль, как и примеси могут играть различные дефекты кристаллической решётки: пустые узлы, дислокации или сдвиги, возникающие при пластической деформации.

Атомы примесей в полупроводниках создают дополнительные энергетические уровни в пределах запрещённой зоны полупроводника.

Примеси могут либо поставлять электроны зону проводимости полупроводника, либо принимать их с уровней его валентной зоны.

Примеси могут быть донорного и акцепторного типа.

Донор (т.е. отдающий электрон) - это примесный атом или дефект кристаллической решётки, создающий в запрещенной зоне вблизи "дна" зоны проводимости энергетический уровень, занятый в невозбуждённом состоянии электроном и способный в возбуждённом состоянии при тепловом возбуждении отдать электрон в зону проводимости.

Акцептор (т.е. присоединяющий электрон) - это примесный атом или дефект кристаллической решётки, создающий в запрещённой зоне вблизи "потолка" валентной зоны энергетический уровень, свободный от электрона в невозбуждённом состоянии и способный захватить электрон из валентной зоны благодаря тепловому возбуждению.

Доноры и акцепторы в полупроводнике могут быть ионизированы под действием энергии, поступающей в кристалл в виде квантов света, теплоты и т.д.



Под энергией ионизации донора понимают минимальную энергию, которую надо сообщить электрону, находящемуся на донорном уровне, чтобы перевести его в зону проводимости. Энергия ионизации акцептора - это минимальная энергия, которую необходимо сообщить электрону валентной зоны, чтобы перевести его на акцепторный уровень.



Рассмотрим как влияет валентность примесных атомов замещения (т.е. когда атомы примеси находятся в узлах кристаллической решетки) на характер их поведения в ковалентных полупроводниках типа кремния или германия.

Предположим, что в кристаллической решетке кремния Si (элемент IV группы) часть основных атомов замещена атомами мышьяка As (элемент V группы). У Si -4 валентных электрона. У As -5 валентных электрона. Встраиваясь в узел решетки, атом As отдает 4 электрона на образование связей с ближайшими соседями (ковалентная связь), а пятый электрон оказывается лишним, т.е. не участвует в создании ковалентных связей.

Из-за большой диэлектрической проницаемости среды (полупроводника) кулоновское притяжение этого лишнего электрона ядром As в значительной мере ослаблено. Поэтому радиус электронной орбиты оказывается большим, охватывает несколько межатомных расстояний. Достаточно небольшого теплового возбуждения, чтобы оторвать избыточный электрон от примесного атома. Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки. Это донорный атом. В отличие от беспримесного полупроводника образование свободного электрона здесь не сопровождается образованием дырки.

Таким образом, примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки проявляют свойства доноров (кроме As типичными донорами в кремнии и германии являются фосфор Р и сурьма Sb).

Если в кристаллическую решетку кремния внедрить примеси какого-нибудь трехвалентного элемента, например алюминия, то видим, что для установления химических связей с четырьмя соседними атомами решетки у примесного атома не хватает одного электрона, вследствие чего одна ковалентная связь оказывается ненасыщенной, т.е. имеется свободная дырка. Потребность в установлении четырех химических связей приводит к тому, что атом алюминия может захватить недостающий электрон у одного из соседних атомов кремния. В результате примесный атом (акцептор) превращается в отрицательно заряженный ион. Для совершения такого акта надо затратить энергию, равную энергии ионизации акцепторов. Захваченный электрон локализуется на примесном атоме и не принимает участия в создании электрического тока, т.к. атом-акцептор достроил свою оболочку до устойчивого состояния. В свою очередь атом кремния, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, вблизи которого имеется свободное энергетическое состояние - дырка. За счет эстафетного перехода электронов от одного атома к другому дырка может перемещаться по кристаллу.

Таким образом, примеси замещения, имеющие валентность меньше валентности основных атомов решетки, в ковалентных полупроводниках являются акцепторами. Помимо алюминия акцепторные свойства в кремнии и германии проявляют бор B, галлий Ga, индий In.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике больше, называют основными, а носители, концентрация которых меньше, - не основными. Так, в полупроводнике n-типа электроны - основные носители, дырки - не основные.

В полупроводнике p-типа: дырки - основные, электроны - неосновные.

Если некоторый полупроводник одновременно легирован донорами и акцепторами, то можно получить материал любого типа в зависимости от того, какая из добавок имеет большую концентрацию.

Известны следующие механизмы пробоя полупроводниковых p-n - переходов:

тепловая нестабильность или тепловой пробой

туннельный эффект

лавинный пробой

На практике встречаются и смешанные случаи, т.к. любой из перечисленных механизмов не исключает других.

Тепловая нестабильность вызвана тем, что ток Iнас связан с величиной ni2 и зависит от To К. Выделение теплоты, обусловленное током I и напряжением U, оказывается достаточно большим и приводит к повышению температуры диода. С ростом температуры T ток увеличивается на величину l и напряжение - на величину U; процесс носит лавинообразный характер и может привести к разрушению диода.

При большой концентрации легирующей примеси ширина зоны объемного заряда значительно уменьшается, даже если обратное напряжение мало. Напряжённость внутреннего электрического поля в обеднённой носителями области оказывается весьма высокой, так что электроны способны преодолевать эту область за счёт туннелирования. Туннельный ток электронов резко возрастает при приложении к p-n - переходу небольшого обратного напряжения.

Лавинный пробой является обуславливает верхнюю границу обратного напряжения на диоде и предельно допустимое напряжение на коллекторе транзистора. Лавинный диод должен быть слаболегированным, т.к. здесь требуется, чтобы ширина обеднённой носителями области (p-n - переход) была существенно больше. Если электрическое поле, возникающее в обеднённой области при U<0, достаточно велико, то электроны и дырки, пересекающие эту область, приобретают энергию, достаточную для того, чтобы выбивать электроны из атомов кристаллической решётки. При этом происходит разрыв ковалентных связей и генерация электронно - дырочных пар; возникающий ток складывается с током диода (образованным неосновными носителями - Iнас). В свою очередь электронно - дырочные пары ускоряются электрическим полем и могут порождать новые пары на протяжении всего пути в данной области.

В отличие от напряжения туннельного пробоя напряжение лавинного пробоя имеет положительный температурный коэффициент, т.е. увеличивается с ростом температуры т.к. возрастает тепловая (хаотичная) скорость подвижных носителей, уменьшается время свободного пробега носителей, что было проверено экспериментально.

Электрические переходы между металлом и полупроводником являются неотъемлемым элементом любого, без исключения, полупроводникового прибора. Они используются для создания токопроводящих электродов - омических переходов, электрическое сопротивление которых мало и в заданном рабочем диапазоне токов практически не зависит от направления тока. Омический переход не должен инжектировать неосновные носители заряда, иметь стабильные электрические и механические свойства. Металл перехода должен обладать высокой электро- и теплопроводностью и температурным коэффициентом расширения (ТКР), близким к ТКР полупроводника. Создание таких переходов представляет сложную конструкторскую задачу. Для кремниевых приборов в качестве металла контактов зачастую используется алюминий, силициды металлов (платины, никеля), эвтектику золото-кремний. В частности, алюминий, являясь акцепторной примесью, дает хорошие омические контакты на р-кремнии. Подавлению инжекции неосновных носителей заряда способствует нарушение поверхности полупроводника (например, шлифовкой), за счет чего образуются дефекты кристаллической решетки, являющиеся эффективными центрами рекомбинации. Подобную роль в кремнии выполняют золото и платина. Свойства контакта металл-полупроводник определяются разностью работ выхода электрона. Работа выхода электрона из твердого тела - это приращение энергии, которое должен получить электрон, находящийся на уровне Ферми, для выхода из этого тела.

Переходы металл - полупроводник, обладающие выпрямляющими свойствами, т.е. имеющие резко несимметричную ВАХ, называются переходами Шоттки, а диоды на их основе - диодами Шоттки.

Для создания диодов Шоттки используется контакт метал-полупроводник. Диоды Шоттки отличаются тем, что их работа основана на переносе основных носителей. При прямом смещении электроны из полупроводника переходят в металл. Их энергия больше энергии электронов в металле. Электроны из полупроводника быстро (примерно за 10 с) теряют на соударениях свою избыточную энергию и не могут возвратиться в полупроводник. В диодах Шоттки не происходит накопления заряда неосновных носителей (обуславливающее снижение быстродействия p-n-перехода), поэтому они особенно перспективны для использования в качестве сверхбыстродействующих импульсных и высокочастотных диодов. Этим объясняется их использование в качестве элементов интегральных схем, а также в качестве дискретных приборов.

Типичное время восстановления обратного сопротивления диода Шоттки на основе, например Au-Si, порядка 10 пс и менее. Маломощные диоды Шоттки изготовляются на основе кремния и арсенида галлия п-типа и предназначаются для преобразования сигнала СВЧ-диапазона (выпрямление, модуляция) и для импульсных устройств. Силовые (мощные) для силовой полупроводниковой электроники изготавливаются на основе кремния п-типа, имеют рабочие токи до нескольких сот ампер, исключительно высокое быстродействие (по сравнению с диодами на основе р-п - переходов), но низкие рабочие напряжения, не превышающие нескольких десятков вольт. Низкие рабочие напряжения диодов Шоттки прежде всего связаны с наличием "краевых" эффектов при лавинном пробое перехода, которые имеют место на периферии металлического контакта. Дело в том, что с увеличением обратного напряжения увеличивается напряженность электрического поля в области пространственного заряда диодов Шоттки. При критических полях 300КВ/см в кремнии начинается ударная ионизация электронно-дырочных пар и их лавинное размножение, приводящее к сильному возрастанию обратного тока перехода. В простейшей конструкции (рис. 1) диодов Шоттки силовые линии электрического поля, замыкающиеся на положительных зарядах ионов доноров, вблизи края металла резко сгущаются, что определяет резкое нарастание краевого поля.

Этот эффект наиболее выражен при слабом легировании полупроводника приводит к краевому лавинному пробою при очень низких напряжениях (несколько вольт). Для ослабления краевого поля и повышения напряжения пробоя было предложено множество конструкций диодов Шоттки, наиболее удачной из которых считается структура с охранным р-п переходом.

Таки образом, при глубине залегания р-п перехода в несколько микрометров удается повысить напряжение пробоя диодов Шоттки до нескольких десятков вольт. Дальнейшее повышение напряжения требует создания широкого и глубокого охранного перехода. Однако при больших прямых токах такой р-п переход сам начинает "работать", инжектируя неосновные носители заряда (дырки) в п-область диода. Это приводит к накоплению большого избыточного заряда дырок, что совместно с дополнительной емкостью охранного р-п перехода ухудшает быстродействие диодов Шоттки.

ТЕМА №5,6. «Разновидности и классификация полупроводниковых приборов»

Полупроводниковый резистор - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, построенный на полупроводнике, равномерно легированном примесями. В зависимости от вида примеси и от конструкции резистора различают: линейные резисторы, варисторы, терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы.

Линейный резистор - полупроводниковый резистор, в котором используется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия. Его удельное электрическое сопротивление мало зависит от напряженности электрического поля и плотности электрического тока. Поэтому сопротивление линейного полупроводникового резистора практически постоянно в большом диапазоне напряжений и токов и они широко используются в интегральных микросхемах.

Варистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения. Имеет нелинейную вольт-амперную характеристику. Изготавливаются из карбида кремния.

Один из основных параметров варистора - коэффициент нелинейности е, определяемый как отношение сопротивления постоянному току R к сопротивлению переменному току Rд:

е= R / Rд =(U / I) / (dU / dI).

Значения е = 2…6 для различных варисторов.

Варисторы малоинерционны. Используются в маломощных стабилизаторах напряжения, цепях автоматического регулирования усиления и полосы пропускания, а также в мониторах для стабилизации параметров кадровой и строчной разверток.

Терморезистор - полупроводниковый резистор, принцип действия которого основан на использовании зависимости электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Используются два типа терморезисторов: термистор - его сопротивление падает с ростом температуры, и позистор, сопротивление которого возрастает с ростом температуры.

Основной параметр терморезистора - это температурный коэффициент сопротивления

для терморезисторов, выпускаемых промышленностью, б = 0,3…0,66.

Терморезисторы широко используются для стабилизации режима электронных устройств, в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации и т.д.

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности.

Тензорезистор - полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость сопротивления от механических деформаций. Важной характеристикой тензорезистора является его деформационная характеристика - зависимость относительного изменения сопротивления от относительной деформации , где l длина рабочего тела тензорезистора.

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан в основном на использовании свойств р-n перехода. (Но есть диоды без использования р-n-перехода).

Дискретный диод помещен в стеклянный, металлический или керамический корпус.

В таблице 1 приведена классификация диодов в зависимости от свойств р-n-перехода.

Таблица 1

Свойство p-n-перехода	Название диода	Применение
униполярная проводимость	низкочастотный выпрямительный диод	источники питания
	вч и свч выпрямительные диоды	детекторы, измерительные схемы
нелинейность ВАХ	преобразовательный диод	смесители, умножители, модуляторы
	импульсный диод	импульсные схемы
лавинный пробой	стабилитрон	стабилизаторы напряжения
туннельный эффект	туннельный диод	усилители, генераторы, переключатели
барьерная емкость	варикап	параметрические схемы, генераторы
зависимость тока от облучения	фотодиод	фотогенераторы, преобразователи
излучательная рекомбинация	светодиод	индикаторы, источники света

Выпрямительный диод предназначен для преобразования переменного тока в постоянный. Используется свойство односторонней проводимости р-n-перехода. Электрод с большей концентрацией основных носителей называется эмиттером (Э), электрод с меньшей концентрацией основных носителей - базой (Б).

В большинстве случаев дискретные выпрямительные диоды являются плоскостными, причем р-n-переход германиевых диодов создают исключительно методом сплавления, а для изготовления кремниевых диодов используют сплавной и диффузионный методы. Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используют электронно-дырочные переходы с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1…2 А/мм2.

Кремниевые диоды сохраняют работоспособность при более высоких температурах до 125…150 С, а германиевые теряют свои свойства при температурах, превышающих 85С. Кремниевые диоды из-за низкой собственной электропроводности выдерживают максимально допустимое обратное напряжение до 1500 В, тогда как германиевые диоды - лишь 400…500 В. Однако у кремниевых диодов больше падение напряжения (до 2 В) при прямом смещении, чем в германиевых (менее 1 В).

Основной характеристикой выпрямительного диода является его вольт-амперная характеристика.

Отличия реальной ВАХ от теоретической:

а) в области малых прямых токов характеристики совпадают, в области больших прямых токов становится значительным падение напряжения на сопротивлении полупроводников и электродов. Характеристика идет ниже и почти линейно;

б) при повышении обратного напряжения ток медленно растет в результате:

1) термической генерации носителей в переходе. С увеличением ширины перехода увеличивается его объем и увеличивается число генерируемых носителей, т.е. увеличивается тепловой ток. Обратное допустимое напряжение до 400 вольт, допустимая температура до (60-70)С;

2) поверхностной проводимости р-n перехода за счет ионных и молекулярных пленок на поверхности перехода.

При одном и том же значении напряжения ток через германиевый диод выше, чем через кремниевый. Это объясняется меньшей шириной запрещенной зоны в германии, чем в кремнии.

Повышается концентрация неосновных носителей при повышении температуры, то повышается обратный ток Iобр.

Основными параметрами выпрямительных полупроводниковых диодов являются:

_ постоянное прямое напряжение Uпр при заданном прямом токе Iпр;

_ максимально допустимое обратное напряжение Uобр max, при котором диод еще может нормально работать длительное время;

_ постоянный обратный ток Iобр, протекающий через диод при обратном напряжении Uобр max;

_ средний выпрямленный ток Iвпср, который может длительно проходить через диод при допустимой температуре нагрева;

_ максимально допустимая мощность Pmax, рассеиваемая диодом, при котором обеспечивается заданная надежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока Iвпср диоды делятся на маломощные (менее 0,3 А), средней мощности (0,3…10 А) и большой мощности (более 10 А). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

Иногда используется параллельное или последовательное соединение диодов:

а) если Uобр.>Uобр. доп., то используется последовательное соединение (рисунок 4.4,а). Для выравнивания обратных сопротивлений диодов необходимо их шунтировать резисторами Rш, чтобы равномерно разделить обратные напряжения на вентилях. Rш=(0,10,2)Rобр . Промышленностью выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение Uобр таких столбов лежит в пределах 2…40 кВ;

б) если Iпр.>Iпрдоп., то применяется параллельное соединение диодов. При этом для выравнивания прямых сопротивлений диодов последовательно с ними включаются резисторы с малым сопротивлением Rдоб = (510)Rд. прям.

Группы идентичных маломощных диодов часто выпускают в виде диодных матриц и диодных сборок. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу, что облегчает их использование в логических устройствах и дешифраторах, в диодных сборках применяются параллельное, последовательное, мостовое и другие соединения.

Выпрямительные полупроводниковые диоды являются низкочастотными и способны работать на частотах 50…105 Гц (силовые диоды - на частотах 50 Гц).

Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных режимах и поэтому должны иметь малую длительность переходных процессов. Основной параметр ? быстродействие, т.е. время переключения диода из открытого состояния в закрытое и наоборот.

При переключении прямого напряжения Uпр. на обратное Uобр. рассасывание носителей происходит не мгновенно, а характеризуется временем восстановления восст. обратного сопротивления (рисунок 4.5). При отпирании диода подается импульс прямого тока Iпр, начинается накопление подвижных носителей, длительность которого характеризуется временем установления уст прямого сопротивления.

Стабилитроны ? это кремниевые плоскостные диоды с нормированным напряжением пробоя и резким возрастанием обратного тока в точке пробоя. Напряжение на нем сохраняется с определенной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Принцип действия диода основан на использовании лавинного пробоя.

За счет высокой концентрации примесей и узкого перехода лавинный пробой наступает при низких обратных напряжениях. Так как рассеиваемая мощность мала, лавинный пробой не переходит в тепловой.

Выпускаются промышленностью:

а) стабилитроны общего назначения, которые используются в схемах стабилизации источников питания, ограничителях напряжения;

б) прецизионные - с высокой точностью стабилизации и термокомпенсации уровня напряжения;

в) импульсные - для стабилизации постоянного и импульсного напряжения;

г) двуханодные - в схемах стабилизаторов напряжения, ограничителях напряжения различной полярности;

д) стабисторы - для стабилизации малых значений напряжений и как термокомпенсирующие элементы для поддержания заданного напряжения стабилизации при изменении температуры.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рисунке 4.6,а. На рисунке 4.6,б изображен параметрический стабилизатор напряжения, принцип работы которого заключается в том, что при изменении напряжения Е изменяется ток, протекающий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке практически не меняется.

Построим линию нагрузки E = IСТ Rб + UСТ на вольт-амперной характеристике стабилитрона. При IСТ = 0 UСТ = Е, при UСТ = 0 IСТ =E/Rб.

Соединим эти точки. При увеличении Е линия нагрузки сдвинется параллельно влево, рабочая точка (точка пересечения линии нагрузки с ВАХ) смещается вниз, т.е. ток через стабилитрон увеличится. Излишек напряжения падает на балластном сопротивлении Rб, а напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке останется тем же.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

а) напряжение стабилизации UСТ;

б) минимальный IСТ min и максимальный IСТ mах токи стабилизации;

в) максимально допустимая рассеиваемая мощность Рmах ;

г) дифференциальное сопротивление

rдф = dUCТ / dICТ

д)температурный коэффициент напряжения (ТКН)

- отношение относительного изменения UCT к абсолютному изменению температуры при постоянном токе стабилизации..

У современных стабилитронов напряжение стабилизации лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабилизации от 1 мА до 2 А. Значение IСТ min = 1…10 мА ограничено нелинейным участком (начало стабилизации) характеристики стабилитрона, значение IСТ mах = 50…2000 мА - допустимой температурой полупроводника (началом теплового пробоя).

Для стабилизации низких напряжений до 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором.

Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации примерно постоянно и для большинства стабилитронов составляет 0,5…200 Ом. Температурный коэффициент может быть положительным у высоковольтных стабилитронов и отрицательным - у низковольтных, в области напряжений около 5 В его значение близко к нулю.

Принцип действия варикапа основан на зависимости барьерной емкости р-n перехода от приложенного обратного напряжения. Варикап представляет собой управляемую емкость. Варикапы также называются параметрическими диодами и варакторами. На рисунке 4.7 приведена зависимость емкости варикапа от приложенного обратного напряжения.

Емкость варикапа обратно пропорциональна приложенному обратному напряжению.

Варикапы изготавливаются из кремния. Используются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Чаще всего применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты.

Здесь R1 включен для того, чтобы добротность контура не понижалась от влияния R. Cр- разделительная емкость, чтобы постоянное напряжение не проходило на катушку. Изменяя с помощью R обратное напряжение Uобр, можно менять резонансную частоту fрез контура.

В основу работы диода положен туннельный эффект.

Диод построен на основе вырожденных полупроводников. Концентрация примесей 1021 см-3, поэтому диод имеет очень узкий р-n переход.

Уровень Ферми смещается в р-области в валентную зону, в n-области - в зону проводимости. Энергетические зоны перекрываются, носители переходят в другую энергетическую зону, оставаясь там основными, без затраты дополнительной энергии, поэтому диоды малоинерционны. Кроме того, диоды обладают высокой температурной стабильностью и противорадиационной устойчивостью.

Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 4.9. ВАХ имеет участок отрицательного сопротивления (аб). Туннельный эффект имеет место при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны (участок г0аб). На участке бв - диффузия.

Туннельные диоды изготавливаются из германия, кремния и арсенида галлия. Применяются для усиления, генерации, преобразования сигнала.

Обращенные диоды - это диоды с концентрацией примесей (1019 см-3) меньше, чем у туннельных. Энергетические уровни не перекрываются, уровень Ферми совпадает с потолком валентной зоны р-области и дном зоны проводимости n-области, и туннельный эффект сохраняется только при обратном напряжении. Вольт-амперная характеристика приведена на рисунке 4.10. Здесь на участке 0г имеет место туннельный эффект, а на участке 0бв - диффузия.

Используются диоды в схемах для индикации и детектирования слабых сигналов, в переключательных схемах, детекторах.

В основе работы диода Шоттки используется выпрямляющий контакт (п. 2.9.1), металл-полупроводник, который изготавливается из качественного кремния с молибденом, нихромом, золотом, платиной или алюминием.

Особенности диода Шоттки:

а) работает на основных носителях, отсутствует инжекция неосновных носителей, диффузионная емкость около нуля, выше быстродействие, так как оно определяется только барьерной емкостью;

б) прямое напряжение меньше, чем у выпрямительных диодов, примерно равно 0,4 B;

в) прямая ветвь вольт-амперной характеристики строго экспоненциальная;

г) имеет меньше разброс параметров;

д) обладает большей надежностью и высокой удароустойчивостью;

е) имеет хорошие теплоотводящие свойства.

Эти особенности определяют эффективность применения диодов Шоттки в высокочастотных аналоговых и цифровых схемах.

Применяются для преобразования, детектирования, усиления, умножения, генерирования и управления уровнем мощности сигналов в сантиметровом и миллиметровом диапазоне. Используется точечный р-n переход, который имеет малую площадь. В отличие от низкочастотных диодов, он имеет коаксиальный вывод. Смесительный диод используется в супергетеродинных приемниках для преобразования сигналов СВЧ в промежуточную частоту, детекторные - для детектирования сигналов СВЧ, выделения сигнала низкой частоты из модулированного высокочастотного. Параметрические диоды используются в параметрических усилителях. Умножительные диоды - разновидность варикапов - применяются в умножителях частоты.

В таблице 4.2 приведены условные графические обозначения диодов.

Таблица 4.2

Наименование	Обозначение
выпрямительный диод
стабилитрон
туннельный диод
обращенный диод
варикап
диод Шоттки
двусторонний стабилитрон

Если подать на диод обратное смещение, он может использоваться в качестве фотоприемника, ток которого зависит от освещения. При достаточно больших обратных напряжениях вольт-амперная характеристика (рис. 2) запишется так:

I=-( I_нас+ I_ф)=- I_нас- qcB SФ

т.е. ток не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью света.

Для увеличения чувствительности фотодиода может использоваться эффект лавинного умножения носителей в области объемного заряда p-n-перехода. К недостаткам лавинного фотодиода следует отнести, во-первых зависимость М от интенсивности света и, во-вторых, жесткие требования к стабильности питающего напряжения (0,01... 0,2 %), так как коэффициент умножения М сильно зависит от напряжения.

Инерционные свойства фотодиодов можно характеризовать предельной рабочей частотой (частота модуляции света, на которой амплитуда фотоответа уменьшается до 0,7 от максимальной), постоянной времени фотоответа (определяемой по времени наростания импульса фотоответа до 0,63 до максимального, при прямоугольном импульсе света), сдвигом фаз между входным (световым) и выходным (электрическим) сигналом.

В общем случае, инерционность фотодиодов определяется тремя основными параметрами: временем диффузии неравновесных носителей через базу ; временем их полета через область объемного заряда p-n-перехода; RC-постоянной . Время диффузии носителей через базу определено как:



=W /2 D_p

Время полета носителей через область объемного заряда (шириной d) можно оценить как

= d/V_max,

где V_max - максимальная скорость движения носителей в электрическом поле, которая при больших полях не зависит от напряженности электрического поля в следствии уменьшения подвижности в силовых полях.

Высоким быстродействием обладают фотодиоды на основе барьера Шоттки. В типичной структуре такого диода через тонкую полупрозрачную пленку металла и поглощается в основном в области объемного заряда полупроводника. Следовательно, инерционность обуславливается только временами _ i и _rc.