трусики женские украина

На головну

 Лекції - викладач Григор'єв Володимир Калістратович - Схемотехніка

ЛЕКЦІЯ 1

Історичний огляд

Що таке електроніка? - Це передача, прийом, обробка та зберігання інформації за допомогою електричних зарядів. Це наука, технічні прийоми, промисловість.

Що стосується інформації, то завжди, коли було людство, це все було. Людське мислення, розмовна мова, вузлики на пам'ять, сигнальні вогнища, Семафорний телеграф і т.д. - Це прийом, передача, обробка та зберігання інформації. І це було не менше ніж 5000 років. Але тільки недавно, в кінці 18 століття, були винайдені телефон і телеграф - пристрої для передачі і прийому інформації за допомогою електричних сигналів. Це - початок електроніки, як вона зараз називається.

Далі електроніка досить швидко розвивається. У 1895 р Попов винайшов і побудував діючу модель радіо - електронний пристрій для бездротової передачі інформації - грозовідмітник. Герц провів досліди з розповсюдження радіохвиль, Марконі розвинув і застосував ці досліди для побудови радіо з вибором передавальної радіостанції по довжині хвилі випромінювання.

Але на початку не було гарного підсилювального елемента для електричних пристроїв. Тому справжній розвиток електроніки почалося з 1904 р, коли була винайдена радіолампа - діод, а в 1907 р - тріод. Вони виглядають так, як показано на рис. Зліва зображена радіолампа - діод, яка складається з герметичного балона, а всередині балона - вакуум і кілька металевих конструкцій з виведеними назовні електродами. Одна з них - нитка розжарення, по ній пропускається електричний струм, який нагріває її до температури в 700-2300оС. Ця нитка розігріває катод, до якого підводиться негативна напруга, і катод випускає електрони. До анода підводиться позитивна напруга, різниця потенціалів досить висока (100-300 В), і тому електрони, що вилетіли з катода, полетять до анода, і отже, в лампі потече струм. При зміні знака напруги електрони з холодного анода вилітати не будуть, не буде і струму. Тому діод може виконувати роль випрямляча змінної напруги.

На правому рис. зображена радіолампа - тріод. У ній все теж, що і у діода, але є додатковий електрод - керуюча сітка. Зазвичай на сітку подається негативний потенціал, і вона відштовхує вилетіли з катода електрони. Тому чим більше негативний потенціал сітки, тим менше електронів протече від катода до анода. Таким чином, потенціал сітки служить для управління струмом в радіолампи. Звичайно сітка в лампі розташована до катода набагато ближче, ніж анод, тому малими потенціалами сітки можна управляти великими струмами лампи. Якщо напруга до анода подається через великий опір, то і потенціали на аноді будуть змінюватися сильніше, ніж на сітці. Це хороший електронний підсилювач напруг.

Радіолампи пройшли дуже великий шлях розвитку. З'явилися більш досконалі тетроди і пентоди - лампи з чотирма і п'ятьма електродами, які володіють великими коефіцієнтами посилення. Стали робити більш складні радіолампи: з більш ніж п'ятьма електродами. З них найбільшого поширення набули здвоєні радіолампи: здвоєні діоди, тріоди, діод-тріоди і т.д. З'явилися газонаповнені лампи - газотрони. У них є газ, правда, що знаходиться під невеликим тиском. Зазвичай він іонізується, з'являються іони - атоми без електрона, тобто мають позитивний заряд.

Протікання струму в таких лампах більш складне: він може бути як електронним, так і іонним. Розміри радіоламп були дуже різними: від мініатюрних пальчикових до величезних в зріст людини.

Винахід тріода відкрило великі можливості розвитку електроніки. Світове кількість випущених радіоламп виросло до другої світової війни до багатьох мільйонів штук на рік. Були винайдені і створені багато пристроїв з прийому та передачі інформації. Телефон і телеграф, радіоприймачі і радіопередавачі. Замість патефонів з'явилися програвачі платівок, з'явилися магнітофони. Почали розроблятися телевізори.

Але це все тільки частина завдань електроніки - прийом, передача і зберігання інформації. А де ж обробка інформації, найбільш важлива, складна і цікава її частина? Очевидно, що її може робити тільки обчислювальний пристрій.

До початку Другої світової війни вже з'явилися електронні арифмометри - обробники цифрової інформації. Але справжній розвиток цієї галузі електроніки почалося з виникнення електронних обчислювальних машин (ЕОМ). Воно почалося в 1948 році - в США була зроблена перша ЕОМ на радіолампах - ЕНІАК. Ось деякі її параметри:

 Кількість радіоламп

 18000 шт

 Кількість ін. Елементів

 100 000 шт

 Вага

 30 т

 Площа

 100 м 2

 Розсіює потужність

 100 КВт

 Швидкодія

 10000 Гц

Як видно з цієї таблиці - це грандіозна споруда. І воно володіло всіма характерними рисами сучасної ЕОМ: пам'ять, яка містила дані і програму їх обробки, арифметичне-логічний пристрій, зв'язок з зовнішніми пристроями. Але, звичайно, у неї ще було і багато недоліків. У порівнянні з сучасним рівнем техніки, ця ЕОМ менш складна, ніж простий калькулятор, особливо якщо він може програмуватися. Але за вагою (30 т в порівнянні з 50 г), за площею, по розсіюється сучасні калькулятори її істотно перевершують. Особливо важливо, що їх швидкодію ніяк не менше 1 МГц, тобто в сто разів більше, ніж у першої ЕОМ.

Але набагато більш істотним є термін служби першої ЕОМ. В основному він визначався терміном служби радіолампи. А він визначається інтенсивністю відмов

? = 10-5ч-1

Тобто з 100 000 радіоламп одна відмовить за час 1 годину. Або іншими словами, термін служби однієї радіолампи дорівнює

Т = 1 / ? = 105ч

Це багато. Дійсно, якщо вважати, що в добі приблизно по 25 год, то це 4000 днів, або приблизно 12 років роботи до відмови. Це непогано.

Але коли замість 5-20 радіоламп одночасно повинні працювати 18 000 радіоламп, ситуація різко змінюється. Всі радіолампи служать 12 років, але виходять з ладу випадково, в будь-який момент часу. І вихід хоч однієї радіолампи з ладу приводить до виходу всього пристрою. У цьому випадку для всього пристрою можна записати:

?общ = N * ? = 18 000 * 10-5 = 0,18 ч-1

А термін служби всього пристрою дорівнює

Тзаг = 5 ч

Тобто термін служби ЕНІАК всього 5 год! В середньому через кожні 5 год якась радіолампа виходила з ладу. Знайти з 18 000 радіоламп непрацюючу не так-то просто. А після того, як вона знайдена, треба її замінити, і провести перевірку ЕОМ на працездатність. На все це йшло ще близько 5 ч.

Але нам треба робити більш складні ЕОМ. Якщо ми ускладнимо її так, що в ній буде в 10 разів більше радіоламп, термін служби зменшиться в 10 разів, тобто буде дорівнює 0,5 ч. А на ремонт буде йти ще більше часу. Це - катастрофа кількостей.

Все подальший розвиток електроніки пов'язано з боротьбою з катастрофою кількостей. Для цього треба було знизити інтенсивність відмов радіолампи. Але радіолампа - складний пристрій. По-перше, всередині неї глибокий вакуум, якщо він загубиться, анодний струм радіолампи понизиться через зіткнень електронів з атомами повітря і з іонами, отриманими в результаті цих зіткнень. Сітка лампи - це дротяна спіраль, яка намотана навколо катода. Вона слабка, не витримує перевантажень, вібрацій. Нитка розжарення нагріта до високої температури, тому випускає не тільки електрони, але і досить багато атомів, тобто нитка весь час випаровується. Усунути всі ці недоліки і підвищити термін служби не вдалося.

І ось в 1948 р винайшли транзистор. Він виглядав так, як показано на рис.

Він набагато краще радіолампи: менше, легше, немає нитки розжарення. Розміри його не більш одного міліметра. Це цілісний шматок напівпровідника, вельми міцного кристала, по міцності не поступається сталі або чавуну. Тому у транзистора інтенсивність відмов менше, приблизно ? = 10-7ч-1.

Транзистори дуже швидко завоювали ринок збуту. Уже в 1949 р в США зробили першу транзисторну ЕОМ, аналогічну ЕНІАК - тобто через рік після винаходу транзистора. Для ілюстрації цього наведемо цитату з журналу

"Наука і життя", 1986, № 2, с. 90:

"... Якщо вести відлік від перших машин, то сьогодні обсяги внутрішньої пам'яті ЕОМ збільшилися в сотні разів, а швидкодія - в сотні тисяч разів, в тисячі разів зменшилося споживання енергії, і знизилася вартість. Фахівці прикинули, що якби такими темпами прогресувало автомобілебудування, то машина класу "Волги" рухалася б мало не зі швидкістю світла, споживала б кілька грамів бензину на сотню кілометрів і коштувала б кілька рублів ".

А адже це було 15 років тому!

Подивимося докладніше, як же був винайдений транзистор? Виявляється, його винайшли, досліджуючи вплив двох р-п переходів (напівпровідникових діодів) один на одного, розташованих на дуже малій відстані. (Це показано на рис.)

Дві металеві дуже гострі голки поміщалися на поверхні германію (напівпровідник) на малій відстані

один від одного, і потім припікали (пропускався сильний струм на

короткий час). При цьому відбувався розігрів напівпровідника, метал частково розчинявся в напівпровіднику, і також дифундувати всередину його. Метал підбирався таким чином, що його атоми створювали електронний напівпровідник (п-тип). Таким чином виходили два р-п переходу. А так як вони були дуже близькі, то вступали у взаємодію, і виходив транзистор.

Перші транзистори так і виготовлялися, і ця технологія називалася точковою. Очевидні недоліки її. Справа в тому, що з теорії транзисторів відстань між р-п переходами повинно бути набагато менше дифузійної довжини (що це таке, ми скажемо в наступних лекціях), а вона дуже маленька, лежить в межах від одиниць до десятків мікрометрів (зазвичай говорять мікронів) . Розташувати дві голочки так близько неможливо - мікрон значно менше товщини людської волосини (приблизно 50 мкм).

Можна припустити, що відстань між голками порівнянно з товщиною людської волосини і приблизно дорівнює 0,1 мм, або 100 мкм. Далі потрібно пропустити іскру електричного розряду через голочки, так, щоб відбулися плавлення, розчинення і дифузія металу. Процес важко відтворений. Тому багато транзистори, виготовлені за цією технологією, виявлялися бракованими: то р-п переходи зливалися, то відстань між ними було занадто великим. А сам коефіцієнт посилення транзистора був взагалі випадковою величиною.

Вимагалося вдосконалення технології виготовлення транзисторів. Перший крок у цьому напрямку був п

олучая, коли точкову технологію замінили на сплавних (див. рис.). Тут зображена основна конструкція, застосовувана в цьому методі: дві графітові пластини з невеликими ямками для алюмінію оточують з двох сторін пластину германію з електронною електропровідністю (п-типу). Ця конструкція поміщається в піч з високою температурою (600-800оС). Аллюминий розплавляється і дифундує в германій. Коли дифузія пройшла на досить велику глибину, процес припиняють. Аллюминий є акцептором, тобто там, де пройшла дифузія, германій став напівпровідником з доречний електропровідністю (р-типу). Виглядає це так:

Тепер треба тільки розрізати отриману пластину на шматочки, що містять по три різних типи електропровідності (транзистори), посадити в корпус і припаяти кристал до ніжок - транзистор готовий.

Сплавні транзистори набагато краще точкових: більш керований процес дифузії, просто підтримується постійна температура в печі і регулюється час дифузії. Точкова технологія була витіснена Сплавний.

Однак у Сплавний технології є певні недоліки, до основних з них відноситься те, що дифузія проводиться з різних сторін. Товщина пластини не може бути менше 0,5 ... 1 мм, так як інакше вона стане гнучкою, буде згортатися, і не можна буде вважати, що пластина плоска. Значить, товщина, на яку потрібно провести дифузію, як мінімум 250 мкм, товщина бази 1 ... 5 мкм, і її треба зробити точно (з точністю не гірше 1 мкм). У підсумку треба зробити дифузію на глибину 250 мкм з точністю не гірше 1 мкм. Це важко здійсненне.

Поступово в ході розробки технології виготовлення транзисторів прийшли до дифузійної технології, в основі якої лежить фотолітографія.

Коротко опишемо фотолитографию. Її завданням є створення на поверхні кремнію (він найкраще підходить для фотолітографії) маски для дифузії, яка потім буде проводитися локально. Ця маска повинна витримувати дуже високі температури (1200 ... 13000С). Для цієї мети годиться оксид кремнію, який виходить дуже просто шляхом окислення самого кремнію при високих температурах в парах води і в кисні. Його товщина порядки 1 мкм, але цього достатньо, щоб не дати атомам домішки продіффундіровать в напівпровідник. Але в потрібних місцях в діоксиді кремнію роблять отвори (вікна), які й визначатимуть, де пройде локальна дифузія.

Для виготовлення вікон зазвичай використовують фоторезист - це практично фотоемульсія, котора має особливі властивості:

Вона повинна витримувати травлення плавиковою кислотою (звичайна фотоемульсія не витримує), що необхідно при витравлення вікон в діоксиді кремнію.

Вона володіє високою роздільною здатністю (більше 1000 ліній на мм, або менше 1 мкм).

Вона володіє низькою в'язкістю, для того, щоб могла розтектися до шару завтовшки в 1 мкм (інакше такого високого дозволу не отримати).

Вона чутлива до опромінення світлом в ультрафіолетовій області (довжина хвилі світла становить 0,3 мкм).

Так багато особливих властивостей може мати тільки особлива речовина. Це пластмаса, яка під дією світла руйнується, або, навпаки, під дією світла утворюється. Таких речовин знайдено багато. Це - фоторезисти.

Отже, в процесі фотолітографії, ми можемо створити тонкий шар діоксиду кремнію (на кремнії, напівпровіднику), потім нанести дуже тонкий шар фоторезиста, далі через фотошаблон (особлива фотопластинка, на якій є багато заздалегідь розрахованих і виготовлених темних і світлих місць) висвітлити її ультрафіолетовим світлом, потім проявити, то-есть видалити освітлені місця (або навпаки неосвітлені), далі можна видалити через вікна в фоторезисте діоксид кремнію (травлення в плавикової кислоті) і видалити сам фоторезист, так як його залишки можуть перешкодити при високотемпературному процесі дифузії.

Тепер можна виробляти дифузію з одного боку:

А значить, легше зробити точно регульований тонкий базовий шар: робимо дифузію на глибину приблизно 5 ... 6 мкм, потім другу дифузію на 3..4 мкм. База буде приблизно 2 мкм. Глибина дифузії і товщина бази сумірні, значить, можна їх зробити точно (а загальна товщина пластини може бути будь-який, наприклад 1 мм). Пластину (як прийнято називати в електроніці "чіп") можна розрізати на окремі транзистори, перевірити кожен транзистор, і хороші транзистори можна посадити в корпус.

Чому ж тільки фотолітографія дозволила вирішити проблему точного завдання товщини бази? Справа в тому, що якщо товщина бази менше 5 мкм (0,1 товщини волосся), то просто неможливо створити контакт до такої області. А у разі виготовлення локальних емітерний областей цей контакт можна робити зверху там, де немає емітера - це може бути набагато більша площа.

Тому розвиток фотолітографії та локальної дифузії призвело до загального визнання дифузійної технології виготовлення транзисторів.

У 60-70 рр. набула поширення транзисторная ЕОМ БЕСМ-6. Але вона теж працювала приблизно 1-2 доби, і виходила з ладу. Треба було 1-2 діб ремонтувати. Що ж далі? Треба підвищувати надійність транзистора. І ця проблема була вирішена!

У кожного транзистора три контакти, які здійснюються припаюванням золотих зволікань. 3 пайки до кристалу, 3 пайки до ніжок корпусу, 3 пайки в схемі, де транзистор використовується - всього 9. У МДП-транзисторів 4 контакти, значить всього 12 пайок.

А що, якщо не розрізати пластину на окремі транзистори, а відразу використовувати їх у схемі? Ідея приваблива, можна, принаймні, в 3 рази скоротити кількість контактів.

Однак є проблема - всі транзистори будуть закорочені по колектору і базі. Значить, їх треба ізолювати один від одного. І ця проблема була вирішена, і не одним способом!

Розглянемо ізоляцію р-п переходом. Спочатку роблять кишені: наприклад в р-типі створюють дифузією п-області:

Припустимо, що між кишенями є напруга, наприклад, таке, що праву кишеню має позитивний потенціал. Тоді правий р-п перехід зміщений у зворотному напрямку, і струму немає. Нехай, навпаки, праву кишеню має негативний потенціал - тоді лівий кишеню зміщений у зворотному напрямку, і струму знову немає.

Тепер у кожному кишені можна зробити свій транзистор, і він буде ізольований від інших.

Є ще одна проблема. При кожній дифузії потрібно передіффундіровать той шар, який був - то-есть концентрація носіїв виявляється більше, ніж у попередньому шарі. Значить, найменша концентрація повинна бути в пластині, в кишенях вона більше, кишені можуть виконувати роль колекторів, далі створюється базова область, в ній концентрація носіїв ще більше, ніж у колекторної області, потім ми робимо еміттерную область, і в ній найбільша концентрація носіїв заряду. Але це означає, що опір колекторної області найбільше, і тому дуже велике RC - велика постійна часу, транзистори працюють занадто повільно. Для підвищення швидкодії транзисторів треба зробити на дні кишені тонкий шар з високою концентрацією носіїв заряду. Ця проблема теж була вирішена за допомогою епітаксійного нарощування шарів - нарощування шарів з тією ж кристалічної орієнтацією, що і у підкладки. Це - епітаксії. Можемо наростити тонкий шар монокристалу, але з іншого концентрацією носіїв заряду.

Тепер повний цикл виготовлення мікросхеми (інтегральної схеми) виглядає так, як показано на рис. нижче.

На першому етапі роблять локальну дифузію донорів, причому сильну - для створення прихованого шару.

На другому етапі роблять епітаксії - нарощують епітаксіальний шар з низькою концентрацією електронів (електронів більше, ніж дірок).

На третьому етапі проводять локальну дифузію акцепторів для поділу на кишені.

Далі знову проводять дифузію акцепторів для створення базових областей.

Тепер треба зробити емітери, значить локальна дифузія донорів. Заодно роблять підготовку для гарного контакту до колекторної області - всередині колектора сильно легована область.

І нарешті, захищають всю поверхню кремнію оксидом кремнію, роблять в ньому вікна для контактів до транзисторів, потім напилюють метал. Далі зайвий метал видаляють.

Далі потрібно розділити пластину на окремі мікросхеми, зміцнити в корпус, припаяти контакти.

Виявляється, інтенсивність відмов мікросхеми не визначається напівпровідникової структурою, а в основному залежить від числа контактів. Тому інтенсивність відмов мікросхеми теж приблизно 10-7ч-1. На одній мікросхемі можна зробити багато транзисторів. В даний час їх кількість може перевищувати мільйон.

У схемах зазвичай багато інших елементів. Як їх зробити?

Як діода зазвичай використовують транзистор, у якого немає емітерний області, або у звичайного транзистора закорачивается один р-п перехід.

В якості резистора використовують базову або колекторну область, але її потрібно зробити потрібної довжини і ширини, і до неї роблять 2 контакту

Як конденсатора використовують паразитне ємність р-п переходу, або роблять конденсатор з діоксидом кремнію в якості діелектрика.

Індуктивності, як правило, в мікроелектронної технології не роблять.

Однак є межі у мікроелектроніки. Не дуже-то вдається збільшувати число транзисторів, так як вони мають обмеження щодо зменшення розмірів. Площа кристала теж не вдається збільшувати.

У цьому випадку є надія, що перспективу дасть функціональна електроніка - це електроніка, в якій прості функції транзистора замінюються більш складними функціями, що мають наявність в різних кристалах - напівпровідникових, сегнетоелетріческіх, магнето-електричних і так далі.

Л

Екция 2

Електропровідність напівпровідників

Електричний струм - це перенесення електричних зарядів. Відомо, що електричні заряди притаманні елементарним часткам. Причому бувають позитивні і негативні заряди. Так, атоми складаються з позитивно заряджених ядер і негативно заряджених електронів. Найменший заряд у електрона. Електрони притягуються до ядра. У ядра атома заряд більше, але він кратний заряду електрона. В цілому атоми нейтральні, так як число електронів дорівнює заряду ядра. Але іноді електрон може бути відірваний від атома. Зазвичай це легко робиться при високих температурах. Наприклад, в радіолампи розігрітий катод випускає електрони (котрі в 2000 разів легше атомів), і вони беруть участь у перенесенні струму від катода до анода.

У твердих тілах ситуація складніша, оскільки електрони не вільні. Відомо, що в окремому атомі електрон знаходиться в полі тяжіння позитивного заряду. Це можна уявити собі як потенційну яму, див. Рис. зліва. На рис. показана залежність енергії від координати для одного атома зліва і для кристала справа. У разі одного атома це просто зменшення енергії від нуля в нескінченності до мінус нескінченності в центрі ядра. У потенційній ямі у випадку дуже малих часток, коли застосовні закони квантової механіки, все не так, як у класичній механіці. Існує дискретний ряд дозволених енергій, з якими можуть існувати електрони в атомі. Причому за принципом Паулі на кожному енергетичному рівні може перебувати тільки один електрон. А в разі кристала, коли атоми розташовані строго періодично і на дуже близькій відстані один від одного, картина набуває вигляду як на рис. справа (тут, звичайно, зображена одномірна ситуація, а не тривимірна, для простоти). Видно, що через перекриття потенційних ям їх висота знизилася, за винятком крайніх потенційних ям. Квантова механіка каже, що у випадку дуже малих відстаней частинки (в даному випадку електрони) можуть долати потенційний бар'єр, не отримуючи додаткової енергії. Але ймовірність того, що вони подолають цей бар'єр, обернено пропорційна ширині і висоті бар'єру, і навіть в експоненційної формі. Тому тільки на атомному рівні позначається квантовий ефект, який називається тунельним ефектом.

В результаті електрон без жодної додаткової енергії може проникнути з одного атома в інший, сусідній, потім в третій і т.д. Іншими словами, електрони усуспільнюється. Але принцип Паулі забороняє перебувати на одному енергетичному рівні більш ніж одному електрону. Це призводить до того, що кожен енергетичний рівень в атомі розщеплюється на енергетичну зону, яка складається з такого числа рівнів, скільки атомів в даному шматку кристала. Це дуже багато, в одному см3атомов приблизно 1023. Наближено можна вважати, що енергетичні зони суцільні.

Число зон в кристалі повинна відповідати числу рівнів в атомі. Але ширина зони залежить від глибини рівня. Чим він глибше, тим менше ширина рівня, тому що тим більше подоланий в тунельному ефекті бар'єр. Найглибші рівні практично не розщеплюються. Самі верхні заповнені рівні розщеплюються найбільше, вони мають найбільшу ширину. В напівпровідниках найбільш цікавими є верхня заповнена зона і наступна порожня зона. Тому потенційні ями атомів зазвичай не малюють, а із зон малюють тільки ці дві:

Символом Evобозначают верхню межу останньої заповненої зони, стеля валентної зони, а символом Ec- нижню межу першої порожній зони, дно зони провідності. Символом Eg = Ec-Evобозначается ширина забороненої зони.

Отже, ми бачимо, що в твердому тілі є заряджені частинки - електрони, і вони можуть рухатися по твердому тілу. Виявляється, все не так просто. Так наприклад, багато тверді тіла є металами, і вони добре проводять струм; інша ситуація з діелектриками, які погано проводить струм. Є ще й напівпровідники, що займають середнє положення між металами і діелектриками. Розібратися в цьому дозволяє зонная теорія електропровідності.

У діелектриках електронів стільки, що вони повністю заповнюють валентну зону, а зона провідності порожня, там електронів немає. Тому зона провідності струм не проводить, а валентна зона може ток проводити, але не проводить, бо всі стани електронів в точності симетричні, і якщо є стан з імпульсор р, то знайдеться і стан з імпульсом

-р, кожне з цих станів переносить струм, але спрямування цих струмів протилежні, і в сумі стерпний струм дорівнює нулю. Якщо валентна зона повністю заповнена, то кожен електрон проводить свій маленький струм, а весь кристал ніякого струму не проводить.

Інша картина спостерігається в металах, де електронів стільки, що вони заповнюють валентну зону тільки наполовину. При нульовій температурі (за Кельвіном, тобто -273оС) всі нижні стану заповнені електронами, а всі верхні - порожні. Але відстані між станами дуже малі, і найменший обурення системи, наприклад, додаток маленького напруги може викликати зсув електронів з рівноважного стану, і порушити симетрію в розподілі електронів за швидкостями. Таким чином досить легко виникає електричний струм, тобто мається електропровідність.

При більш високих температурах виникає деякий розмиття електронів по станах, а саме мається функція розподілу Фермі-Дірака:

F (E) - імовірність заняття рівня з енергією E електроном, EF- якась константа, що має розмірність енергії і звана рівнем Фермі. Ця функція виглядає наступним чином:

З

десь функція F розташовується горизонтально, а її аргумент E - вертикально. Ліва суцільна лінія - F (E) = 0; права пунктирна лінія - F (E) = 1. При Е> E2вероятность заповнення станів електронами дорівнює нулю - струму немає. При E lp.

Введемо поняття області об'ємного заряду (ООЗ). Це область, в якій є заряд, або в якої змінюються енергетичні зони. Ширина цієї області

г

де ?о- світова константа, рівна 1 / (9 * 109) фм,

?п- діелектрична постійна напівпровідника,

??о- контактна різниця потенціалів, тобто іншими

словами висота потенційного бар'єра, поділена

на заряд одного електрона, В,

NА- сукупна концентрація, обумовлена ??формулою:

NА = NдNа / (N д + Nа)

де Nд- концентрація донорів у шматку п-типу провідності, а

Nа- концентрація акцепторів в шматку р-типу провідності.

З цієї формули видно, що NАбліже до тієї концентрації, яка менше (якщо наприклад Nдменьше, то нею можна знехтувати в знаменнику в порівнянні з Nа, потім це Nаможно скоротити, і залишиться тільки Nд).

До речі, тому товщина всієї ООЗ визначається тією частиною, у якій заряд менше, так як вона товщі.

Електричне поле можна визначити за цієї залежності заряду від координати. Просто треба взяти інтеграл від заряду. Вийде крива:

Ясно, що електричне поле наростає, причому зростає воно по прямій, оскільки щільність заряду постійна, доростає до Емакс, а потім падає до нуля, так як далі заряд має інший знак.

Електричний потенціал також знаходиться інтегруванням електричного поля, при цьому ясно, що потенціал поведе себе так: горизонтально, де немає зарядів, (є нейтральність); і параболічно, де є постійний заряд і лінійний ріст електричного поля. Точно також поводиться і енергетичний рівень, оскільки він визначається як добуток заряду електрона на напругу (правда слід враховувати, що заряд електрона негативний, і потенциаль відіб'ється щодо горизонталі).

Що ж станеться з р-п переходом при додатку до нього напруги?

Це залежить від того, куди прикладений плюс, а куди мінус. Вважається, що якщо плюс прикладений до р-області, а мінус - до п-області, то це пряме зміщення р-п переходу, а якщо навпаки, то це зворотне зміщення р-п переходу.

При прямому зсуві р-п переходу (плюс до р-області) енергія електрона в р-області збільшується, ця частина зони на енергетичній зоні піднімається, а в п-області - знижується, і п-область знижується. Тому потенційний бар'єр зменшується. Також зменшується і ширина області об'ємного заряду згідно з формулою:

И

так, в р-п переході мається діелектрична область, яка при прямому зсуві зменшується по товщині. Тому опір цій області значно зменшується.

При зворотному зсуві (плюс до п-області) енергія електрона зменшується в п-області, ця область в зоні переміщується вниз, а р-зона - вгору. Висота бар'єру збільшується, а також, відповідно до наведеної вище формулі, росте ширина області просторового заряду (слід мати на увазі, що в цьому випадку в формулу підставляється негативне U). Тобто в цьому випадку діелектрична прошарок всередині р-п переходу зростає, і опір структури збільшується з ростом (по модулю) напруги.

Більш суворе теоретичне розгляд дає таку формулу:

г

де I - струм, що протікає через р-п перехід;

Is- деяка постійна, яка має розмірність струму, визначається властивостями матеріалу п- і р-типу електропровідності. Крива, відповідна цій формулі, представлена ??на рис .:

Р-п перехід, або напівпровідниковий діод, має таку вольтамперних характеристику, використовується для випрямлення електричного струму, як отриманого з різних антен, так і мережевого. Крім того, він широко використовується в інших напівпровідникових пристроях, де використовується 3, 4 або набагато більше р-п переходів, що ми розглянемо пізніше. Зараз треба розглянути реальні характеристики р-п переходів.

Реальні характеристики сильно відрізняються від ідеальних. Так, в прямої гілки є кілька відмінностей від ідеальності, але головне, це те, що експонента простирається тільки до напруги Uп. При U> Uппотенціальний бар'єр повністю зникає, і, значить, опір р-п переходу стає рівним тільки опору п- і р- областях, а опір прошарку зникає. Тому при U> UпВАХ лінійна, див. Рис.

Отже, в прямої гілки до U0сохраняется ідеальна крива (експонента), а після - вона замінюється на пряму.

У зворотній гілки крім експоненти, яка досить швидко призводить до насичення, є ще й інший струм, викликаний генерацією носіїв в області об'ємного заряду. Справа в тому, що при кімнатній температурі (і тим більше при підвищених температурах) в напівпровіднику завжди народжуються електрони і дірки (термогенерации). Зазвичай вони, трохи поблукавши по напівпровідника, зустрічаються і гинуть (рекомбінація). Але ті електрони і дірки (пари), які народилися в шарі об'ємного заряду, не встигають загинути, так як там є електричне поле, яке розтягує їх в різні боки. Але тоді, як показано на рис., Через р-п перехід протече елементарний точёк. Чим більше товщина шару обёмного заряду, тим більше сумарний струм. Так що до звичайного току насичення, який існує в р-п переході, додається ще струм, пропорційний товщині шару об'ємного заряду, тобто кореню квадратному від зворотного напруги.

У різних діодах, приготованих з різних напівпровідників, товщина шару об'ємного заряду різна, і тому відносна величина цього внеску неоднакова. Зазвичай в германієвих р-п переходах цей внесок менше, а в кремнієвих р-п переходах більше, і в реальних кремнієвих діодах зворотний струм практично завжди пропорційний кореню квадратному з модуля напруги (наближено).

Але в зворотному напрямку є і ще деякі особливості, пов'язані з тим, що на р-п переході падає велике напруження. Тому при досягненні деякої напруги настає електричний пробій напівпровідника.

Ми розглянемо тільки один з можливих механізмів пробою - лавинний. У цьому випадку при досить великий напруженості електричного поля електрон в зоні провідності, або дірка у валентній зоні можуть розігнатися за час між зіткненнями з якимись дефектами до енергії, достатньої для народження нових електрона і дірки. Так замість одного електрона (дірки) стало три частки. Кожна з цих частинок теж можут розігнатися до такої великої швидкості і потроїтися. Якщо напруженість електричного поля збільшується, то лавиноподібний процес збільшується - потроєння відбувається довше і кількість частинок сильно збільшується. На вольтамперної характеристиці це відповідає майже вертикальному ділянці - напруга не змінюється, а струм сильно зростає.

Далі настає тепловий пробій, тобто виходить так, що із зростанням струму піднімається температура діода, це призводить до збільшення концентрації за рахунок термогенерации, росте струм, а це призводить до нового зростання температури і так далі, поки зразок не згорить. На цій ділянці вольтамперная характеристика має негативний нахил - динамічний опір негативно.

До іншим параметрам р-п переходу відноситься паразитная ємність діода. Вона виходить через те, що в р-п переході завжди є область об'ємного заряду, то-есть область, в якій завжди є заряд. Цей заряд залежить від прикладеної напруги, тобто це і є звичайний конденсатор. Але на відміну від звичайного конденсатора р-п перехід має ємність, яка залежить від напруги. Тому зручніше розглядати не ємність, а динамічну ємність р-п переходу:

Ця ємність грає роль при зворотному напрузі і називається бар'єрної. Очевидно, чим більше зворотна напруга, тим більше l і тим менше СД. При прямому зсуві СДтоже існує, але значно більшу роль відіграє дифузійна ємкість, яка виникає через те, що відбувається дифузія електронів і дірок в області з протилежним типом електропровідності. Однак розгляд цієї ємності більш складне, і ми не будемо її розглядати.

Ми розглянули реальні властивості напівпровідникового діода. А тепер розглянемо застосування діода.

Найпростіше і очевидне застосування р-п переходу - це використання його в якості випрямляча. Але тут важливо відзначити, навіщо робиться випрямлення електричного струму. Насамперед це випрямлення змінного струму для живлення різної апаратури постійним струмом. Це зазвичай 50 Гц або 60 Гц - досить низька частота. Тому швидкодію від цих діодів не потрібно, але потрібно пропускання досить великого струму, досягається за рахунок великої поверхні р-п переходу. Це так звані силові діоди.

Випрямлення струму відбувається за такою схемою:

Від джерела електрорушійної сили струм проходить через діод і потім через опір навантаження. На опорі навантаження виділиться напруга, схоже на діаграму струму, тобто напруга буде одного знака, але дуже пульсуючим, що неприпустимо. Можна, звичайно, ускладнити схему за рахунок використання чотирьох діодів, тоді не буде перепусток, але імпульсних залишиться. Тому застосовують фільтрацію сигналу, у найпростішому випадку застосовують просто конденсатор:

Інша ситуація виникає при використанні діода для випрямлення радіосигналу. Тут інші частоти - від сотень кілогерц до сотень мегагерц. Тому головна вимога до діода - це його високочастотних. Тому діоди роблять маленькій площі і навіть точковими, щоб зменшити їх паразитную ємність. Тут ще залишилися точкові діоди.

Іноді використовують вертикальну ділянку зворотного гілки діода для стабілізації напруги. Діоди, спеціально виготовлені для цього, називаються стабілітронами. Важливо вміти виготовляти стабілітрони на різний напруга, тобто зробити р-п перехід з потрібним значенням пробивної напруги. Цього легко домогтися, підбираючи потрібний ступінь легування (концентрацію донорів і акцепторів в п- і р-типі).

Паразитна ємність р-п переходу не завжди шкідлива. Іноді, коли ємність важлива, р-п перехід використовують як конденсатора. Особливо важливо те, що його ємність можна регулювати, прикладаючи різні зворотні напруги. Спеціально виготовлені для цього діоди називають варикапами.

Дещо відмінні діоди виходять, коли р- і п-області сильно леговані, так що рівні Фермі злегка виходять у відповідні зони:

О

бласть об'ємного заряду дуже маленька, так як великі копцентраціі домішок - донорів і акцепторів. Тому дуже велика ймовірність того, що електрони з валентної зони відразу переходять в зону провідності (і назад). У такій структурі при малих напругах протікають дуже великі струми. При невеликих зсувах в прямому напрямку висота бар'єру зменшується, і зникає перекриття валентної зони і зони провідності, струм зменшується, а потім, коли бар'єр зовсім зникає, ток знову зростає. Це так званий тунельний діод. Його характеристика показана на рис .:

Важлива особливість тунельного діода - це те, що він має ділянку з негативним диференціальним опором. Це дозволяє зробити на ньому простий генератор змінного сигналу, причому дуже високочастотний (НВЧ).

Особливо важливо те, що р-п перехід може взаємодіяти з різними випромінюваннями. Якщо р-п перехід взаємодіє зі світлом, його називають фотодиодом.

З точки зору квантової механіки світло можна розглядати двояко: з одного боку це електромагнітна хвиля, а з іншого боку це потік частинок - фотонів. Взаємодія напівпровідника і світла зручніше розглядати з точки зору фотонів.

Коли фотон потрапляє в напівпровідник, він може зіткнутися з електроном валентної зони. При цьому фотон віддає електрону і зникає. Якщо фотон з видимої частини спектра, його енергії цілком достатньо, щоб відбулася фотогенерація електрона і дірки (електрон з валентної зони переходить в зону провідності, а у валентній зоні залишається дірка).

Коли фотон потрапляє в нейтральну область, то народжені пари (електрон і дірка), поблукавши деякий час, можуть зустрітися і рекомбінувати. Таким чином, так як час життя пар мало, ефект дуже слабкий. Зовсім інша справа, якщо фотон поглинувся в області об'ємного заряду - тоді народилася пара розділяється електричним полем цій галузі, так що після поглинання одного фотона через р-п перехід пройде струм в один заряд.

Якщо фотодіод включений в коротко замкнутий ланцюг, то чим більше потік фотонів, тим більше фототок, такі фотодіоди використовуються для реєстрації освітленості.

Якщо фотодіод включений в разомкнутую ланцюг, то фотогенерація призведе до заряду областей: п-область - негативно, р-область - позитивно. Але при цьому зменшиться висота потенційного бар'єра, а отже, величина електричного поля в області об'ємного заряду. Зрештою на р-п переході з'явиться різниця потенціалів, рівна контактної різниці потенціалів Un, і подальший поділ пар фотогенерації припиниться.

Це звичайно використовується в сонячних батареях, де збирається в загальну батарею велика кількість дешевих кремнієвих діодів великої площі. Контактна різниця потенціалів їх становить 0,6 ... 0,7 В.

Напівпровідникові діоди використовують також як випромінювачів світла - це так звані світлодіоди. На жаль ні германій, ні кремній не можуть випромінювати фотони, так як вони непрямозонних. Прямозоні напівпровідники зображені зліва (наприклад AsGa), а Ge і Si праворуч

В

германии і кремнії бічній мінімум розташований трохи нижче основного, і його заповнюють електрони, тому вони можуть рекомбінувати тільки з виділенням енергії та імпульсу, а в AsGa зони прямі, і рекомбінація відбувається без виділення імпульсу (виділяється тільки енергія). Тому в германии і кремнії виділяються фонони (що мають приблизно такий імпульс), а в арсеніді галію - фотони (що не мають імпульсу).

Але в арсеніді галію довжина хвилі випромінювання більше 1 мкм, тобто він випромінює в інфрачервоній області спектра. Підходяща довжина хвилі виходить в фосфід галію, так як у нього більш широка заборонена зона, і це відповідає видимого світла.

ЛЕКЦІЯ 4

Біполярні транзистори

На минулій лекції ми розглянули роботу одного р-п переходу (діода). Однак відомо, що набагато більше застосування мають напівпровідникові прилади з великим числом шарів різного типу електропровідності, розташованих в різному поєднанні. Сьогодні ми розглянемо біполярний транзистор.

Принцип дії біполярного транзистора полягає в тому, що 2 р-п переходу розташовані настільки близько один до одного, що відбувається взаємне їх вплив, внаслідок чого вони посилюють електричні сигнали.

Як показано на рис., Це три області - п-, р- і п. (В принципі може бути і навпаки: р-, п-, р-; всі міркування щодо такого транзистора будуть однакові, різниця тільки в полярностях напруг, такий транзистор називається р-п-р, а ми для простоти будемо розглядати п-р-п, зображений на рис.)

Отже, на рис. зображені три шари: з електронною електропровідністю, причому сильною, що позначає плюс - емітер, доречний - база, і знову електронній, але більш слабо легованої (концентрація електронів найменша) - колектор. Товщина бази, тобто відстань між двома р-п переходами, рівне Lб, дуже мала. Вона повинна бути менше дифузійної довжини електронів в базі. Це від одиниць до десятка мкм. Товщина бази повинна бути не більше одиниць мкм. (Товщина людської волосини 20-50 мкм. Відзначимо також, що це близько до межі дозволу людського ока, так як ми не можемо бачити нічого меншого, ніж довжина хвилі світла, тобто приблизно 0,5 мкм). Всі інші розміри транзистора не більше приблизно 1 мм.

До верствам прикладають зовнішня напруга так, що емітерний р-п перехід зміщений у прямому напрямку, і через нього протікає великий струм, а колекторний р-п перехід зміщений у протилежний бік, так що через нього не повинен протікати струм. Однак внаслідок того, що р-п переходи розташовані близько, вони впливають один на одного, і картина змінюється: ток електронів, що пройшов з емітерного р-п переходу, протікає далі, доходить до колекторного р-п переходу і електричним полем останнього електрони втягуються в колектор. В результаті у хороших транзисторів практично весь струм колектора дорівнює току емітера. Втрати струму дуже незначні: відсотки і навіть частки відсотка.

Розглянемо більш уважно складові струмів в біполярному транзисторі п-р-п типу. Це зображено на рис .:

Верхній струм (велика товста стрілка з мінусом) - це ток електронів з емітера в колектор. В емітер електронів багато, тому цей струм великої. Коли електрони входять в базу, то далі вони рухаються за рахунок дифузії (електричного поля в базі немає) - зліва електронів багато, а праворуч - мало. Значить, вони рухаються зліва направо. А в кінці бази вони потрапляють в область електричного поля колекторного р-п переходу, яке витягує електрони з бази в колектор. Так як це поле велике, концентрація електронів в базі безпосередньо у колекторного р-п переходу практично дорівнює нулю. Тому градієнт концентрації електронів в базі дуже великий - зліва їх дуже багато, праворуч - майже нуль, а довжина бази дуже мала:

г

де n0- концентрація електронів в базі зліва (у еммітера), дуже велика.

Тому дифузний струм дуже великий. А дрейфу струму немає.

Насправді він є, але дуже маленький. Дійсно, напруга до бази прикладається, але збоку, і маленьке (не більш одного вольта). А напруженість електричного поля розраховується як відношення напруги до відстані, на якому ця напруга прикладається. У нашому випадку відстань - це товщина транзистора в напрямку, перпендикулярному напрямку дифузійного струму, і ця товщина в 10 ... 1000 разів більше Lб. Тому дрейфовий струм істотно менше дифузійного, другий маленький електронний струм на рис., Який показаний тоненькою лінією, згортають до базового контакту.

Другий маленький струм електронів - це ті електрони, які зустрілися в базі з дірками і рекомбинировали. Дірки, необхідні для цього, можуть прітечь тільки з базового контакту, так як в колекторі і в емітер їх немає. Цей струм спочатку позначений мінусом, а далі він зустрічається з дірковим струмом, який позначений плюсом, і виходить з базового контакту (другий маленький точёк).

Третій маленький струм - це дифузний струм дірок з бази в емітер. Він набагато менше дифузійного струму електронів (з емітера в базу), бо електронів в емітері набагато більше, ніж дірок в базі (нагадаємо, що емітер - найбільш сильно легована область п-р-п транзистора). Це позначено тоненьким дірковим струмом, який також може початися тільки на базовому контакті, а закінчується на емітерний контакті.

Отже, є три маленьких струму, які неминуче повинні проходити з бази в емітер: це дрейфовий струм електронів (малий у порівнянні з дифузійним), струм рекомбінації (малий, тому що мала товщина бази) і дірковий струм дифузії (малий, тому що мала концентрація дірок у базі порівняно з концентрацією електронів в емітері). І є великий дифузний струм електронів з емітера в базу, який йде до колекторного р-п переходу, і його електричним полем простягається в колектор. Ставлення колекторного струму до базового - це головний коефіцієнт, який показує підсилювальні можливості транзистора:

Т

ак як Ік >> Іб, ця величина більша, тобто транзистор підсилює струм. Зазвичай ??составляет 10 - 300, в рідкісних випадках (у дуже широкосмугових транзисторів) ??может бути менше (близько 2 ... 5), або більше, 5000 ... 10000 у супербетатранзісторов.

Отже, у транзистора струм бази дуже малий, тому струм емітера практично весь перетвориться в струм колектора, і тільки невелика частина його перетворюється в струм бази:

?

?связано з ????Iк / Iеформулой:

И

навпаки:

Звичайно, ??очень близько до одиниці, але ??> rвхі ?> 10.

Цікаво також провести графічне дослідження схеми. Це дозволяє зробити правий рис., Де показано сімейство вихідних ВАХ.

Припустимо, що ми вирішили знайти коллекторное напругу за допомогою графічного методу. Для простоти вважаємо, що Rе = 0 Rн = бескон. Очевидно:

Праворуч стоїть функція Uк (Ік), сімейство цих функція є у нас на графіку. Зліва теж якась функція від Ік. Але це пряма, так звана навантажувальна пряма. Вона визначається напругою живлення і опором колектора. Дві точки, через які проходить ця пряма, це:

 I до

 U до

0

 E п

 E к / R до

0

Навантажувальна пряма теж зображена на рис. Її перетин з однієї з кривих сімейства - це і є графічне рішення нашого завдання. І це рішення більш правильне, ніж наше попереднє, так як воно враховує справжні графіки транзистора.

Нехай вхідні струми такі, що працюють перша і третя криві сімейства. .....

Тепер розглянемо іншу схему включення транзистора:

Тут на вході транзистора все точно також, як і в попередній схемі. А в колекторі і емітері все не так! Колектор з'єднаний прямо з джерелом живлення, вихідна напруга береться з резистора емітера.

По перше, це сильно позначається на вхідному опорі схеми:

Е

слі вхідний опір дорівнює 3 кОм, а ? = 300, то за формулою виходить приблизно 1 МОм, тобто дуже багато.

Чому так виходить? Через зворотного зв'язку. Справа в тому, що на транзистор діє різниця потенціалів між базою і емітером: чим більше ця різниця, тим більше струм через емітерний р-п перехід, тим більше падіння напруги на резистори R е, але тим менше різниця потенціалів на емітерний р-п переході. Зворотній зв'язок - 100-відсоткова. Можемо обчислити диференційний коеефіціент посилення шляхом диференціювання відповідних рівнянь. Полич:

Якщо Rе = 30 Ом, а Rе = 3 кОм, то Кuд = 1 / (1 + 30/3000) = 0,99. Видно, що Кuдменьше 1, але дуже близько до неї.

Вихідний опір сильно зменшується в порівнянні з R е.

Здається, такий пристрій не дуже то потрібно, тому що коефіцієнт посилення менше 1. Але той факт, що у схеми з ОЕ якраз погані параметри через те, що у ОЕ низький вхідний опір і високу вихідну, не виходить використовувати кілька схем з ОЕ, так як кожна наступна схема буде закорочувати вихідний сигнал попередньої. Якщо ж між схемами з ОЕ використовувати схеми з ОК, то високий вихідний опір ОЕ узгоджується з дуже високим вхідним опором схеми ОК, а низький вихідний опір схеми ОК узгоджується з не дуже низьким вхідним опором наступної схеми ОЕ.

Це відбувається тому, що при одиничному посилення по напрузі схема з ОК має досить великий коефіцієнт посилення по струму (приблизно ??. Часто такі схеми називаються еміттерними повторителями.

Існують ще й схеми із загальною базою. Вони використовуються досить рідко, тому ми їх не розглядаємо.

Нижче ми наводимо таблицю порівняльних даних за цими схемами.

 r вх

 r вих

 K u

 K i

 K p

 Зауваження

 ОЕ

 середнє

 високе

 Велике

 Велике

 Дуже велике

 Часто використ.

 ОК

 дуже велике

 дуже низьке

1

 Велике

 Велике

 Не часто использ.

 ПРО

 мале

 дуже високе

 Велике

1

 Велике

 Рідко использ.

ЛЕКЦІЯ 5

Польові транзистори

До інших пристроїв з трьома шарами п- і р-типу відносяться польові транзистори.

Польові транзистори з р-п переходом

Констукція цих транзисторів представлена ??на рис .:

Як видно, тут теж три шари: п-, р-, і п-типу (може бути і навпаки: р-, п-, і р-тип). Між стоком (на рис. Позначений як С) і витоком (І) прикладається напруга, таке, що заряди (в даному випадку дірки) випливають з витоку і втікають в стік. Значить, до стоку прикладається негативна напруга, витік заземлюється. Через наявність р-п переходів область каналу звужується, причому насправді навіть більше, так як р-п перехід товстий, у нього є область об'ємного заряду (ООЗ), відзначена на рис. пунктирною лінією. До затвору (З) прикладається позитивне напруга, так що р-п переходи зміщені у зворотному напрямку, і ООЗ розширюється, а ширина каналу звужується. Це призводить до зменшення струму каналу (потоку зарядів від витоку до стоку) - це регулювання струму, яка і дає режим посилення.

Це транзистор з каналом р-типу. При зворотних типах шарів вийде транзистор з каналом п-типу. У нього все також, тільки в каналі протікають електрони, до стоку прикладається плюс, а до затвору - мінус.

Повернемося до транзистора з каналом р-типу. Так як на затвор подається зворотна напруга, то він погано пропускає струм (це зворотний струм р-п переходу), тобто вхідний опір польового транзистора дуже велике. Польовий транзистор управляється напругою, або полем. У цьому він в якомусь сенсі схожий на радіолампу. Причому так само, як в радіолампи, при збільшенні на затворі напруги (по модулю) проходить від витоку до стоку ток падає. При деякій напрузі Uзи = U0ООЗ змикаються, і струм стоку дорівнює нулю. Ця напруга називається напругою відсічення.

Вихідна і перехідна характеристики представлені на рис .:

К

ак здається при простому розгляді, характеристики струм стоку - напруга стік-витік повинні бути прямими, і лише нахил їх стане тим менше, чим більше напруга затвор-витік. Це тому, що при збільшенні напруги на затворі опір каналу збільшується. Однак криві швидко починають наситишся, виходять майже на горизонтальну ділянку. Об'ясніется це тим, що напруга, падаюче в каналі, змінюється від 0 до -Uсі, а значить, на р-п переході падіння напруги різне: в області поблизу витоку воно дорівнює Uзи, а в області влізі стоку: Uзи + Uси, т. е. більше. Значить, на рис. зліва в правій частині ООЗ ширше, а канал уже. Тому зрозуміло, що опір каналу із зростанням напруги Uсірастёт, а характеристики падають. На правому рис. представлена ??ситуація з дуже великими напруженнями Uси, коли ООЗ верхнього і нижнього р-п переходу стикаються. Здається, що в цьому випадку струм в каналі повинен зникнути, оскільки канал переривається. Але насправді все відбувається інакше. Як видно з наступного рис., У ЗНЗ є електричні поля, показані стрілками, та їх спрямування в основному від п-к р-типу. Але там, де ООЗ зливаються, це поле направлено зліва направо, тобто так, щоб витягувати дірки з каналу, де він ще є, направо, через ООЗ.

У якомусь сенсі це дуже схоже на випадок з біполярними транзисторами: там теж носії заряду дифундують до колектора, а потім дуже сильним електричним полем колекторного р-п переходу витягуються в колектор.

В даному випадку поле ООЗ набагато більше, ніж поле р-каналу. Тому після того, як ООЗ зіллються, подальше зростання Uсіобеспечівается зростанням поля в ООЗ. А ліва частина р-каналу залишається незмінною. Але саме вона визначає струм через канал. Тому струм через польовий транзистор більше не змінюється. (Ток трохи збільшується, але в першому наближенні можна вважати, що він незмінний.)

Це і є робочий ділянку вихідної характеристики - струм визначається напругою на затворі, але не залежить від напруги на стоці, тобто може використовуватися для посилення напруги. Зазвичай на цій ділянці працюють підсилювачі на польових транзисторах, тобто використовується випадок, коли ООЗ перекриваються.

Напруга, з якого починається пологий ділянку, називається напругою насичення:

Крім того:

де Icmax- максимальний струм стоку, що має місце при Uзи = 0.

Для визначення коефіцієнта посилення підсилювача на основі польового транзистора важливо знати його крутизну (аналогічно коефіцієнту ? в біполярних транзисторах):

де smax- максимальна крутизна, що має місце при Uзи = 0. Вона визначається як:

Крутизна вимірюється в мA / В, і становить зазвичай від 1 до 100. Вхідний опір - 109 ... 1012Ом. На схемах польові транзистори зображуються так:

Н

еудобство польових транзисторів полягає в тому, що харчування ланцюга затвора (вхідний) і стоку (вихідний) різнополярних, тобто потрібні дві різних батарейки. Але за допомогою конденсатора цього легко уникнути, як показано на схемі. Це транзистор з п-каналом, тому до стоку прикладена позитивна напруга, а до затвору - негативне. Воно утворюється за рахунок зміщення, що з'явився на опорі витоку. По змінному сигналу його величина повністю компенсується за рахунок включення паралельно з опором ще й конденсатора.

Зазвичай повна схема містить ще й опору у вхідному ланцюзі, які й визначають вхідний опір схеми. Вихідний опір про

пределяется опором стоку Rcі диференціальним опором стоку транзистора, тобто нахилом вихідної характеристики транзистора.

Коефіцієнт посилення цієї схеми:

і може досягати декількох сотень.

Це - схема із загальним витоком (ОІ). Аналогічно біполярні транзистори, є схеми і з загальним стоком (ОС):

Здається, що це істотно більш проста схема, але практично вона така ж, що і ОІ, але немає конденсатора Сі. Тому вплив негативного зворотного зв'язку не виключено, і внаслідок цього коефіцієнт посилення по напрузі практично дорівнює 1, але насправді дещо менше. Коефіцієнт посилення по струму більше 1, і вихідний опір істотно менше, ніж у схеми з ОІ.

Можна б побудувати схему із загальним затвором, аналогічно схемі із загальною базою у біполярних транзисторів. Однак крім технічних складнощів (важко зробити загальний затвор, коли немає струму затвора) немає і такої необхідності, так як вхідні опори у польових транзисторів дуже великі, і не треба усувати ефект закорочування вихідного сигналу у багатокаскадних схемах.

Польові транзистори МДП

Польові транзистори метал-діелектрик-напівпровідник (МДП), або по іншому метал-оксид-напівпровідник (МОП) сильно відрізняються від останніх розглянутих як за принципом дії, так і за технологією виготовлення. Але кінцеві дані (перехідні та вихідні характеристики) у них дуже схожі на криві останніх графіків.

Розглянемо, наприклад, напівпровідник (кремній, германій) р-типу електропровідності. Будемо вважати, що на нього нанесений тонкий шар діелектрика (частіше за інших вирощується оксид кремнію на кремнії). Товщина діелектрика повинна бути дуже малою. Якщо в технології напівпровідників використовуються захисні шари оксиду товщиною від 1 до 2 ... 3 мкм, то ми будемо вважати, що товщина діелектрика лежить в межах 0,1 ... 0,3 мкм.

А зверху на діелектрику нанесений шар металу. Між металом і напівпровідником докладено електричне поле.

У разі тонкого діелектрика електричне поле легко проникає в напівпровідник. Що внесе це поле в напівпровідник, легко зрозуміти з дослідження зонних діаграм:

Н

а рис. зображені три залежності енергії електрона від координати. Зліва представлений випадок, коли до металу (позначений літерою М) докладено негативне по відношенню до напівпровідника напругу. Воно притягує до поверхні напівпровідника дірки, а електрони відштовхує. Іншими словами, зонна діаграма згинається вгору, і при встановленні рівноваги дірок у поверхні стане ще більше, ніж було у вихідному напівпровіднику.

На середньому малюнку зображена діаграма у випадку, коли до металу щодо напівпровідника прикладена позитивна напруга, зони зігнуті вниз. Дірок у поверхні стало менше, ніж у глибині, а електронів - більше. Але поки дірок у поверхні більше, ніж електронів.

На правому рис. ситуація кардинально змінилася: напруга знову позитивне, але вже досить велика, щоб електронів у поверхні стало більше, ніж дірок. Напівпровідник розділився на дві області: в глибині це як і раніше р-тип, а поблизу поверхні - п-тип (відбулася інверсія типу електропровідності).

Тепер розглянемо конструкцію, зображену на рис. зліва. Це напівпровідник (наприклад кремній) р-типу, в якому зроблено дві області п-типу. Зверху крім захисного шару діоксиду кремнію нанесений ще тонкий шар діоксиду кремнію між п-областями. Якщо тепер подати напругу між стоком і витоком, то нічого не станеться: струм не з'явиться, так як при будь-якому знаку напруги хоч один з р-п переходів зміщений у зворотному напрямку (це як в біполярному транзисторі при дуже товстої базі - два р-п переходу окремо).

А тепер давайте подамо позитивне напруга на затвор щодо підкладки (праворуч). Якщо ця напруга більше деякого, так званого порогового (Uп), то дірки відіпхнуться від поверхні вглиб напівпровідника, а електрони притягнуться до поверхні, і їх стане більше, ніж дірок - поблизу поверхні з'явиться наведений (індукований) шар п-типу. Цей шар з'єднає дві вихідні області п-типу, і між стоком і витоком з'явиться струм. Кажуть, що утворився канал п-типу.

Звичайно, можна взяти структуру з р-п-р областями. Усі міркування для неї будуть ті ж, але на затвор треба подавати негативне напруга, і канал буде р-типу. Далі ми розглядаємо тільки п-канальний МДП транзистор.

Очевидно, ця структура має 4 контакту. Іноді їх всі використовують. Проте частіше витік з'єднують з підкладкою, і залишається тільки три контакту. Для простоти ми розглянемо тільки цей випадок.

На рис. представлені перехідна і вихідна характеристики польового транзистора МДП з вбудованим п-каналом. Видно, що в цьому випадку всі потенціали позитивні. Перехідна характеристика поводиться як частина параболи. Залежність

струму стоку від напруги стік-витік представлена ??на правому рис. Ці криві дуже схожі на вихідні характеристики польового транзистора з р-п переходом, але тільки тут знак струму стоку і напруги на стоці збігаються.

І тут також, як і в попередньому випадку, виникає питання, чому характеристики не прямі - здається, що тільки від напруги Uзпзавісіт провідність каналу, і, отже, повинен дотримуватися закон Ома, тобто струм стоку повинен бути пропорційний напрузі стік-витік. Однак з рис. видно, що чим більше напруга стік-витік, тим більше опір каналу. Пояснюється це тим, що в каналі є падіння напруги, а так як в затворі немає ніяких струмів, то напруга у всіх точках затвора однакове. Якщо витік і підкладка з'єднані, то в каналі поблизу витоку напруга дорівнює 0, а поблизу стоку одно Uси, значить різниця потенціалів між затвором і підкладкою буде зменшуватися від витоку до стоку, канал буде мати різну товщину і електропровідність, як показано на рис. зліва.

К

ак виходить з теорії, залежність струму стоку від напруги на затворі і стоці має вигляд:

де К - коефіцієнт, що залежить від конструкції і технології виготовлення транзистора, має розмірність А / В2. Це парабола в координатах Uсі- Ic, причому перевернута і проходить через початок координат. Максимум лежить в точці

і становить

а далі повинен бути спад. Але на графіку цього спаду не видно. У чому ж справа? Виявляється, причина в тому, що в р-п переході є ООЗ, а в ній - електричне поле, вказане стрілками на рис .:

В

се стрілки мають різне спрямування, але в кінці каналу напрямок завжди однакове: поле направлено так, що електрони витягуються з каналу і втягуються в область стоку. Це поле дуже велике, тому витягування електронів дуже сильне. Це так само, як і у польових транзисторів з р-п переходом і біполярних транзисторів. З цієї причини з подальшим зростанням напруги на стоці все надлишкове напруга падає на ООЗ стоку і лише призводить до витягування електронів з каналу в стік, а на каналі падає однакову напругу, і струм каналу далі не змінюється. Тому спаду струму немає, а є сталість (насправді дуже повільне зростання). Якраз ця область і є робочим ділянкою вихідної характеристики польового транзистора, тобто транзистор завжди працює з закритим каналом. Струм стоку дорівнює

Крутизна визначається похідною струму по напрузі на затворі:

Чим більше напруга на затворі, тим більше крутизна. Але реально затвор дуже швидко пробивається, так як це дуже тонкий шар оксиду кремнію, тому крутизна ненабагато більше, ніж у польових транзисторів з р-п переходом. Крім того, МОП польові транзистори дуже часто пробиваються статичною напругою, тому їх треба припаювати до схем з великою обережністю. Зазвичай всі контакти польових транзисторів з'єднані між собою і роз'єднувати тільки перед самою пайкою, паяльник повинен бути заземлений, і той, хто паяє, повинен мати на руці заземлений браслет.

Нижче показані схематичні зображення МОП польового транзистора з п-каналом (ліворуч) і з р-каналом (праворуч).

Т

акие транзистори називаються МОП транзистори з індукованим каналом. Можна, однак, перед тим, як робити подзатворного діелектрик, провести ще одну дифузію донорів для п-канальних транзисторів або акцепторів для р-канальних транзисторів, щоб створити вбудований канал. тоді характеристики будуть виглядати так:

Тепер у транзистора є струм навіть при нульовій напрузі на затворі, і є можливість керувати ним, т.е отримувати посилення. Позначаються такі транзистори майже також, як і транзистори з індукованим каналом:

С

хемние рішення МОП транзисторів з індукованим і вбудованим каналом практично мало відрізняються від схем польових транзисторів з р-п переходом, тому ми їх не розглядаємо.

ЛЕКЦІЯ 6

Зворотній зв'язок

Сьогодні ми досліджуємо на перший погляд дуже шкідливе явище - зворотний зв'язок.

Що таке зворотний зв'язок? Це дуже просто. У всіх пристроях, де є вхід і вихід, є якісь паразитні впливу вихідних сигналів на вхідні сигнали. Здається, з цим треба боротися. Але спочатку давайте подивимося, до чого це призводить.

На рис. показано підсилювальний пристрій з одним входом і одним виходом (трикутник), наявність зворотного зв'язку показано прямокутником, і ця зворотний зв'язок додається або віднімається від вхідного сигналу:

Нехай спочатку частина вихідного сигналу (В1, то Кос = 1 / В. В іншому випадку Кос

Авіація і космонавтика
Автоматизація та управління
Архітектура
Астрологія
Астрономія
Банківська справа
Безпека життєдіяльності
Біографії
Біологія
Біологія і хімія
Біржова справа
Ботаніка та сільське господарство
Валютні відносини
Ветеринарія
Військова кафедра
Географія
Геодезія
Геологія
Діловодство
Гроші та кредит
Природознавство
Журналістика
Зарубіжна література
Зоологія
Видавнича справа та поліграфія
Інвестиції
Інформатика
Історія
Історія техніки
Комунікації і зв'язок
Косметологія
Короткий зміст творів
Криміналістика
Кримінологія
Криптологія
Кулінарія
Культура і мистецтво
Культурологія
Логіка
Логістика
Маркетинг
Математика
Медицина, здоров'я
Медичні науки
Менеджмент
Металургія
Музика
Наука і техніка
Нарисна геометрія
Фільми онлайн
Педагогіка
Підприємництво
Промисловість, виробництво
Психологія
Психологія, педагогіка
Радіоелектроніка
Реклама
Релігія і міфологія
Риторика
Різне
Сексологія
Соціологія
Статистика
Страхування
Будівельні науки
Будівництво
Схемотехніка
Теорія організації
Теплотехніка
Технологія
Товарознавство
Транспорт
Туризм
Управління
Керуючі науки
Фізика
Фізкультура і спорт
Філософія
Фінансові науки
Фінанси
Фотографія
Хімія
Цифрові пристрої
Екологія
Економіка
Економіко-математичне моделювання
Економічна географія
Економічна теорія
Етика

8ref.com

© 8ref.com - українські реферати


енциклопедія  бефстроганов  рагу  оселедець  солянка