Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
§ 37. Полупроводниковые приборыПолупроводниковые материалы широко применяются в современной электронике. Полупроводниковые приборы — диоды, транзисторы, интегральные схемы — выполняют те же функции, что и электронные вакуумные лампы. Но их габариты и потребляемая энергия настолько меньше, что они сделали возможным решение принципиально новых задач. Например, современный компьютер содержит столько функциональных элементов, что само его существование возможно только благодаря очень малому размеру этих элементов: на кремниевом монокристалле размером около 6,5 мм умещается несколько сотен тысяч транзисторов, соединенных в сложную электрическую схему. Почти все полупроводниковые приборы имеют в основе монокристалл, содержащий две или более области с различными примесями. На границах областей с разным легированием возникают так называемые переходы. Перепады концентрации примесей в переходе и возникающие благодаря этому электрические поля вызывают целый ряд существенно нелинейных эффектов в электропроводности, благодаря которым и функционируют полупроводниковые приборы.
Остановимся подробнее на качественном описании свойств способов, например диффузией донорных примесей с одного конца и акцепторных примесей с противоположного конца германия с собственной проводимостью, так чтобы возник переход от
Рис. 119. Схема Схема такого Если бы Диффузия электронов и дырок. Основные и неосновные носители. Поскольку на самом деле Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Это динамическое равновесие нарушается при включении такая, как показано на рис. 1196, то электрический ток через Если приложенное напряжение имеет противоположную полярность, как показано на рис. 119в, электрический ток через
Рис. 120. Вольт-амперная характеристика Экспоненциальный характер роста силы тока при прямом напряжении связан с тем, что преодоление основными носителями потенциального барьера обусловлено их тепловым движением: барьер могут преодолеть только достаточно «быстрые» носители. Число носителей с энергией, превышающей высоту барьера, при максвелловском распределении экспоненциально зависит от отношения высоты барьера к характерной тепловой энергии При увеличении обратного приложенного напряжения рост силы тока с напряжением быстро замедляется и он достигает насыщения, причем значение силы тока насыщения относительно невелико (по сравнению с силой тока при прямом напряжении). Малое значение силы тока насыщения обусловлено тем, что число неосновных носителей, осуществляющих перенос заряда при обратном напряжении, невелико и уже при сравнительно небольшом напряжении все они пересекают область Нелинейный, асимметричный характер зависимости силы тока через Транзистор. Добавляя в монокристалл еще один Транзистор — это трехэлектродный прибор, аналогичный вакуумной электронной лампе — триоду. Он получается при последовательном включении двух Транзисторное усиление слабого сигнала возникает за счет того, что слабый сигнал в цепи эмиттер—база вызывает сильное изменение большого тока, протекающего между эмиттером и коллектором. Усилитель на транзисторе. Транзистор может быть включен в электрическую цепь многими способами. Простейшая схема с общей базой наиболее удобна для анализа работы транзистора. К эмиттеру (левому переходу на рис. 121) приложено прямое постоянное напряжение около 1,5 В. Сопротивление Электроны, продиффундировавшие из эмиттера в базу, становятся там неосновными носителями. В области слабого поля между При достаточно тонкой базе большая доля электронов, проникших в базу через первый Коэффициент усиления можно оценить следующим образом. Почти все напряжение в цепи эмиттера приходится на входное сопротивление поэтому ток через эмиттер можно записать как
Рис. 121. Схематическое изображение транзистора, в котором две Во столько же раз возрастает мощность выходного сигнала. Источником мощности, выделяющейся на выходном сопротивлении, является батарея, включенная в цепь коллектора. Транзистор с Интегральные схемы. В различных электронных приборах транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы соединяются в сложные электрические цепи. Развитие технологии в течение последних десятилетий позволило создать так называемые большие интегральные схемы, в которых транзисторы, диоды, сопротивления и емкости можно получить в одном монокристалле (пластинке кремния или германия), формируя микроскопически малые р- и n-области. Затем эти элементы связывают друг с другом, металлизируя соответствующие участки поверхности кристалла. Конденсаторы в таком кристалле делаются с помощью оксидных покрытий, наращиваемых на поверхности. Интегральная схема на одном монокристалле может выполнять функции целого прибора, например процессора в компьютере. Светодиоды. Полупроводниковые приборы, кроме электрических цепей, находят еще и целый ряд других применений. Важнейшими из них являются оптические применения: светоизлучающие диоды и лазеры на Оказывается, что Наиболее эффективная электролюминесценция может быть осуществлена в
Рис. 122. Схема энергетических зон в кристаллах АВ Эта энергия несколько больше ширины запрещенной зоны, а соответствующая частота у большинства используемых кристаллов приходится на видимую или ближнюю инфракрасную область спектра. Так, светодиоды на основе твердого раствора Выбор материалов типа соединений расположены в одной точке пространства импульсов при В элементарном акте поглощения фотона с образованием пары электрон—дырка и в обратном процессе рекомбинации электрона и дырки с испусканием фотона наряду с законом сохранения энергии должен выполняться закон сохранения импульса. Импульс фотона Полупроводниковые лазеры. Спонтанные переходы электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне в светодиодах сопровождаются некогерентным оптическим излучением, так же, как и спонтанные переходы изолированного атома из возбужденного состояния в основное. Для получения когерентного оптического излучения, т. е. для создания лазера, нужно обеспечить условия преобладания вынужденного излучения над спонтанным.
Рис. 123. Схема устройства полупроводникового лазера В полупроводниковом лазере, так же, как и в газовом, когерентное вынужденное излучение возникает при инверсии заселенностей энергетических уровней валентной зоны и зоны проводимости, как показано на рис. 122б. Такую инверсию заселенностей получают путем накачки электронов пропусканием тока через Фотодиоды. Полупроводниковые приборы, в которых используется обратный процесс преобразования энергии излучения в электрическую энергию, называются фотодиодами. Они находят широкое применение в солнечных батареях. Роль процессов рекомбинации. Приведенное выше описание принципа действия полупроводниковых приборов содержит ряд упрощений. Главное упрощение заключается в том, что не рассматривалась роль процессов рекомбинации электронов и дырок. Между тем именно рекомбинация определяет многие характерные черты электронных явлений в полупроводниках. В некоторых полупроводниковых цепях, например в Аналогичный рекомбинационный механизм «передачи эстафеты» от носителей одного типа к другим имеет место вблизи контакта подводящего металлического проводника с полупроводником Явное рассмотрение роли процессов рекомбинации позволяет объяснить основные особенности действия транзисторов. Для нормальной работы транзистора необходимо выполнение двух важных условий. Прежде всего база должна быть достаточно тонкой. Кроме того, концентрация примесей в эмиттере должна намного превосходить их концентрацию в базе. О толщине и легировании базы транзистора. Тонкая база желательна по нескольким причинам. Во-первых, для эффективной работы необходимо, чтобы в коллектор попали все те носители, которые покинули эмиттер. Но некоторые из носителей неизбежно будут диффундировать к электрическому контакту базы вместо того, чтобы, пересекая базу, доходить до коллектора. Доля электронов, нашедших дорогу к базовому контакту, зависит от геометрии базы и тем меньше, чем тоньше база. Этот ток, который на языке вакуумных ламп можно назвать сеточным током и который должен быть как можно меньше по сравнению с током в цепи эмиттера (катода), тем меньше, чем тоньше база. Во-вторых, с уменьшением толщины базы падает вероятность того, что эмитированный электрон рекомбинирует в базе, прежде чем продиффундирует к коллектору. Поскольку ток транзистора в базе создается неосновными носителями, их рекомбинация весьма вероятна и должна быть сведена к минимуму. В-третьих, характеристики транзистора ухудшаются при высоких частотах сигналов и предельная частота определяется в основном толщиной базы. Прибор может удовлетворительно работать только до тех пор, пока время диффузии носителей через базу меньше периода колебаний усиливаемого сигнала: если напряжение поменяет знак прежде, чем большинство эмитированных электронов пересечет базу, они уже не дадут вклада в ток цепи коллектора. Легко понять и причину того, почему степень легирования базы должна быть существенно ниже, чем у эмиттера. Во-первых, чем выше степень легирования базы Рекомбинация в лазере. Рекомбинация электронов и дырок играет большую роль и в работе полупроводникового лазера, где инверсная заселенность достигается пропусканием тока через • Что такое • Какие причины приводят к появлению электрического поля и потенциального барьера на границе • Что такое основные и неосновные носители? Почему неосновные носители заряда сосредоточены вблизи • Почему электрическое поле в • Как изменяется потенциальный барьер между • Чем объясняется асимметричный вид вольт-амперной характеристики • Нарисуйте схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей с использованием полупроводниковых диодов. • Как устроен транзистор • Рассмотрите работу в качестве усилителя транзистора • Как оценить коэффициент усиления транзистора? • Что такое интегральная микросхема? • Поясните, почему полупроводниковые кристаллы поглощают и излучают свет в видимой и ближней инфракрасной области спектра. • Какие особенности структуры энергетических зон кристаллов типа • Какую роль играет закон сохранения импульса в процессах взаимодействия света с электронами и дырками в полупроводниках? • Каким образом осуществляется инверсия заселенностей в полупроводниковых лазерах?
|
1 |
Оглавление
|