Теги для нашей библиотеки:

Рефераты бесплатно, реферат бесплатно, курсовые работы, реферат, доклады, рефераты, рефераты скачать, рефераты на тему, сочинения, курсовые, дипломы, научные работы и многое другое.


  Электронные цепи и приборы (шпаргалка)

Электронные цепи и приборы (шпаргалка)

1. Зонная модель полупроводника.

К полупроводникам (ПП) относятся вещества, занимающие по величине удельной

электрической проводимости промежуточное положение между металлами и

диэлектриками. Их удельная электрич. проводимость лежит в пределах от 10-8

до 105 см/м и в отличие от металлов она возрастает с ростом темпер-ры.

ПП представляют собой достаточно многочисленную группу веществ. К ним

относятся химич. элементы: германий (Ge), кремний (Si), бор, углерод,

фосфор, сера, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, некоторые химич.

соед-ния и многие органич. вещества.

В электронике находят применение ограниченное кол-во полупроводниковых

материалов. Это, прежде всего Si, Ge, и арсенид галлия.

Применяемые в электронике ПП имеют весьма совершенную кристаллическую

структуру. Их атомы размещены в пространстве в строго периодической

последовательности на постоянных расстояниях друг от друга, образуя

кристалл-ую решетку. Решетка наиболее распространенных в электронике

полупроводников – Ge и Si – имеет структуру алмазного типа. В такой реш.

каждый атом вещества окружен четырьмя такими же атомами, находящимися в

вершинах правильного тетраэдра.

Каждый атом, находящийся в кристаллической решетке, электрически нейтрален.

Силы, удерживающие атомы в узлах решетки, имеют квантово-механический

характер; они возникают за счет обмена взаимодействующих атомов валентными

электронами. Подобная связь атомов носит название ковалентной связи, для ее

создания необходима пара электронов.

В Ge и Si, являющихся 4х-валентными элементами, на наружной оболочке

имеется по четыре ковалентные связи с четырьмя ближайшими, окружающими его

атомами.

[pic] [pic]

рис. 1. рис. 2.

На рис. 1 показ. условн. изображ. кристалич. решетки Si на плоскости:

1 – атом кремния, 2 – ковалентная связь, образованная одним электроном.

На рис. 2 показ. образование свободного электрона под действием тепловой

энергии:

1 – нарушенная ковалентн. связь, 2 – свободный электрон, 3 – незаполненная

связь (дырка).

[pic] рис. 3.

EV – энергетич. уровень (max энергия связанного электрона), Ed – энергия

донора, Ec – зона проводимости (min энергия свободного электрона), Eg –

ширина запрещенной зоны.

EF – уровень Ферми, вероятность заполнения кот. равна Ѕ.

2. Электропроводность полупроводников.

К полупроводникам (ПП) относятся вещества, занимающие по величие удельной

электрической проводимости (ЭП) промежуточное положение между проводниками

(металлы) и диэлектриками. Значения удельной ЭП этих трех классов веществ

приведены в табл.

[pic]

Основным признаком, выделяющим ПП как особый класс веществ, явл. сильное

влияние температуры и концентрации примесей на их ЭП. Так, например, даже

при сравнительно небольш. повыш. темп-ры проводимость ПП резко возрастает

(до 5 – 6% на 1єС).

У большинства ПП сильное изменение ЭП возникает под действием света,

ионизирующих излучений и др. энергетич. воздействий. Т.о ПП – это вещество,

удельная проводимость кот. существенно зависит от внешн. факторов.

Электропроводность ПП определяется направленным движением электронов под

действием внешнего электрического поля.

В ПП валентная зона и зона проводимости разделены не широкой запрещенной

зоной. Под действием внешнего эл. поля возможен переход электронов из

валентной зоны в зону проводимости. При этом в валентной зоне возникают

свободные энергетические уровни, а в зоне проводимости появляются свободные

электроны, называемые электронами проводимости. Этот процесс наз.

генерацией пар носителей, а не занятое электроном энергетич. состояние в

валентной зоне – дырка.

Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда электрон-

дырка, называют собственной электропроводностью. Возвращение возбужденных

электронов из зоны проводимости в валентную зону, в рез. которого пара

носителей заряда электрон-дырка исчезает, называют рекомбинацией.

Дрейфовый ток. Электроны и дырки в кристалле нах-ся в сост. хаотического

теплового движ-ия. При возникновении эл. поля на хаотич. движение

накладывается компонента направленного движ., обусловленного действием

этого поля. В рез. электроны и дырки начин. перемещ-ся вдоль кристалла –

возникает эл. ток, кот. называется дрейфовым током.

Диффузионный ток обусловлен перемещением носителей заряда из области

высокой концентрации в область более низкой концентр.

Одним из главных принципов, лежащих в основе многих физических процессов,

явл. принцип электрической нейтральности полупроводника, заключающийся в

том, что в сост. равновесия суммарный заряд в ПП равен нулю. Он выражается

уравнением электронейтральности:

[pic].

3. p-n переход в условиях термодинамического равновесия.

Основная часть полупроводниковых приборов – это p-n переход. p-n переход –

это граница раздела между двумя ПП с разным типом электропроводности – p и

n.

[pic]

Мы знаем, в р-области дырок много, а в п-области их мало, и соответственно

в п-области электронов много, а в р-области их мало. В результате такой

разности концентрации возникает процесс диффузии. В результате чего

возникают диффузионные токи дырок и электронов. Эти токи явл. токами

основных носителей зарядов. Дырки из р-области переходят в п-область и

рекомбинируют с электронами. Также электроны переходят из п-области в р-

область и рекомбинируют с дырками. В рез. в р-п переходе образуется слой

без подвижных носителей заряда, имеющий большое R, и кот. называется

запирающим слоем. В этом слое имеются только отриц. заряды ионов, кот.

создают отрицательный заряд –q, и положительный заряд ионов +q. Эти заряды

создают эл. поле Eвн, направленное от + к – с отриц. потенциалом в р-

области и положит. потенциалом в п-области. Эта разность потенциалов наз.

контактной разностью потенциалов.

Эти заряды +q и –q препятствуют дальнейшему прохождению основных носителей

ч/з р-п переход. Дырки отталкиваются от +q, а электроны отталкиваются от

–q. Т.е. процесс диффузии приостанавливается и Iдиф дальше не растет.

Поэтому мы говорим, что в р-п переходе возникает потенциальный барьер для

основных носителей. В то же время эти объемные заряды +q и –q своим эл.

полем Е действуют ускоряюще на неосновные носители зарядов (электроны из р-

области притягиваются к +q, а дырки из п-области к –q). В результате

неосновные носители под действием эл. поля Е легко перейдут ч/з р-п переход

и создадут дрейфовые токи. Дрейфовые токи – это токи неосновных носителей.

В какой-то момент времени дрейфовый и дифф. ток ч/з р-п переход становятся

равными и противоположными, тогда Iобщ=Iдр+Iдиф=0.

[pic]

Энергетическая диаграмма р-п перехода в состоянии термодинамического

равновесия.

4. Переход металл-полупроводник.

Уровни энергии валентных электронов образуют валентную зону (ВЗ), а

следующий уровень энергии, находящийся выше ВЗ образ. зону проводимости

(ЗП). ЗП и ВЗ разделены запрещенной зоной (ЗЗ), ширина кот. различна у

разных материалов.

[pic]

У проводников-металлов – ВЗ заполнена частично, электроны занимают нижнюю

часть зоны, а верхние уровни ВЗ не заполнены. Под действием слабого внешн.

электр. поля валентные электроны приобрет. доп. энергию – кинетическую,

заполняя в ВЗ занятые более высокие уровни энергии. Это означает, что

электроны под действ. электр. поля приобрет. скорость и участвуют в

перенесении электр. заряда, т.е. протекает электрический ток. Возможна и

другая зонная структура проводника, при кот. ВЗ целиком заполнена

валентными электронами, но ВЗ и ЗП перекрываются, т.е. ЗЗ отсутствует. В

этом случае электроны под действием электр. поля могут приобретать

дополнительную кинетич. энергию, занимая свободные уровни энергии в ЗП.

Валентные электроны в металле принадлежат одновременно всем атомам

кристалла и явл. свободными носителями заряда.

Если ВЗ заполнена целиком и ширина ЗЗ не равна 0, то валент. электроны не

могут приобретать дополнит. кинетич. энергию и не явл. свободными. Если же

вал. электрону собщить энергию, способную преодолеть ЗЗ, то он переходит из

ВЗ на один из незанятых уровней ЗП и станов. свобод. носителем заряда.

Одновременно в ВЗ появляется один свобод. уровень, соответствующий дырке,

что позволяет электронам ВЗ перемещаться. Переход электрона из ВЗ в ЗП

может произойти под действием тепловой энергии или какого либо другого

источника энергии.

Если ширина ЗЗ относительно велика то тепловой энергии электронов

недостаточно, чтобы перейти им из ВЗ в ЗП. Свободных носителей заряда в

таких материалах нет и их относят к диэлектрикам.

5. p-n переход при прямом смещении.

Электронно-дырочным p-n наз. такой переход, кот. образован двумя областями

ПП с разными типами проводимости: электронный и дырочный. Включение при

кот. к p-n переходу прикладывается внешн. напряж. Uпр в противофазе с

контактной разностью потенц. наз. прямым (см. рис. 1.). Как видно из

потенциальной диаграммы (рис. 2) высота потенциального барьера уменьшается:

Uб=Uк-Uпр

Ширина p-n перехода также уменьшается h’h).

Потенциальный барьер возрастает и становится равным Uб=Uк+Uобр. Число

основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля,

уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузионного тока, кот. может быть

определен по формуле:

Iдиф=Iобр ехр·(-qeUобр / кТ).

При обр. включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет

небольшую величину, т.к. создается движение неосновных носителей. Этот ток

наз. обратным и определяется по формуле: Iобр=Iдр – Iдиф.

Пробоем наз. резкое увелич. I ч/з переход в области обратных напряж.

превышающих U, называемое Uпроб. Существуют 3 основных вида пробоя:

туннельный, лавинный и тепловой.

[pic]

рис. 2.

7. Полупроводниковый диод.

Полупроводниковый диод (ПД) представляет собой 2х-электродный прибор,

действие кот. основано на использовании эл-ских свойств p-n перехода или

контакта металл-полупроводник. К этим св-вам относятся: односторонняя

проводимость, нелинейность ВАХ, наличие участка ВАХ, обладающего

отрицательным сопротивлением, резкое возрастание обратного тока при эл-ком

пробое, существование емкости p-n перехода. В завис. от того, какое из

свойств p-n перехода используется, ПД могут быть применены для целей

выпрямления, детектирования, преобразования, усиления и генерирования эл.

колебаний, а также для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и в

качестве переменных реактивных элементов.

В большинстве случаев ПД отличается от симметричного p-n перехода тем, что

p- область диода имеет значительно большее количество примесей, чем n-

область (несимметричный p-n переход), т.е. в этом случае n- область носит

название базы диода. При подаче на такой переход обратного напряжения ток

насыщения будет состоять почти только из потока дырок из базы в p- область

и будет иметь меньшую величину, чем для симметричного перехода. При подаче

прямого напряжения прямой ток тоже почти полностью будет состоять из потока

дырок из p-области в базу, и уже при небольших прямых напряжениях будет

возрастать экспоненциально. Уравнение ВАХ p-n перехода имеет вид:

[pic].

Применение ПД для тех или иных целей определяет требования, предъявляемые к

его хар-кам, к величинам преобразуемых мощностей, токов и напряжений. Эти

требования могут быть удовлетворены с помощью соответствующего выбора

материала, из кот. изготовляется диод, технологией изготовления p-n

перехода и конструкцией диода.

В соответствии с этим ПД разделяются на ряд основных типовых групп.

Существующая классификация подразделяет ПД следующим образом:

а) по назначению (выпрямительные, детекторные, преобразовательные,

стабилитроны, варикапы и др.);

б) по частотным свойствам (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ);

в) по типу перехода (плоскостные, точечные);

г) по исходному материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и

т.д.);

Кроме того, существует разделение ПД внутри одной группы в соответствии с

электрическими параметрами.

Кроме специфических параметров, характеризующих данную типовую группу,

существуют параметры общие для всех ПД независимо от их специального

назначения. К ним относятся: рабочий интервал температур, допустимое

обратное напряжение, допустимый выпрямленный ток, допустимая мощность

рассеивания.

8. Выпрямительные диоды.

Выпр. диод (ВД) применяются для преобразования переменного I НЧ (до 50 кГц)

в I одного направления (выпрямление переменного I). Обычно рабочие частоты

ВД малой и средней мощности (P) не превышают 20 кГц, а диодов большой

мощности – 50 Гц.

Возможность применения p-n перехода для целей выпрямления обусловлено его

свойством проводить I в одном направлении (I насыщения очень мал).

В связи с применением ВД к их характеристикам и параметрам предъявляются

следующие требования:

а) малый обратный ток I0;

б) большое обратное напряжение;

в) большой прямой ток;

г) малое падение напряжения при протекании прямого тока.

Для того чтобы обеспечить эти требования, ВД выполняются из

полупроводниковых материалов с большой шириной запрещенной зоны (ЗЗ), что

уменьшает обр. I, и большим удельным R, что увеличивает допустимое обр. U.

Для получения в прямом направлении больших I и малых падений U следует

увеличивать площадь p-n перехода и уменьшать толщину базы.

ВД изгот-ся из германия (Ge) и кремния (Si) с большим удельным R, причем Si

является наиболее перспективным материалом.

Si диоды, в результате того, что Si имеет большую ширину ЗЗ, имеют во много

раз меньшие обратные I, но большее прямое падение U, т.е. при равной P

отдаваемой в нагрузку, потеря энергии у Si диодов будет больше. Si диоды

имеют большие обратные U и большие плотности U в прямом направлении.

Зависимость ВАХ кремниевого диода от температуры (t) показана на рисунке.

[pic]

Из рис. следует, что ход прямой ветви ВАХ при изменении (t) изменяется

незначительно. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей

заряда при изменении температуры (t) практически почти не изменяется, т.к.

примесные атомы ионизированы уже при комнатной t.

Количество неосновных носителей заряда определяется t и поэтому ход

обратной ветви ВАХ сильно зависит от t, причем эта зависимость резко

выражена для Ge диодов. Величина U пробоя тоже зависит от t. Эта

зависимость определяется видом пробоя p-n перехода. При электрическом

пробое за счет ударной ионизации возрастает при повышении t. Это

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5


Рекомендуем

Опрос

Какой формат работ для вас удобней?

doc
pdf
djvu
fb2
chm
txt
другой


Результаты опроса
Все опросы