Проводники, изоляторы, полупроводники. Их зонные энергетические диаграммы
Собственная электропроводность полупроводников.
Электронная электропроводность полупроводников.
Дырочная электропроводность полупроводников.
Электронно-дырочный переход. Виды пробоя электронно-дырочного перехода.
Механизм туннельного пробоя электронно-дырочного перехода.
7. Прямое и обратное включение р-п-перехода.
Переход металл-полупроводник.
ВАХ р-n-перехода и перехода металл-полупроводник.
Ширина и емкость электронно-дырочного перехода.
11. Эквивалентная схема р-п-перехода.
Переходные процессы в p-n-переходе.
Основные виды диодов и технологии их производства.
Выпрямительные диоды.
Стабилитроны и стабисторы.
Высокочастотные и импульсные диоды.
Диоды с накоплением заряда.
Туннельные и обращенные диоды.
Диоды сверхвысокочастотные.
20. Устройство, конструктивно-технологические особенности, схемы включения биполярных транзисторов.
Режимы работы биполярных транзисторов, статические параметры, физические процессы.
Модель Эберса - Молла.
Статические характеристики в схеме с общим эмиттером.
Устройство и основные виды полевых транзисторов. Полевые транзисторы с управляющим переходом.
25. Устройство и основные виды полевых транзисторов. Полевые транзисторы с изолированным затвором.
ВОПРОС 16
высокочастотные диоды предназначены для детектирования колебаний высокой частоты и используются в радиоприемной, телевизионной и другой аппаратуре.
Они могут быть точечными, дифф-ными, сплавными или иметь мезаструктуру.
Рис 31 конструкция ВЧ диода. 1 – внешние выводы; 2 – кристалл; 3 – стеклянный корпус; 4 – вольфрамовый электрод
Рис 32 а) эквивалентная схема p-n перехода; б) ВАХ точечного германиевого диода
Эквивалентная схема кроме сопротивления перехода и емкости перехода содержит сопротивление растекания. Его величина определяется геометрическими размерами и конфигурацией точечного перехода. Если предположить, что контакт имеет полусферическую форму, то величина сопротивления растекания приближенно может быть определена: 
, где 
- удельное объемное сопротивление полупроводника; 
- радиус закругления контакта 
.
Барьерная емкость точечных диодов не превышает 1пФ, их рабочая частота достигает 150МГц.
Высокочастотные кремниевые диоды в конструктивном отношении не отличаются от германиевых. ВАХ кремниевых микросплавных диодов близки к теоретическим, если эксплуатация диодов соответствует паспортным режимам.
Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в устройствах импульсной техники. Особенностью их работы является значительное проявление эффектов накопления и рассеивания носителей при больших уровнях мощность переключающего сигнала.
Переходы импульсных диодов изготавливаются такими же методами, как и высокочастотные.
Рис 33 конструкция импульсных диодов. 1 – кристаллодержатель; 2 – стеклянный корпус; 3 – коваровая трубка; 4 – внешние выводы; 5 – контактная пружина; 6 – кристалл; 7 – припой.
Основные параметры высокочастотных и импульсных диодов
1) постоянное прямое напряжение при заданном прямом токе
2) максимальная величина обратного тока при максимальной величине обратного напряжения
3) емкость диода при заданной величине обратного напряжения
4) время восстановления обратного сопротивления
5) постоянное и импульсное обратные напряжения
6) средний выпрямленный ток
7) импульсный прямой ток
8) частота без снижения параметров, соответствующих паспортному режиму
9) диапазоны рабочих температур.
ВОПРОС 22
Связи между токами и напряжениями в транзисторе для 4-х режимов включения хорошо согласуются с удобной и понятной математической моделью Эберса-Молла, основанной на эквивалентной схеме, состоящей
Из двух диодов (эмиттерного и коллекторного), включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов
Рис 45 эквивалентная нелинейная модель Эберса-Молла для БТ
где Iэбк и Iкбк - обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые при коротком замыкании соответствующей остающейся части схемы.
С учетом (39) и (40) соотношение (38) преобразуется следующим образом:
В вычислительных методах анализа транзисторных схем с помощью ЭВМ широкое распространение получила нелинейная модель транзистора Гуммеля-Пуна,которая основывается на решении инт-ных соотношений для зарядов и связывает внешние электрические характеристики с зарядом в базе транзисторной структуры. Это очень точная модель, объясняющая многие физические эффекты, но для ее описания требуется большое число параметров, так для анализа в широком частотном диапазоне необходимо 25 параметров.
Последовательное упрощение модели Гуммеля-Пуна в конце концов приводит к модели Эберса-Молла.
ВОПРОС 17
Существенное значение при использовании диодов в импульсном режиме в быстродействующих схемах имеет время восстановления обратного сопротивления. Изготовление p-n переходов методом диффузии примеси значительно улучшает tвосст. В этом случае распределение концентрации примесей полупроводников будет неравномерно (рис 34а). полупроводниковые диоды, построенные по заданному принципу, называются диодами с накоплением заряда (ДНЗ).
Наличие градиентов концентрации носителей близи границы p-n переходов вызывает встречное диффузионное и дрейфовое движение потоков носителей в пограничных с p-n переходом областях полупроводниковой структуры. В результате чего возникает состояние равновесия с определенной напряженностью электрического поля
Прямое напряжение, поданное на диод, создает инжекцию дырок из р-области в n-базу диода. Однако, из-за наличия внутреннего тормозящего поля в базе, дырки не проникают вглубь области базы, а оказываются «прижатыми» непосредственно к границе перехода встроенным электрическим полем с напряженностью Е (18). При обратном напряжении «прижатые » встроенным полем к границе перехода накопленные дырки намного быстрее экстрагируются p-n переходом, чем при отсутствии внутреннего поля, и создают большой обратный ток, величина которого характеризуется сопротивлением нагрузки. При этом время восстановления уменьшается в 30-50 раз. Время жизни неравновесных носителей в базе делается достаточно большим, чтобы удержать заряд, накопленный за время действия импульса прямой полярности. Это явление позволяет формировать импульсы с очень короткими задними фронтами.
Рис 34 а) распределение примесей в базе; б) переходный процесс при прохождении импульсного синапса в ДНЗ
К импульсным ДНЗ применяют такие же требования как и к обычным – минимальная величина сопротивления и базы и малая емкость p-n перехода.
Эффектом резкого восстановления обратного сопротивлении обладают в той или степени все полупроводниковые диоды, у которых переход получен методом диффузии примеси. Например диоды В312, 1А401А и ряд других.
Еще большим быстродействием по сравнению с ДНЗ обладают диоды Шотки.
Диоды Шотки
Диоды Шотки – это полупроводниковые приборы, построенные на основе структуры металл-полупроводник. Такой электрический переход обладает рядом особенных свойств (отличных от свойств полупроводникового p-n перехода). К ним относятся:
1) понижение падения напряжения при прямом включении
2) высокий ток утечки
3) очень маленький заряд обратного восстановления
последнее объясняется тем, что по сравнению с обычным p-n переходом, у таких диодов отсутствует диффузия, связанная с инжекцией неосновных носителей. То есть они работают только на основных носителях, а их быстродействие определяется только барьерной емкостью. В диодах Шотки предельная частота значительно выше обычных диодов. Изготавливают диоды Шотки обычно на основе кремния или арсенида галлия, реже на основе германия.
ВОПРОС 18
Туннельным диодомназывают полупроводниковый диод, изготовленный на основе сильнолегированного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка с отрицательным дифф-ным сопротивлением.
Использование полупроводников с очень высокой концентрацией примесей уменьшает ширину p-n перехода приблизительно на 2 порядка по сравнению с обычными диодами. Поэтому электроны, имеющие энергии, меньшие, чем высота энергетического барьера, тунеллируют сквозь этот тонкий барьер без изменения своей энергии.
Для существования туннельных переходов необходимо выполнение следующих условий:
1) наличие тонкого барьера, при котором квадрат амплитуды волновой функции электрона (вероятность тунеллирования) = 1
2) напряженность электрического поля должна достигать 3..5 кВ/см
3) для электрона, находящегося по одну сторону барьера, должен существовать вакантный уровень по другую сторону барьера с энергией этого электрона.
Рис 35 эквивалентная схема туннельного диода
Кроме емкости перехода и его сопротивления схема содержит сопротивление потерь (rs) и индуктивность выводов (Ls). Индуктивность является паразитным элементом схемы и ограничивает верхний частотный диапазон также как и емкость перехода. Обычно индуктивность составляет величину порядка 
, а емкость С=5…50пФ. Величина сопротивления потерь от десятых долей Ома до единиц Ома.
Туннельный механизм прохождения тока через переход обладает очень малой инерционностью, поскольку создание тока в нем не связано с накоплением неравновесного заряда, ток создается только основными носителями. Предельная резистивная частота может быть найдена:
резонансная частота: 
Разработка конструкции туннельных диодов требует выполнения условия: 
.
Для этого индуктивность выводов должна быть по возможности минимальной.
Рис 36 корпус туннельного диода
выводы с целью уменьшения индуктивности ленточные и короткие. В диапазон СВЧ используют патронную конструкцию.
Достоинством туннельных диодов является высокие рабочие частоты (вплоть до СВЧ), низкий уровень шумов, высокая радиационная стойкость, температурная устойчивость, большая плотность тока.
К недостаткам следует отнести: малую отдаваемою мощность из-за низких рабочих напряжений и сильную электрическую связь между входом и выходом, что во многих случаях затрудняет использование диодов.
ВАХ туннельного диода
Параметрами туннельных диодов являются:
1) пиковый ток Iп (от десятых долей мА до сотен мА)
2) ток впадины Iв
3) отношение токов 
4) напряжение пика Uп, соответствующее току Iп
5) напряжение впадины – прямое напряжение, соответствующее току впадины
6) напряжение раствора – это напряжение, соответствующее пиковому току на второй восходящей ветви ВАХ (Uрр)
7) предельная резистивная частота 
8) частотная емкость туннельного диода 
9) резонансная частота туннельного диода.
Обращенные диоды
Полупроводниковый диод, изготовленный из материала с концентрацией примесей в p и n областях меньшей чем, в туннельных диодах, но большей, чем в обычных, имеют своеобразную ВАХ, обращенную по сравнению с ВАХ обычных диодов. Такой диод является разновидностью туннельных и называется обращенным
Рис 37 ВАХ обращенного диода
Обращенные диоды целесообразно использовать при выпрямлении малых переменных сигналов, составляющих несколько десятых долей вольта.
Поскольку принцип действия обращенных диодов основан на туннельном эффекте, их можно использовать в быстродействующих переключающих схемах или в схемах детекторов СВЧ
ВОПРОС 19
в диапазоне СВЧ (то есть частота >300 МГц) очень важное значение при создании диодов приобретают реактивные параметры. Корпус диода должен проектироваться таким образом, чтобы он имел минимальные величины собственной емкости и индуктивности, обеспечивал надежное крепление в СВЧ устройствах и давал возможность оптимального согласования с нагрузкой.
В настоящее время p-n переходы для диодов СВЧ получают по планарной технологии, используя диффузионные методы, а также применяют переходы с мезаструктурой. По своему назначению диоды СВЧ подразделяются на детекторные, переключательные, преобразовательные, параметрические и генераторные.
Рис 39 эквивалентная схема СВЧ диода
Детекторные диоды предназначены для детектирования сигналов СВЧ. Под детектированиемпонимают процесс выделения из модулированного напряжения сигнала более низкой частоты, по закону которого была осуществлена амплитудная модуляция высокочастотного сигнала. Главным параметром, определяющим характеристику детектора, является крутизна ВАХ в окрестности рабочей точки. Выходное напряжение детектора должно быть прямо пропорционально мощности сигнала СВЧ (квадрату входного напряжения).
К ВАХ детекторных диодов предъявляются специальные требования: прямая ветвь должна быть квадратична 
, что дает возможность по величине измеряемого тока определять СВЧ мощность, подаваемую на диод
Переключательные диоды
для переключения мощности, проходящей по СВЧ тракту, используются переключательные диоды. Они делятся на нерезонансные и резонансные. Переключение достигается за счет изменения сопротивления диода при подаче на него прямого и обратного напряжения.
В нерезонансных переключательных устройствах используется тот факт, что при подаче прямого смещения диод обладает малой величиной активного дифф-ного сопротивления, а при обратном смещении значительно большей. Основным требованием, предъявляемым к конструкции такого диода, является минимальная индуктивность вывода. А также емкость диода и патрона. В результате специально принятых мер переключающее устройство будет обладать практически активными сопротивлением в рабочем диапазоне частот.
В резонансных переключателях используется явление резонанса в параллельном и последовательном контурах, образованных емкостью p-n перехода, емкостью корпуса и индуктивностью выводов.
Преобразовательные диоды
Ряд функций могут выполнять преобразовательные диоды. Они могут быть смесительными, умножительными, модуляторными. Для всех этих целей используется нелинейность ВАХ диодов. Смесительные диоды при подаче двух сигналов различных частот позволяют получить разностную (промежуточную частоту). Они характеризуются такими параметрами, как: потери преобразования, коэффициент шума, выпрямленный ток. Потери преобразования определяются следующим образом:
; где 
- мощность СВЧ сигнала, подводимого к смесителю; 
- мощность сигнала промежуточной частоты.
Величина выпрямленного тока измеряется при подаче на диод заданного уровня мощности СВЧ сигнала.
Умножительные диоды.
Они предназначены для получения n-ной гармоники основного сигнала. Они характеризуются мощностью какой-либо гармоники при заданном значении мощности основной гармоники.
Модуляторные диоды позволяют получить модулированные колебания. Основной параметр – потери преобразований – определяются соотношением:
; Где 
- мощность модулированных колебаний; 
- выходная мощность.
Конструкция СВЧ диодов.
Основные типа конструкции СВЧ диодов – патронная и коаксиальная
Рис 40 патронная конструкция СВЧ диода. 1- фланец; 2 – настроечный фланец; 3 – керамическая втулка; 4 – контактная пружина; 5 – кристалл; 6 – нижний фланец
Патронная конструкции диода удобна для установки волноводной секции. А коаксиальная – в коаксиальных волноводах. С целью уменьшения влияния паразитных параметров, а также для обеспечения возможности использования диодов в микрополосковых и других малогабаритных устройствах, разработаны корпуса диодов, имеющие значительно меньшие размеры
ВОПРОС 20
Биполярные транзистор – это трех-электродный полупроводниковый прибор с двумя и более взаимодействующими электронно-дырочными переходами. В транзисторе чередуется по типу электропроводности три области полупроводника: коллектор, база, эмиттер.
Рис 41 планарная n-p-n структура БТ. 1 – коллекторный переход; 2 – эмиттерный переход.
На границе эмиттерной области с базовой, а также на границе базовой области с коллекторной образуются два электронно-дырочных перехода (эмиттерный и коллекторный). Переходы оказываются взаимодействующими, если расстояние между ними, называемое шириной базы, гораздо меньше дифф-ной длины подвижных носителей заряда.
Дифф-ная длина Lpn –это расстояние, которое проходит электрон и дырка от момента появления в проводнике до момента рекомбинации.
Площадь коллекторного перехода всегда больше площади эмиттерного перехода. Область эмиттера должна обладать более высокой электропроводностью, чем база и коллектор.
В зависимости от порядка чередования областей по типу проводимости различают структуры p-n-p и n-p-n
рис 42 плоская одномерная модель и условные обозначения БТ
как элемент электрической цепи транзистор используют таким образом, что один из его электродов является входным, другой выходным; третий электрод является общим относительно входа и выхода. В зависимости от того какой электрод является общим, различают 3 схемы включения: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК).
рис 43 схемы включения БТ
ВОПРОС 21 часть 1
При работе транзистора к его электродам прикладывается напряжение от внешних источников питания. В зависимости от полярности напряжений, прикладываемых к электродам, каждый из p-n переходов транзистора может быть включен в прямом или обратном направлении, то есть возможны 4 режима работы транзистора
| Название перехода | Включение транзистора | Название режима работа транзистора |
| ЭП КП | Обратное обратное | Режим отсечки |
| ЭП КП | Прямое Прямое | Режим насыщения |
| ЭП КП | Прямое обратное | Активный режим |
| ЭП КП | Обратное прямое | Инверсный режим |
Режим отсечки.в режиме отсечки оба перехода включены в обратном переходе (высокоомное состояние эмиттер-коллектор). В электродах транзистора протекают тепловые токи обратно включенных переходов, которые и являются статическими параметрами режима отсечки. в каждой из трех схем включения транзистора эти параметры имеют определенные величины. Их обозначения имеют вид:
1) для схемы с ОБ: 
2) для схемы с ОЭ: 
3) для схемы с ОК: 
первый индекс в обозначении указывает электрод, в котором протекает ток; второй индекс – схему включения; третий индекс – условие в оставшейся части схемы («о» - отсутствие тока в др. электроде, то есть холостой ход; «к» - короткое замыкание в оставшейся части схемы).
Режим насыщения.В режиме насыщения оба p-n перехода включаются в прямом направлении. Переходы насыщены подвижными носителями заряда, их сопротивления малы. Участок эмиттер-коллектор имеет высокую проводимость и может считаться короткозамкнутым. Статическими параметрами являются токи насыщения в токах транзистора 
и остаточные напряжения 
.
Отношение напряжений и токов соответствующих электродов дают величины сопротивлений насыщения
; 
ВОПРОС 23
Статические характерстики транзисторов показывают функциональные связи между постоянными токами и напряжениями электродов транзистора. Для каждой схемы включения в активном режиме существует своя совокупность семейств характеристик, описывающих связь токов и напряжений в транзисторе. 4 вида характеристик описывают свойства любого 3-электродного прибора:
1) входные характеристики: 
; Iвых = const или Uвых = const.
2) выходные характеристики: 
; Iвх = const или Uвх = const
3) характеристики управления (хар-ки прямой передачи): 
; Uвых = const
4) характеристики обратной связи (действия): 
; Iвх = const
Существуют характеристики в схеме с общей базой и характеристики в схеме с общим эмиттером.