Электропроводность полупроводников
Билет № 10
Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей р- и n- типов проводимости
Виды тиристоров:
Динисторы – это диодные тиристоры, или неуправляемые переключательные диоды
Тринисторы– это управляемые переключательные диоды
Симисторы – это симметричные тиристоры, т.е. тиристоры с симметричной ВАХ (вольт-ампер характириски)
Основные параметры тиристоров:
Напряжение вкл. – это напряжение, при котором ток через динистор начинает сильно возрастать.
Ток вкл. – это ток, соответствующий напряжению вкл.
Ток выкл. – это минимальный ток через тиристор, при котором он остается еще во вкл. состоянии.
Остаточное напряжение – это минимальное напряжение на тиристоре во вкл. состоянии.
Ток утечки – это ток через тиристор в выкл. Состоянии при заданном напряжении на аноде
Макс. допустимое обратное напряжение
Макс. допустимое прямое напряжение
Время вкл – это время, за которое напряжение на тиристоре уменьшится до 0,1 напряжения включения.
Время выкл. – это время, за которое тиристор переходит из вкл. в выкл. состояние
____________________________________________________________________________________________________________________
Билет № 9
Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, в котором ток создается только основными носителями зарядом под действием продольного эл. поля, а управляющее этим током осущ. поперечным эл. полем, которое создается напряжением, приложенным к управляющему электроду.
Исток – это вывод полевого транзистора, от которого истекают основные носители зарядов.
Сток - это вывод полевого транзистора, к которому стекают основные носители зарядов.
Затвор – это вывод полевого транзистора, к которому прикладывается управляющее напряжение, создающее поперечное эл. поле.
Канал полевого транзистора – это участок полупроводника, по которому движутся основные носители зарядов, между р-n переходом
Характеристики и параметры полевых транзисторов:
Стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока от напряжения на затворе для транзисторов с канала N-типа.
Стоковая характеристика – это зависимость Ic от Uси при постоянном напряжении на затворе
____________________________________________________________________________________________________________________
Билет №8
Биполярный транзистор – это трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы. В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки. Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.
Транзистор — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Класс транзисторов:
По материалу полупроводника – обычно германий и кремний
По типу проводимости – прямая (p-n-p), обратная (n-p-n).
По мощности малые (<0.3Вт) , средние (0.3-3), мощные (не меньше 3 Вт)
Входные характеристики - это зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении
Выходная характеристика - это зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входе тока
_____________________________________________________________________________________________________________________
Билет №7
Кремниевый стабилитрон – это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения. Стабилизация – это поддержание какого-то уровня неизменным. ПО конструкции стабилитроны всегда плоскостные и кремневые. Принцип действия стабилитрона основан на том , что на его ВАХ имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.
Основные параметры стаблитронов:
Напряжение стабилизации Uст.
Минимальное, максимальное и номинальное значение тока стабилизации.
______________________________________________________________________________________________________________________
Билет №6
Полупроводниковые диоды – это устройство, состоящие из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода
По конструкции: плоскостные точечные и микросплавные диоды.
По мощности: маломощные, средней мощности, мощные
По частоте: низко и высокочастотные, и СВЧ
По функциональному назначению: выпрямительные диоды, импульсивные диоды, стабилитроны, варикапы, светодиоды, тоннельные диоды и т. д.
Билет №5
Электрический пробой – это обратимый пробой, т.е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает св-ва односторонней проводимости. Если обратное напряжение не уменьшить, полупроводник сильно нагреется и сгорает, назв. Тепловой пробой (необратимый).
Свойства контакта металла с полупроводником зависят от работы выхода электронов из металла (W0м) и из полупроводника (W0n, W0p). Электроны переходят из материала с меньшей работой выхода в материал с большей работой выхода. При контакте металла с электронным полупроводником при выполнении условия W0n<W0м электроны переходят из полупроводника в металл. Если осуществлен контакт металла с дырочным полупроводником и выполняется условие W0м<W0p , будет происходить переход электронов в полупроводник. И в том, и в другом случае произойдет обеднение свободными носителями заряда приконтактной области полупроводника.
Обедненный слой обладает повышенным сопротивлением, которое может изменяться под воздействием внешнего напряжения. Следовательно, такой контакт имеет нелинейную характеристику и является выпрямляющим. Перенос зарядов в этих контактах осуществляется основными носителями, и в них отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания зарядов. Таким образом, выпрямляющие контакты металл-полупроводник малоинерционны. Они служат основой создания диодов с барьером Шоттки, обладающих высоким быстродействием и малым временем переключения.
Если при контакте металла с полупроводником выполняется условие W0м<W0n или W0м>W0p , то приконтактный слой полупроводника обогащается основными носителями заряда и его сопротивление становится низким при любой полярности внешнего напряжения. Такой контакт имеет практически линейную характеристику и является невыпрямляющим.
Электрический пробой — лавинный пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом создаются свободные носители заряда (увеличивается концентрация электронов), которые вносят основной вклад в общий ток. Генерация носителей происходит лавинообразно. Различают поверхностный пробой и объёмный пробой диэлектриков. У полупроводников существует разновидность поверхностного пробоя, так называемый шнуровой эффект.
К примеру, пробой изолятора на линии высокого напряжения является серьёзной аварийной ситуацией, а отсутствие пробоя бензовоздушной смеси на свече в двигателе внутреннего сгорания не позволяет запустить двигатель.
_____________________________________________________________________________________________________________________
Билет №4
Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.
Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов
(рис. 1.2, а). В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются переходы типа р+- n- или р- п+ переходы. Индекс «+» подчеркивает большую электропроводность данной области монокристалла.
Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n-переход перемещаются во встречном направлении, то они компенсируют друг друга. Поэтому в равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна
Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной jк+ u (рис. 1.5), поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода, построенная на основании выражений (1.10) и (1.11), имеет вид, показанный на рис. 1.8. Область ВАХ, лежащая в первом квадранте, соответствует прямому включению p-n-перехода, а лежащая в третьем квадранте – обратному. Как отмечалось выше, при достаточно большом обратном напряжении возникает пробой перехода. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением.
Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода rдиф= du/di (u и i – напряжение на переходе и ток перехода соответственно). После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). На ВАХ перехода (рис. 1.9) пробою соответствует область резкого изгиба характеристики вниз в третьем квадранте.
Различают три вида пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.
Туннельный пробой происходит, когда геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.
Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление). Характерно, что при этом пробое напряжение на переходе мало зависит от тока через него (крутопадающий участок в третьем квадранте ВАХ, см. рис. 1.9).
При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).
_____________________________________________________________________________________________________________________
Билет № 3
Электропроводность полупроводников
При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б - черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б - разорвавшаяся линия электрона). Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному заряду электрона.
_____________________________________________________________________________________________________________________
Билет №2
Полупроводники — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры.
Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры.
В зависимости от того, отдаёт ли примесной атом электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.
Проводимость полупроводников сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства диэлектриков.
Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76×1019 Дж против 11,2×1019 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4×1019 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Билет №1
Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электрификации. Как известно, под электрификацией понимается широкое внедрение электрической энергии в родное хозяйство и быт, и сегодня нет такой области техники, в том или ином виде не использовалась бы электрическая энергия в будущем ее применение будет еще более расширяться.
Под электротехникой в широком смысле слова подразумевается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.
Это общее определение электротехники можно раскрыть более подробно, выделив те основные области, в которых используют электрические и магнитные явления: преобразование энергии природы (энергетическая); превращение вещества природы (технологическая); получение и передача сигналов или информации (информационная). Поэтому более полно электротехнику моя определить, как область науки и техники, использующую электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а также для передачи сигналов и информации.
В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя ее направлениями: информационное, энергетическое и технологическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение в ускорении научно-технического прогресса.
В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть этапов.
1. Становление электростатики (до 1800 г.)
К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, установление закона Кулона, зарождение электромедицины.
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ {1800 — 1830 гг.)
Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба» — первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического тока, законов Ампера, Био - Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление связей между электрическими и магнитными явлениями.
3. Зарождение электротехники (1830—1870 гг.)
Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора. Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия экономичного электрического генератора.
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасти техники (1870—1890 гг.)
Создание первого измышленного электромашинного генератора с самовозбуждением (динамомашины) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники.
электрической энергии посредством индукционных катушек, представлявших собой трансформаторе разомкнутой магнитной системой. Однако однофазные двигатели были непригодны для целей промышленного электропривода.
5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.)
Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные двигатели были двухфазными.
Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами. В разработку трехфазных систем большой вклад сделали ученые и инженеры разных стран. Но как будет показано далее, наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, трансформаторы.
6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.)
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.
Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.
Значительный прогресс в электронике наметился после создания больших интегральных схем (БИС), быстродействие их измеряется миллиардными долями секунды, а минимальные размеры составляют 2—3 мкм. Внедрение БИС привело к созданию микропроцессоров, осуществляющих цифровую обработку информации по программе, и микроЭВМ.
Быстрое развитие микроэлектроники обусловило возникновение и заметный прогресс новой области науки и техники — информатики. Уже в начале 80-х гг. как в нашей стране, так и за рубежом стали изготовлять микропроцессоры и микроЭВМ в одном кристалле. Все это дает огромный эффект в повышении надежности, снижении габаритов и потребляемой энергии микроэлектронных устройств, используемых в различных производственных процессах, автоматизированных систем управления, на транспорте, в бытовых устройствах.