Элементная база современных электронных устройств

управления и технологий Очная и заочная форма обучения

- Автомобили и автомобильное хозяйство - Автомобиле- и тракторостроение - Технология машиностроения

проводимости)

К полупроводникам относятся материалы,
проводимость которых больше проводимости диэлектриков, но меньше проводимости проводников.
Обычно это кристаллический материал с шириной запрещенной зоны от 0,5 до 2 эВ.
В электронике в качестве полупроводников
обычно используются
кремний, германий, селен, арсенид галлия и др.

дырок

Химически чистые полупроводники обладают электрической проводимостью,
обусловленной собственными свободными электронами
и дырками теплового происхождения.
Такая проводимость называется
собственной проводимостью полупроводника

примеси.
Примеси, атомы которых легко ионизируются, добавляя электрон к электронам собственной проводимости, называются
донорными примесями.
Полупроводники, содержащие донорные примеси, называются полупроводниками n-типа.
Примеси, атомы которых ионизируются, принимая электрон от соседнего атома основного полупроводника и создавая тем самым дырку в полупроводнике, называются
акцепторными примесями.
Полупроводники, содержащие акцепторные примеси, называются полупроводниками р-типа.
Примесные полупроводники называются легированными.

примесями присутствуют
собственные примесные атомы.
По этой причине в полупроводнике n-типа появляются дырки,
а в полупроводнике р-типа – электроны.
Эти заряды называются неосновными.
Наибольшее применение нашли полупроводники,
одна часть которых легирована акцепторными примесями,
а другая – донорными.
Переход между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности называется
электронно-дырочным
или
р-n-переходом.

n-областью – катодом.

носителей заряда: дырок из р-области в n-область и электронов в обратном направлении. Диффундируя, электроны и дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно заряженные ионы примесей (эти ионы жестко закреплены в кристаллической решетке и перемещаться не могут). В n-области диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные положительные ионы. Аналогично в р-области диффундирующие электроны рекомбинируют с дырками, резко уменьшая концентрацию основных носителей заряда и дополнительно образуя нескомпенсированные отрицательные ионы.
Таким образом, вблизи границы р- и n-областей концентрация основных носителей заряда резко падает. Возникает обедненный носителями слой, где «обнажаются» нескомпенсированные отрицательные и положительные заряды акцепторных и донорных ионов.

Это поле направлено так, что тормозит процессы диффузии. Возникшему электрическому полю соответствует
контактная разность потенциалов Uз.
Для германиевого перехода Uз = 0,2-0,3 В,
для кремниевого – Uз = 0,6-0,8 В.

Электрическое поле в переходе обусловливает появление
дрейфового тока – тока неосновных носителей заряда в переходе:
дырки из n-области переносятся электрическим полем в р-область,
а электроны из р-области затягиваются в n-область.
Величина дрейфового тока мала, так как мала концентрация неосновных зарядов. В установившемся состоянии диффузный ток будет равен дрейфовому току.

напряжения прикладывается к р-области
(см. рис. справа).

Электрическое поле, создаваемое этим источником, накладывается на внутреннее поле в p-n-переходе, созданное ионами примесей. Результирующее поле в переходе уменьшается. Возникает дополнительная диффузия основных носителей заряда. Диффузионный ток через переход становится больше дрейфового. Причем, чем больше прикладываемое напряжение, тем больше диффузионный ток через переход.

Напряжение, при котором ток через p-n-переход быстро увеличивается, называется прямым (открывающим) напряжением.
Возникающий при этом большой ток называется прямым током.
Сопротивление p-n-перехода при подаче прямого напряжения резко уменьшается.

прикладывался к р-области (см. рис. справа)

Дополнительное электрическое поле, создаваемое источником, складывается с внутренним полем в p-n-переходе. Результирующее поле в переходе увеличивается. Диффузия основных носителей заряда уменьшается, а при дальнейшем увеличении приложенного напряжения полностью прекращается. Дрейфовый ток через переход незначительно увеличивается и становится больше диффузного. Однако сопротивление перехода протекающему току остается увеличенным, так как концентрация неосновных носителей в полупроводнике мала и дрейфовый ток при прочих равных условиях много меньше прямого тока.
Поданное напряжение называется
обратным (запирающим или закрывающим) напряжением,
а возникающий при этом небольшой ток называют обратным током

Это явление называют электрическим пробоем.
Когда обратный ток достигает определенной величины
(Iобр доп), электрический пробой переходит в тепловой
и р-n-переход полностью разрушается.
За положительное направление тока i
и согласованного с током направления напряжения u принято направление прямого тока диода.

подаче прямого напряжения ток через переход возрастает по экспоненциальному закону. Обратный ток, возникающий при обратном напряжении, значительно меньше прямого и слабо зависит от величины обратного напряжения. При подаче на вход переменного напряжения через переход будет протекать в основном прямой ток. Поэтому p-n-переход называют выпрямляющим переходом.
Приборы, обладающие односторонней проводимостью:
высокой (для токов прямого направления) или низкой (для токов обратного направления), получили название вентилей.
В качестве вентилей применяют различные электронные приборы, в том числе полупроводниковые диоды.

двумя выводами, действие которого обусловлено вентильными свойствами p-n-перехода. Условное графическое обозначение полупроводникового диода и его вольт-амперная характеристика приведены на рисунке ниже

происходит только на начальном участке. В дальнейшем ток через диод увеличивается практически по линейному закону. Это объясняется наличием объемных сопротивлений p- и n-областей.
Основные параметры полупроводникового диода (вентиля):

предельная мощность Рпред;
допустимый прямой ток Iпр доп;
средняя величина выпрямленного тока Iпр ср;
падение напряжения Uпр ср;
рабочее обратное напряжение Uраб, как правило, не превышает половины напряжения, при котором происходит пробой;
обратный ток при рабочих обратных напряжениях Iобр н.

в узкой области обратных напряжений, соответствующих электрическому пробою его p-n-перехода. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения на заданном участке. Условное графическое обозначение стабилитрона и его вольт-амперная характеристика приведены на рисунке ниже

96 В), Uст ≈
Uпроб;
максимальный ток стабилизации Iст max ограничивается
максимально допустимой мощностью
(Iст max = Рmax/Uст);
минимальный ток стабилизации Iст min определяется
гарантированной устойчивостью состояния
пробоя;
дифференциальное сопротивление rдиф = ΔUст/ΔIст.

Стабилитроны применяются в стабилизаторах напряжения, различных импульсных устройствах, ограничителях уровня напряжения и т.д.

от значения обратного напряжения. Варикапы применяют в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Основной характеристикой варикапа является вольт-фарадная:
С = f(uобр).
Условное графическое обозначение варикапа и его
вольт-фарадная и вольт-амперная характеристики
приведены на рисунке ниже

между выводами варикапа при заданном значении обратного напряжения (для разных типов варикапов от нескольких единиц до нескольких сотен пФ);
управляющее напряжение Uупр, которое не должно превышать напряжение, при котором происходит пробой;
коэффициент перекрытия по емкости КС = Сmax/Cmin.

толщиной запирающего слоя. Его вольт-амперная характеристика при прямом напряжении имеет падающий участок 1-2 (см. схему). Наличие такого участка объясняется возникновением туннельного эффекта, то есть когда ток начинает проходить через переход при напряжении, значительно меньшем, чем контактная разность потенциалов. Условное графическое обозначение туннельного диода приведено на рисунке ниже

в точке максимума вольт- амперной характеристики (от десятых долей до сотен мА);
ток впадины Iв – прямой ток в точке максимума вольт- амперной характеристики;
отношение токов Iп/Iв;
напряжение пика Uп – прямое напряжение, соответствующее пиковому току;
напряжение впадины Uв – прямое напряжение, соответствующее току впадины;
напряжение раствора Uрр – прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток
равен пиковому

Туннельные диоды находят применение в схемах усилителей
и генераторов СВЧ диапазона, в быстродействующих переключающих устройствах, устройствах памяти с двоичным кодом и т.д.

энергии в энергию светового излучения.
Условное графическое обозначение
светоизлучающего диода
приведено на рисунке ниже

в виде матриц.

зависимости от
используемых материалов
этот переход может:

увеличенным быстродействием и широко используются при изготовлении интегральных схем. Технология их изготовления хорошо совмещается с современной технологией изготовления микросхем средней и большой степени интеграции.

В этих диодах, как и в диодах с р-n-переходом, возникает объемный заряд.
В связи с тем, что в металле объемный заряд не накапливается, его величина в два раза меньше, чем в р-n-переходе.
Таким образом, диод Шоттки характеризуют малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения.

электротехники:
Комплекс учебно - методических материалов: Часть 1 / Б.Ю. Алтунин,
Н.Г. Панкова; НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-130 с.
2. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.1/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2007.-98 с.
3. Алтунин Б.Ю., Кралин А.А. Электротехника и электроника: комплекс учебно-методических материалов: Ч.2/ Б.Ю. Алтунин, А.А. Кралин; НГТУ
им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород, 2008.-98 с
4. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов.-М.: Энергоатомиздат, 2000.
5. Справочное пособие по основам электротехники и электроники /под. ред. А.В. Нетушила.-М.: Энергоатомиздат, 1995.
6. Манаев Е.И. Основы радиоэлектроники.-3-е изд., перераб. И доп.-М.: Радио и связь, 1990.-512 с.: ил.
7. Новожилов, О. П. Электротехника и электроника: учебник / О. П. Новожилов. – М.: Гардарики, 2008. – 653 с.