Тема: Элементная база современных электронных устройств

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-12

Вопросы для изучения

1 Полупроводниковые приборы. Принцип образования и основные свойства p-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

2 Биполярные и униполярные транзисторы. Тиристоры.

3 Индикаторы. Классификация и характеристики устройств отображения информации. Полупроводниковые индикаторы. Газоразрядные индикаторы. Жидкокристаллические индикаторы.

1. Полупроводниковые приборы. Принцип образования и основные свойства p-n-перехода. Полупроводниковые диоды.

Для преобразования электрических сигналов недостаточно использования в цепях пассивных линейных элементов. Для этих цепей в электронике широко применяются различные активные элементы, обладающие необходимыми нелинейными характеристиками. В качестве таких элементов используют полупроводниковые приборы, работа большинства которых основана на свойствах -перехода (электронно-дырочного перехода).

Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют область, возникающую на границе раздела полупроводников - и -типа. ЭДП можно получить вплавлением (резкий переход) или диффузией (плавный переход) в полупроводниковый монокристалл примесей, создающих тип проводимости, противоположный типу проводимости исходного монокристалла.

Электрические свойства ЭДП можно понять, если рассмотреть процесс его образования. Концентрация электронов в -области n_n (основные носители) во много раз больше их концентрации в p-области n_p (неосновные носители). Поэтому при образовании р-n-перехода из-за существования градиента концентрации носителей заряда происходит диффузия электронов из p- области в n-область кристалла, а дырок – из р-области в n-область. В результате этого вблизи границы ЭДП в n-области остается связанный положительный объемный заряд ионизированных доноров (атомов примеси, обогащающей исходный монокристалл отрицательными носителями заряда – электронами), а в p-области – отрицательный объемный заряд ионизированных акцепторов (атомов примеси, обогащающей исходный монокристалл положительными носителями заряда – дырками). Эти объемные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Возникает запирающий слой, в котором практически отсутствуют подвижные носители заряда, вследствие чего его сопротивление велико. Устанавливается равновесие, при котором падение напряжения на границе р- и n-областей, называемое потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов, принимает стационарное значение. При этом полный ток через p-n-переход равен нулю. Ширина области запирающего слоя (ширина p-n-перехода) зависит от метода изготовления ЭДП и концентрации основных носителей в n- и p-областях и тем больше, чем меньше эти концентрации. Если к ЭДП приложить электрическое напряжение , то равновесие нарушится. При обратном смещении (положительный потенциал приложен к n-области) потенциальный барьер для основных носителей возрастет, вследствие чего ток через переход за счет основных носителей уменьшится до нуля. Однако по цепи источник питания – переход протекает ток, вызванный неосновными носителями заряда (дырками в n-области и электронами в p-области), для которых потенциальный барьер уменьшится. Их концентрация много меньше, чем концентрация основных носителей заряда, поэтому ток неосновных носителей мал, кроме того, он слабо зависит от обратного напряжения на переходе, поскольку их концентрация постоянна для данной температуры, и носит название обратного, или теплового, тока p-n-перехода.

Увеличение обратного напряжения может привести к пробою p-n-перехода. Под пробоем понимают явление резкого возрастания тока через переход, вызванное увеличением числа подвижных носителей заряда в этой области. Различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. В первом случае увеличение числа подвижных носителей заряда происходит за счет процессов ударной (лавинной) ионизации атомов, во втором – вследствие нарушения теплового равновесия и повышения температуры полупроводника. Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным .

При прямом смещении (положительный потенциал приложен к p-области) потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается. Основные носители заряда пересекают ЭДП, образуя прямой ток через переход, который может достигать значительной величины. Этот процесс называют инжекцией носителей. Инжектированные носители заряда диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с носителями заряда, приходящими из внешней цепи.

Прямой ток через ЭДП устанавливается не мгновенно из-за инерционности, которая обусловлена процессами рекомбинации и характеризуется временем жизни носителей заряда. Величина определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. На рисунке 7.1 приведена вольт-амперная характеристика ЭДП, на которой различают прямую ветвь (1-й квадрант) и обратную ветвь (3-й квадрант).

Рисунок 7.1 – Вольт-амперная характеристика. ЭДП: – напряжение пробоя; – обратный ток перехода

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств ЭДП.

В зависимости от оформления p-n-перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. В плоскостных диодах граница между областями полупроводника представляет собой плоскость соприкосновения, в точечных диодах полупроводник контактирует с металлической иглой (ЭДП полупроводник – металл). На рисунке 7.2 приведена в качестве примера структура плоскостного диода, изготовленного методом вплавления.

Рисунок 7.2 – Структурная схема плоскостного диода

Типы полупроводниковых диодов (рисунок 7.3).

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. В качестве основных материалов используются кремний и германий. Прямое напряжение и рабочая температура кремниевых диодов выше, чем германиевых. Частотные характеристики лучше у германиевых диодов. Диапазон прямых токов и допустимых обратных напряжений диодов весьма широк: от десятков миллиампер до сотен ампер и от десятков вольт до десятков киловольт, соответственно. Диапазон обратных токов в зависимости от типа диода может составлять от единиц микроампер до единиц миллиампер. Обратный ток диода характеризует неидеальность его выпрямительных свойств. С этой точки зрения кремниевые диоды, имеющие существенно меньшие обратные токи, перспективнее германиевых.

Высокочастотные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в импульсных схемах. Для диода состояние «включено» соответствует прямому смещению p-n-перехода, состояние «выключено» – обратному. Характерной особенностью этих диодов является малая емкость перехода. Слабая зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя используется для стабилизации напряжения с помощью полупроводниковых диодов – стабилитронов. Основным параметром этих диодов является напряжение стабилизации.

Рисунке 7.3 – Условные графические обозначения диодов: а – выпрямительный; б – стабилитрон; в – варикап; г – туннельный; д – диод Шоттки (контакт: полупроводник – металл); е – светодиод; ж – фотодиод; з – диодный оптрон (оптоопара)

Варикапы (параметрические диоды) используются в качестве конденсаторов переменной емкости. Принцип действия их основан на свойстве барьерной емкости обратно смещенного перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного напряжения. Варикапы широко применяются в схемах автоматической подстройки частоты, амплитудной и частотной модуляции, в схемах параметрических усилителей и др.

Светодиоды – приборы с p-n-переходом, которые излучают свет при прохождении через них прямого тока. Светодиоды являются источниками некогерентного излучения, изготовляются на основе полупроводниковых материалов, вероятность излучательной рекомбинации в которых высока. Одним из основных параметров светодиодов является длина волны излучаемого света, которая определяет цвет излучения. Светодиоды находят широкое применение в качестве буквенно-цифровых индикаторов и индикаторных панелей, в установках аварийной сигнализации, системах ночного видения, контрольно-цифровой аппаратуре и др.

Туннельные диоды используются в схемах генераторов и усилителей СВЧ-диапазона, в быстродействующих ключевых и импульсных схемах и др. Принцип действия их основан на туннельном эффекте, который возможен в случае сверхмалой толщины ЭДП. Туннельные диоды изготовляют на основе таких высоколегированных полупроводниковых материалов, как Ge и GaAs.

Фотодиоды используются в качестве приемников светового излучения, принцип работы основан на генерации под действием квантов света пар носителей заряда, которые разделяются р-п-переходом, образуя на выходных выводах фотоЭДС. Фотодиоды работают при обратном смещении перехода и используются в двух основных режимах: в качестве датчика освещенности (режим фотоЭДС) и переменного сопротивления, включаемого последовательно с нагрузкой и зависящего от внешней освещенности. Очень широко используется комбинация светодиод–фотодиод, конструктивно объединенная в одном приборе, называемом оптроном или оптопарой. Такие оптопары служат для идеальной гальванической развязки маломощных управляющих и мощных нагрузочных цепей.