Полупроводники, их характерные отличительные свойства
ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА
И ОСНОВНЫЕ ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
ПРИБОРНЫХ СТРУКТУР
Роль и место полупроводников в развитии электроники
Общая характеристика
В настоящее время международный рейтинг любого государства существеннейшим образом определяется уровнем развития электроники и внедрения ее новейших достижений в современные гражданские и военные отрасли в виде изделий электронной техники.
Электроника – это наука, во-первых, ‑ о формировании потоков электронов и управлении ими в приборных структурах для приема, обработки, хранения и передачи информации, а также преобразования энергии из одних форм в другие, и, во-вторых, о методах создания электронных приборов и устройств на их основе, предназначенных для решения указанных выше и других задач, связанных, например, с автоматикой, медициной, бытовой техникой.
Непрерывный прогресс в электронике и электронной технике неразрывно связан с разработкой и освоением новых материалов. Именно материалы стали ключевым звеном, определяющим успех многих инженерных решений при разработке новых уникальных современных электронных приборов и устройств. При этом перед специалистами соответствующего профиля все чаще возникает сложнейшая задача по созданию материалов со свойствами не только количественно, но и качественно отличающимися от ранее достигнутых.
Характерным примером этому может служить создание материалов, которые способны генерировать высокочастотные электрические колебания при их подключении к источнику постоянного напряжения. То есть, они обеспечивают реализацию сложных функциональных характеристик прибора исключительно за счет специфических электронных свойств собственной структуры. Материалы подобного типа обеспечивают развитие нового направления в электронике, которое получило название «Функциональная электроника».
(Пример материала с S-ОДС).
Характерные отличительные свойства полупроводников
И общее представление о природе этих свойств
Феноменологические отличия
История изучения свойств твердотельных материалов, которые в настоящее время относятся к классу полупроводников, насчитывает более 150 лет. Таким образом, полупроводники заинтересовали исследователей еще до начала первого периода развития электроники.
Вначале деление материалов на металлы, полупроводники и диэлектрики основывалось на различной способности проводить электрический ток, т.е. на различии в величине удельной электрической проводимости (или удельной электропроводности) s.
Указанный параметр связан с удельным электрическим сопротивлением ρ следующим хорошо известным соотношением
s = 1/ρ, (1)
откуда следует, что в силу [ρ] = Ом·м, [s] = (Ом·м)-1.
В таблице 2 представлены диапазоны численных значений ρ и s, исторически сложившиеся на основании результатов многочисленных экспериментальных исследований.
Таблица 2 – Диапазоны численных значений удельной электропроводности и удельного электросопротивления твердых тел при комнатной температуре
Твердотельные материалы | ρ, Ом·см | s, (Ом·см)-1 |
Металлы | 10-6…10-4 | 106…104 |
Полупроводники | 10-3…109 | 103…10-9 |
Диэлектрики | 1010…1022 | 10-10…10-22 |
Как следует из Таблицы 2, по указанным электронным параметрам полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками электрического тока (металлами) и не проводниками электрического тока (диэлектриками).
Фундаментальное физическое отличие между кристаллическими
Рисунок 12
Такая вольт-амперная характеристика (ВАХ) еще часто называется омической, поскольку соответствует закону Ома для участка цепи
I = (1/R)·U,(18)
где R – сопротивление участка цепи.
Однородные полупроводниковые структуры являются базовыми для изделий электронной техники, которые называются полупроводниковыми резисторами, а также для датчиков Холла.
Полупроводниковые резисторы в зависимости от области применения и связанных с последней особенностей конструктивно-технологического решения подразделяются на:
-терморезисторы (термисторы – αТ < 0 и позисторы - αТ > 0);
-фоторезисторы (изменяют – чаще уменьшают свое сопротивление при облучении фотоактивной компонентой электромагнитного излучения);
-газорезисторы (изменяют свое сопротивление – уменьшают или увеличивают при появлении посторонней газовой примеси в фоновой газовой среде);
-варисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием сильного электрического поля);
-магнеторезисторы (изменяют свое сопротивление под влиянием магнитного поля);
-моностабильные и бтстабильные переключатели тока(разновидность быстродействующих варисторов);
--элементы оперативной и постоянной репрограммируемой энергонезависимой электрической памяти.
Диодные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат один выпрямляющий переход, определяющий наиболее важные с практической точки зрения электрические и фотоэлектрические свойства базирующихся на них приборов.
Как следует из jpg-файла “Основные типы полупроводниковых структур”, такие приборы подразделяются на диоды Шоттки (по фамилии немецкого физика, впервые предложившего указанные приборы и теоретически обосновавшего принцип их работы) и диоды с p-n-переходом.
Диод Шоттки – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой трехслойную структуру металл/полупроводник/металл с выпрямляющим переходом у контакта между полупроводником и одним из металлов и с омическим (не выпрямляющим) контактом между полупроводником и другим металлом (отличающимся по электронным параметрам от первого).
Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 14.
Диод с p-n-переходом – это двухэлектродный полупроводниковый прибор, представляющий собой четырехслойную структуру металл/полупроводник р‑типа/полупроводник n-типа/металл с выпрямляющим переходом в области контакта полупроводников р- и n-типа, а также с омическими контактами этих полупроводников с металлическими электродами.
Упрощенное схематическое изображение вертикального сечения такого прибора приведено на рисунке 15.
Схематическое изображение ВАХ обоих типов диодов приведено на рисунке 16.
|
|
|
тью падает на областях обеднения полупроводниковой приборной структуры, в связи с чем именно эти области и определяют особенности ВАХ диодов – как диодов Шоттки, так и диодов с p-n-переходами. Как показано теоретически и подтверждено экспериментально, в силу специфики переноса зарядов под влиянием прикладываемого к диодам внешнего напряжения U прямые (U >0) и обратные (U < 0) ветви их ВАХ (Рис. 16) описываются соотношением
I = I0{exp[(eU/(kT)]-1}, (19)
где I0 – не зависящий от U в случае диода Шокли диодный ток насыщения, наблюдаемый как полка на обратной ветви ВАХ при |U| > 0,1 В (Рис. 16, U < 0); e = 1,6·10-19 Кл – абсолютное значение заряда электрона; k = 1,38·10‑23 Дж/К (или 8,6·10‑5 эВ/К) – постоянная Больцмана; Т – температура диода.
В связи с сильной нелинейностью и асимметрией ВАХ диоды широко используются, например, для выпрямления знакопеременного тока, в частности, промышленной частоты. При этом практически важным параметром диода является его коэффициент выпрямления К, который определяется соотношением
К = I(U*>0)/I(U*< 0), (20)
где * - указывает на то, что |U| = const при прямой и обратной полярностях подаваемого на диод напряжения.
Для получения представления о количественных значениях коэффициента выпрямления в зависимости от |U| предлагается, используя соотношения (19) и (20), выполнить самостоятельную расчетную работу по определению величины К для диода Шокли при |U|1 = 0,2 В, |U|2 = 0,4 В и |U|3 = 0,6 В. Отчет о проведенной работе с приложением соответствующих конкретных численных операций оформить как самостоятельную работу и сдать преподавателю.
Транзисторные полупроводниковые структуры – это структуры, которые содержат два взаимодействующих выпрямляющих электрических перехода, либо выпрямляющие электрические переходы и взаимодействующий с ними проводящий канал, свойства которого управляются электрическим полем, создаваемым внешним источником напряжения.
Такие структуры лежат в основе, прежде всего, трехэлектродных приборов – транзисторов, которые подразделяются на биполярные и полевые. Принцип работы этих приборов построен на изменении электросопротивления одних элементов структуры под влиянием других ее элементов, что и отражает составное слово «транзистор»:
transistor ≡ transfer resistor ≡ преобразуемый резистор.
Далее, начиная со следующей страницы, приведена несколько более подробная информация, относящаяся к указанным типам транзисторов.
БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Рисунок 17
Рисунок 18
(Рис. 17 в).
|
![полупроводники, их характерные отличительные свойства полупроводники, их характерные отличительные свойства - student2.ru](/images/yelektronika/poluprovodniki-ikh-kharakternye-otlichitelnye-svoystva-1853142-19.jpg)
Рисунок 19
.
Рисунок 20
:
Рисунок 21
Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе при активном режиме его работы
Вместе с тем, наиболее значительное усиление входного сигнала обеспечивает включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.
При этом в случае активного режима работы транзистора
іЭ = іК + іБ,
а поскольку
іБ << іК,
то іЭ ≈ іК.
В результате, коэффициент усиления по току
,
где:
- максимальный выходной ток;
- максимальный ток коллектора;
- максимальный входной ток;
- максимальный ток базы.
Коэффициент усиления по напряжению
.
Коэффициент усиления мощности
ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Основные преимущества
ПОЛУПРОВОДНИКИ, ИХ ХАРАКТЕРНЫЕ ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА