Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии

Самостоятельные работы

по предмету «Электронные приборы»

Студента группы 14ОКС

Дяченко Дмитрия

Самостоятельная работа №1
Основы электронной теории.

Электронная теория была предложена немецким физиком Паулем Друде через 3 года после открытия электрона как частицы — в 1900 году. Исходя из представлений о свободных электронах, Друде разработал классическую теорию электропроводности металлов, которая затем была усовершенствована Лоренцем. Друде предположил, что электроны проводимости в металле ведут себя подобно молекулам идеального газа. В промежутках между соударениями они движутся совершено свободно, пробегая в среднем некоторый путь . В отличие от молекул газа , пробег которых определяется соударениями молекул друг с другом, электроны сталкиваются не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку металла. Эти столкновения приводят к установлению теплового равновесия между электронным газом и кристаллической решеткой. Полагая, что на электронный газ могут быть распространены результаты кинетической теории газов, оценку средней скорости теплового движения электронов можно произвести по формуле .

Для комнатной температуры ( 300К) вычисление по этой формуле приводит к следующему значению: . При включении поля на хаотическое тепловое движение, происходящее, со скоростью , накладывается упорядоченное движение электронов с некоторой средней скоростью . Величину этой скорости легко оценить, исходя из формулы, связывающей плотность тока j с числом n носителей в единице объема, их зарядом е и средней скоростью :

Предельная допустимая техническими нормами плотность тока для медных проводов составляет около 10 А/мм²= 10⁷ А/м². Взяв для n=10²⁹ м^-3, получим Таким образом, даже при больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения зарядов в 10⁸раз меньше средней скорости теплового движения .

Самостоятельная работа №2
Электронно-вакуумные приборы.

Вакуумные электронные приборы – это герметично запаянные стеклянные, металлические или керамические сосуды с различными электродами внутри, соединёнными с контактами внешнего разъёма прибора через стеклянный или керамический вакуумно-плотный изолятор.

Предварительно из них удаляют воздух. Откачивание сопровождается прогревом, как тепловым, так и высокочастотным, внутренностей прибора с целью удаления абсорбированных газов. Чем меньше внутри останется газов, тем более долговечен прибор.

В любом вакуумном приборе есть катод, часто покрытый особым составом для высокой эмиссии электронов в вакуум рабочей зоны прибора; и анод — последний рабочий электрод, собирающий «отработанные» электроны. Все вакуумные приборы имеют в качестве рабочего вещества электронный поток, летящий от катода к аноду и взаимодействующий по пути с простыми электродами и сложными.

Вакуумные электронные приборы можно разделить на следующие классы:
1) Электронные лампы или радиолампы (диоды, триоды); 2) Вакуумные приборы СВЧ (магнетроны, клистроны); 3) Электронно-лучевые приборы (электронно-лучевые трубки, кинескопы); 4) Ускорители заряженных частиц (рентгеновские трубки); 5) Фотоэлектронные приборы (вакуумные фотоэлементы, электронно-оптический преобразователь); 6) Вакуумные индикаторы (индикаторные лампы, вакуумно-люминесцентные индикаторы).

Самостоятельная работа №3
Энергетическая диаграмма p-n перехода.

Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии.

В условиях равновесия p-n перехода, когда отсутствует внешнее напряжение, энергия Ферми одинакова для любого объема полупроводника, что приводит к горизонтальности положения уровня Ферми на энергетической диаграмме. Основные носители заряда областей полупроводника p- и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, диффузионно преодолевают его. Основные носители заряда, переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода iD.

В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, переходящие переход под действием напряженности электрического поля Eк p-n перехода, образуют дрейфовую составляющую тока iE через переход. Условие равновесия выполняется, когда диффузионный ток iD будет компенсирован встречным дрейфовым током iE и полный ток через переход будет равен нулю.

Прямое включение.

К p-области присоединён положительный полюс источника питания, а к n-области – отрицательный. Такое включение p-n-перехода называется прямым, прямое напряжение принято считать положительным.Внешнее поле при прямом включении оказывается направленным противоположно диффузионному полю. Высота потенциального барьера уменьшается на величину qU. При этом часть основных носителей в областях p- и n-смогут проникать через запирающий барьер в области, где являются неосновными и рекомбинируют. Это приводит к появлению большого тока через p-n-переход. Преодолевшие потенциальный барьер, носители заряда оказываются в соседней области неосновными. Тоесть происходит инжекция носителей заряда. Ту область полупроводника, в которую происходит инжекция носителей, называют базой полупроводникового прибора.

Значит при прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей, p-n-переход открыт, через него течёт прямой ток.

Обратное включение.
Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», а n-область - с «плюсом», то внешнее поле будет направлено так же, как и диффузионное. Высота потенциального барьера увеличивается, она станет равной. Через барьер смогут пройти только неосновные носители. Так как их количество значительно меньше, чем основных, ток через переход в этом случае будет мал по сравнению с тем, который получился при прямом включении. Это включение называется обратным, обратное напряжение принято считать отрицательным. Когда к p-n-переходу приложено обратное напряжение, неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область. Таким образом, при обратном включении p-n-перехода происходит экстракция неосновных носителей, p-n-переход «закрыт», через него течёт только малый ток неосновных носителей.

Самостоятельная работа №4
Общие сведения о фотоявлениях в материалах.

Фотоэффект — испускание электронов веществом под действием света или любого другого электромагнитного излучения. В твёрдых и жидких веществах выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы внешнего фотоэффекта:
1-ый закон фотоэффекта (закон Столетова): Сила фототока прямо пропорциональна плотности светового потока.
2-ой закону фотоэффекта:Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3-й закон фотоэффекта: Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном.

Внешним фотоэффектом(фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод — электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Законы внешнего фотоэффекта[править | править вики-текст]

Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения):

и

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света V0 (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Внутренним фотоэффектом называется перераспределение электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений. Он проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде и приводит к возникновению фотопроводимости или вентильного фотоэффекта.

Фотопроводимостью называется увеличение электрической проводимости вещества под действием излучения.

Самостоятельная работа №5
Устройство, принцип действия, ВАХ, параметры позистора.

Позистор - это полупроводниковые резисторы, отличающийся от термистора температурным коэффициентом. Термистор -- терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, а позистор - с положительным коэффициентом сопротивления.

Позисторы, благодаря своим особым полезным свойствам, находят широкое практическое применение. В настоящее время они используются обычно при токах, достигающих нескольких сотен миллиампер в установившемся режиме и нескольких ампер при переходных процессах. Позисторы предназначены для работы в качестве датчиков систем регулирования температур, противопожарной сигнализации, тепловой защиты, ограничения и стабилизации тока в электрических схемах.

При использовании позисторов необходимо знать следующие три основные характеристики:
1. Температурная зависимость сопротивления;
2. Статическую характеристику (зависимость тока позистора от приложенного напряжения);
3. Динамическую характеристику (зависимость тока через позистор от времени).

Так как позистор имеет два выводных конца, то с ним можно обращаться так же, как и с обычными резисторами и конденсаторами.

ВАХ позистора.

Режим работы позисторов зависит от того, на каком участке статической вольт-амперной характеристики (ВАХ) выбрана рабочая точка. ВАХ зависит как от конструкции, размеров и основных параметров позистора, так и от температуры, теплопроводности окружающей среды и т.д.

1) Позисторы с рабочей точкой на начальном (линейном) участке ВАХ используются для измерения и контроля температуры и компенсации температурных изменений параметров электрической цепей и электронных приборов.

2) Позисторы с рабочей точкой на нисходящем участке ВАХ (с отрицательным сопротивлением) применяются в качестве пусковых реле, измерителей мощности электро-магнитного излучения на СВЧ, стабилизаторов температуры и напряжения.

3) Режим работы позистора, при котором рабочая точка находится также на ниспадающем участке ВАХ, применяются в системах теплового контроля и пожарной сигнализации, регулирования уровня жидких и сыпучих сред.

Самостоятельная работа №6
Стабилитроны, их особенности, ВАХ, параметры.

Стабилитрон- это полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения. В отличии от обычных диодов, стабилитрон имеет достаточно низкое напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Благодаря этому эффекту стабилитроны широко применяются в источниках питания.

В основе работы стабилитрона лежат два механизма: лавинный пробой p-n перехода и туннельный пробой p-n перехода. Туннельный пробой p-n перехода называется Эффектом Зенера, поэтому стабилитрон имеет еще одно название - диод Зенера. Несмотря на схожие результаты действия этих механизмов - различны, хотя и присутствуют в любом стабилитроне совместно, но преобладает только один из них. До напряжения 5,6 вольт преобладает туннельный пробой с отрицательным температурным коэффициентом, выше 5,6 вольт - лавинный пробой с положительным температурным коэффициентом. При напряжении, равном 5,6 вольт, оба эффекта уравновешиваются, поэтому выбор такого напряжения является оптимальным решением для устройств с широким температурным диапазоном применения.

ВАХ стабилитрона.

Так как стабилитрон работает именно в обратной полярности, в отличие от диода, то и рабочая область – Uобр. При напряжении Uобр график начинает падать вниз. В это время в стабилитроне происходит пробой. Тоесть начинает возрастать сила тока в стабилитроне. Самым лучшим рабочим режимом стабилитрончика считается режим, при котором сила тока на стабилитроне находится где-то в середине между максимальным и минимальным его значением. На графике это и будет рабочей точкой рабочего режима стабилитрона.

Параметры стабилитрона:

Uст.ном. - номинальное напряжение стабилизации стабилитрона;
Iст.ном. - номинальный ток стабилизации стабилитрона;
Рмакс. - максимально-допустимая рассеиваемая мощность на стабилитроне;
Uст. - напряжение стабилизации стабилитрона;
rст. - дифференциальное сопротивление стабилитрона;
aст. - температурный коэффициент стабилизации стабилитрона;
Iст. - ток стабилизации стабилитрона;
Тк.макс. - максимально-допустимая температура корпуса стабилитрона;
Тп.макс. - максимально-допустимая температура перехода стабилитрона.

Самостоятельная работа №7
Однопереходные транзисторы, работа, оссобенности.

Однопереходный транзистор (двухбазовый диод, ОПТ) — полупроводниковый прибор с тремя электродами и одним p-n переходом, называемый инжектором. Принцип действия транзистора основан на изменении объёмного сопротивления полупроводника базы при инжекции. В отличии от биполярных и полевых транзисторов однопереходный транзистор представляет собой прибор с отрицательным сопротивлением. Это означает, что в определённых условиях входное напряжение или сигнал могут уменьшаться даже при возрастании выходного тока через нагрузку. Когда однопереходный транзистор находится во включённом состоянии, выключить его можно только разомкнув цепь, либо сняв входное напряжение.

Участок между базами образован кремниевой пластиной n-типа и имеет линейную вольтамперную характеристику (ВАХ), т.е. ток через этот участок прямо пропорционален приложенному межбазовому напряжению.

При отсутствии напряжения на эмиттере (относительно Б1) за счёт проходящего I2 в базе 1 внутри кристалла создаётся падение напряжения Uвн, запирающее p-n переход. При подаче на вход небольшого напряжения Uвх=<Uвн величина тока, проходящего через переход, почти не изменяется. При Uвх>Uвн переход смещается в прямом направлении и начинается инжекция носителей заряда (дырок) в базы, приводящая к снижению их сопротивления. При этом уменьшается падение напряжения Uвн, что приводит к лавинообразному отпиранию перехода - участок II на вольт-амперной характеристике:

Участок III, справа от минимума, где эмиттерный ток ограничивается только сопротивлением насыщения, называется областью насыщения. При уменьшении эмиттерного напряжения до Uвх<Uвн переход закрывается. При нулевом токе базы 2 характеристика (кривая 2) представляет собой по существу характеристику обычного кремниевого диода.

Однопереходные транзисторы применяются в различных схемах генераторов релаксационных колебаний, мультивибраторах, реле времени, генераторах пилообразного напряжения, делителях, схемах фазового управления и др. Однако из-за малой скорости переключения и сравнительно большой потребляемой входной мощности они широкого распространения не получили.

Самостоятельная работа №8
Устройство, принцип действия, ВАХ, параметры симистора.

Симистор — полупроводниковый прибор - разновидность тиристоров и используется для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ).

В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения основные выводы симистора различаются, верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях.
Другая особенность симистора это то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод. Симистор остаётся открытым, пока протекщий ток превышает величину тока удержания.

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе, а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора. Существуют и другие параметры, на которые накладываются ограничения в соответствии с предельно-допустимыми режимами эксплуатации. К таким параметрам относятся ток и напряжение управляющего электрода, температура корпуса, рассеиваемая прибором мощность и пр.

Вольт-амперная характеристика симистора очень похожа на ВАХ тиристора, но, поскольку для симистора не существует прямого и обратного направления включения, то кривая симметрична относительно центра координат. Каждая из половин этой кривой напоминает кривую включения тиристора в прямом направлении.

Одним из факторов, делающих симистор более удачным устройством для коммутации переменного тока, чем тиристор, является то, что прибор имеет одинаковые свойства при протекании по нему тока в любом из направлений. Как и тиристор, симистор выключается при токе через него, стремящемся к 0. Это снижает индукционные и другие наведённые токи и помехи в сети, вызываемые отключением питания при высоком напряжении.

Самостоятельная работа №9
Назначение, устройство дисплея.

Дисплей — электронное устройство, предназначенное для визуального отображения информации. Дисплеем в большинстве случаев можно назвать часть законченного устройства, используемую для отображения цифровой, цифро-буквенной или графической информации электронным способом. Следует различать понятия «дисплей», как часть устройства, и монитор, который может иметь дисплеи разных типов — ЭЛТ, ЖК, плазменный и т. д. Например, мобильный телефон в своём составе имеет дисплей для отображения информации, но он же может иметь и выносной (подключаемый) монитор.

В настоящее время получили распространение сенсорные дисплеи, они бывают нескольких видов:
1) Резистивные;
2) Проекционно-ёмкостные;
3) Поверхностно-ёмкостные;
3) Дисплеи на поверхностно-акустических волнах;
4) Сенсорно-сканирующие.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов основывается на поляризационных свойствах молекул кристаллов (циенофенилов). Эти молекулы являются световыми фильтрами, пропускающими только определенный световой спектр – один из основных цветов. Такой эффект и называется поляризацией света.

В зависимости от силы воздействующего электромагнитного поля на циенофенилы они меняют свое расположение и форму, тем самым меняя углы преломления света и меняя свою поляризацию. Именно благодаря сочетанию электрооптических свойств кристаллов и способности принимать форму сосуда такие молекулы получили название – жидкие кристаллы.

Именно на таких свойствах и основывается принцип работы LCD монитора. Благодаря изменению силы электромагнитного поля молекулы жидких кристаллов меняют свое положение. Таким образом, формируется изображение.

Принцип работы жидкокристаллических мониторов заключается в довольно сложных процессах. Однако благодаря этому пользователь получает высокое качество изображения на своем мониторе. Для того чтобы отображать цветную картинку, дисплею LCD необходима задняя подсветка, благодаря которой свет будет исходить из задней части экрана. Это позволяет пользователям наблюдать максимально высокое качество изображения, даже в условиях затемненной окружающей среды.

Принцип работы ЖК мониторов для вывода цветной картинки основывается на применении трех основных цветов. На сегодняшний день существует два способа для получения цветной картинки:
1) Использование нескольких фильтров, расположенных друг за другом, отсеивающие остальные спектры видимого излучения. Это приводит к малой доле пропускаемого света;
2) Использование свойств молекул жидких кристаллов. Для отражения (или поглощения) излучения нужной длины можно изменять силу напряжения электромагнитного поля, которое влияет на расположение молекул жидких кристаллов, тем самым фильтруя излучение.

Самостоятельная работа №10
Структурная схема дисплейного контроллера.

В векторном дисплее с регенерацией изображения на базе ЕЛТ используется люминофор с очень коротким временем послесвечения. Такие дисплеи часто называют дисплеями с произвольным сканированием. Из-за того, что время послесвечения люминофора мало, изображение на ЕЛТ за секунду должно многократно перерисовываться или регенерироваться. Для векторного дисплея с регенерацией необходимо кроме ЕЛТ еще два элемента: дисплейный буфер и дисплейный контролер.

Дисплейный буфер – это непрерывный участок памяти, содержащий всю информацию, необходимую для вывода изображения на ЕЛТ. Функция дисплейного контролера состоит в том, чтобы циклически обрабатывать эту информацию с скоростью регенерации. Сложность (число изображаемых векторов) рисунка ограничивается двумя факторами – размером дисплейного буфера и скоростью дисплейного контролера. Еще одним ограничением является скорость обработки геометрической информации, например скорость выполнение таких операций, как преобразование и отсечение.

Контроллеры отличаются структурными и функциональными характеристиками. Одни предназначены для использования в телевизорах, другие - в мониторах.

Структурная схема дисплейного контроллера содержит следующие блоки:
1) Контроллер развертки TFT-панели;
2) Встроенные цифровые или аналоговые интерфейсы;
3) Модуль масштабирования изображения;
4) Встроенный текстовый процессор окна меню настроек;
5) Модуль цифровой фильтрации изображения;
6) Встроенный контроллер интерфейса с буфером изображения;
7) Модуль поддержки функции «картинка в картинке».

Для контроллеров существует функция компенсации искажений движущего изображения. Также имеют функцию расширения передачи цветовой гаммы за счет использования модуля контроллера и т.д. Некоторые функциональные модули присутствуют не во всех дисплейных контроллерах.

Самостоятельная работа №11
Световое перо: назначение, устройство, работа.

Световое перо — один из инструментов ввода графических данных в компьютер, разновидность манипуляторов. Внешне имеет вид шариковой ручки или карандаша, соединённого проводом с одним из портов ввода-вывода компьютера. Ввод данных с помощью светового пера заключается в прикосновениях или проведении линий пером по поверхности экрана монитора, с использованием кнопок, имеющихся на пере, или без такового.

В наконечнике пера установлен фотоэлемент, в момент прикосновении к поверхности экрана он, регистрирует изменения яркости/свечения экрана в конкретной точке касания. При этом компьютер с помощью соответствующего программного обеспечения производит вычисления указанной пером позиции на ЭЛТ-мониторе. Координаты экрана, куда в этот момент направлен луч, снимаются с видеоадаптера. В идеальном случае перо является частью видеоадаптера, и в нужный момент координаты записываются в специальный регистр, доступный программному обеспечению.

Хоть световое перо работает с любыми ЭЛТ-экранами, в люминофор экранов, изначально предназначенных для работы с ним, вводят компоненты, светящиеся в невидимом (инфракрасном) диапазоне, для повышения надежности работы. Если перо не направлено на экран (или направлено в его нерабочую часть), то положение пера считается неопределенным, что также может быть использовано программой.

Световое перо было распространено во время распространения графических карт стандарта EGA, которые обычно имели разъём для подключения светового пера. Световое перо невозможно использовать с обычными ЖК-мониторами. Для этого нужен специальный экран, который может реагировать на световое перо.

Самостоятельная работа №12
Основные материалы для изготовления подложек пленочных ИМС.

Пленочная интегральная микросхема представляет собой схему, элементы которой образованы совокупностью пленок различных материалов, нанесенных на общее основание (подложку).

На практике широко применяются пленочные микросхемы, состоящие из резисторов, конденсаторов и соединительных проводников. Составные части пленочных микросхем (пленочные эле­менты) получают путем последовательного нанесения на подложку пленок из токопроводящих, магнитных, диэлектрических и других материалов.

Комплекс работ, связанных с определением оптимальных геометрических размеров пленочных элементов микросхемы, их формы, методов соединения, а также последовательности нанесения слоев пленки на подложку, называется топологией.

В зависимости от топологии для изготовления микросхемы ис­пользуются различного рода трафареты, выполняемые с помощью фотолитографии или из медной фольги, никеля, стали и других материалов толщиной 0,07...0,15 мм. Трафареты накладывают на подложку, закрывая ту ее часть, ко­торая не предназначена для напыления.

Пленки по толщине разделяют на толстые (несколько десятков микрон) и тонкие (единицы микрон):
1) Толстые пленки наносят на подложку методом шелкографии, вжигания и электрохимического осаждения. Достоинством толсто­пленочных микросхем является возможность применения для их изготовления простейшей технологии без использования дорого­стоящего оборудования;
2) Тонкие пленки позволяют создавать элементы с параметрами более широкого диапазона, но их производство требует больших затрат на специальное вакуумное оборудование. Нанесение тонких пленок осуществляется путем термического испарения в вакууме, распыления бомбардировкой ионами и химического осаждения.

Наиболее широкое применение при создании тонкопленочных гибридных ИМС находят подложки из ситалла СТ 50-1, стекла С 48-3, «Поликора» и бериллиевой керамики. Промышленностью выпускаются подложки различных типоразмеров. Однако в качестве базовых преимущественно используются подложки размером 100х100 и 50х50 мм из стекла н 48х60 мм из ситалла и керамики. Другие типоразмеры подложек получаются делением сторон базовой подложки на части.