Белорусский Государственный Университет Факультет Радиофизики и Электроники Физика полупроводниковых приборов Цель курса: изучение принципов работы классических полупроводниковых приборов. Полупроводниковые приборы – общее название разнообразных приборов действие которых основано на свойствах полупроводников однородных и неоднородных, содержащих p-n переходы и гетеропереходы. Литература • 1. Пасынков В. В. , Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. – С-П. 91 г. 470 с. • 2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов – М. 84 г. • 3. Степаненко И. П. Основы микроэлектроники – М. 80 г. 250 с. • 4. Викулин И. М. , Стафеев В. И. Физика полупроводниковых приборов – М. 80 г. • 5. Батушев В. А. Электронные приборы – М. 80 г. • 6. 10. 128. 3. 1 Минск , БГУ - 2009
История развития электроники Ламповая электроника Печатные платы 2 стр.
История развития электроники 3 -D модуль Интегральные схемы 3 стр.
История развития электроники 4 стр.
История развития электроники Первая интегральная схема, 1961 Первый в мире однокристальным микропроцессор Intel 4004, 1971 5 стр.
История развития электроники Путь от ЭЛЕКТРОНИКИ к МИКРОЭЛЕКТРОНИКЕ и НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ Первый транзистор 1947 Интегральная схема 1959 Процессор Закон Мура Год выпуска Кол-во транзисторов 4004 1971 8008 1972 8080 1974 8086 1978 286 1982 386 1985 486 DX 1989 Pentium 1993 Pentium II 1997 Pentium III 1999 Pentium 4 2000 Core Duo 2006 2, 250 2, 500 5, 000 29, 000 120, 000 275, 000 1, 180, 000 3, 100, 000 7, 500, 000 24, 000 42, 000 151, 600, 000 6 стр.
История развития электроники 7 стр.
История развития электроники 8 стр.
История развития электроники Эквивалентные схемы 9 стр.
История развития электроники МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ • основные - к ним относят полупроводниковые и диэлектрические материалы в виде слитков, пластин и подложек (полированных пластин); • технологические, применяемые в технологических процессах изготовления полупроводниковых изделий. Это - абразивные материалы и химические реагенты (кислоты, органические растворители и т. п. ), используемые при изготовлении подложек; материалы для создания защитных покрытий; материалы для нанесения методами фотолитографии на поверхность полупроводниковой подложки рельефа нужной глубины и конфигурации; легирующие материалы, контактные металлы и сплавы, припои и др. ; • конструкционные, входящие непосредственно в полупроводниковое изделие. Это - металлы и сплавы, стекла, керамика, пластмассы, клеи и т. п. для корпусов; • металлы и сплавы для токоподводящих элементов, контактов и резисторов; лаки, эмали, компаунды и т. п. для защитных покрытий и др. ; • вспомогательные - газы, предназначенные для создания защитных газовых сред, в которых проводят многие технологические операции (водород, аргон, гелий, азот и т. п. ); чистая вода для приготовления химических реагентов и отмывки полуфабрикатов и изделий; материалы для изготовления технологических приспособлений и оснастки (лодочек, кассет, травильной и отмывочной аппаратуры и т. п. ) и др. 10 стр.
История развития электроники Материалы полупроводниковой техники Вещество Eg, э. В Тип зоны Подвижность, см 2/В с e p Si 1. 12 непрямозонный 1400 500 Ge 0. 66 непрямозонный 3900 1900 Ga. As 1. 41 прямозонный 9500 450 In. P 1. 35 прямозонный 4600 150 Основные соотношения из физики полупроводников 11 стр.
История развития электроники 12 стр.
Полупроводниковые приборы на основе однородного полупроводника Внешнее воздействие Свет Свойство Название прибора Пропускание света выше определённой частоты Генерация носителей заряда под действием света оптический фильтр Электронный пучок Генерация носителей под действием электронов п/п лазер с накачкой электронным пучком Электрическое поле E Электропроводность п/п G: ток I=GE Ганна эффект резистор генератор Ганна п/п лазер с оптической накачкой Свет частоты ω, Е Внутренний фотоэффект – фотопроводимость I=G(ћω)E фотосопротивление Электрическое поле Е, магнитное поле Н сопротивление, управляемое магнитным полем датчик Холла Магниторезистивный эффект (магнитосопротивление) Холла эффект VH=f(E, H) Электрическое поле Е, температура Т Зависимость электропроводности п/п от Т I=G(T)E Термистор (терморезистор) Электрическое поле Е, давление Р Тензорезистивный эффект тензодатчик 13 стр.
П/п приборы с одним p-n переходом, гетеропереходом или переходом металл-п/проводник Внешнее воздействие Используемое явление Название прибора Свет Вентильная фото. ЭДС Е Вольт-амперная характеристика p-n перехода Зависимость сопротивления p-n перехода от приложенного напряжения Зависимость ёмкости p-n перехода от приложенного напряжения Излучательная рекомбинация электронов и дырок в области гомоили гетеро- p-n перехода (спонтанная) N-образная ВАХ сильно легированного (с двух сторон) p-n перехода (вырождение) п/п фотоэлемент, солнечная батарея п/п диод – выпрямитель Излучательная рекомбинация (вынужденная) в области гомо- или чаще гетеро- p-n переходов Резкое возрастание тока через p-n переход из-за лавинного пробоя и туннелирования Варистор (переменное сопротивление) Варикап (переменная ёмкость) Светоизлучающий диод (электролюминесцентный диод) Туннельный диод (усиление и генерирование электрических колебаний с частотами 10 ГГц) Инжекционный лазер Стабилизатор напряжения 1 стр.
П/п приборы с одним p-n переходом, гетеропереходом или переходом металл-п/проводник (продолжение) Внешнее воздействие Используемое явление Название прибора Е Генерация колебаний СВЧ, связанная с лавинным умножением и задержкой на время пролёта ВАХ контакта металл-п/п (Шотки барьер) Генерация электронно-дырочных пар частицей, влетающей в обеднённый носителями слой вблизи контакта п/пметалл или вблизи p-n перехода Зеебека эффект – возникновение ЭДС в электрической цепи, состоящей из последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми имеют различные температуры ε=α(Т 1 -Т 2) Пельтье эффект – выделение или поглощение теплоты при прохождении электрического тока I через контакт двух различных проводников Q=ПI Генерация электронов и дырок в области p-n перехода под действием света Лавинно-пролётный диод Т Е, Т Свет, Е Диод Шотки, диод Мотта, точечный диод п/п детектор частиц Термопара, термогенератор Холодильник Пельтье Фотодиод (детектор света) 2 стр.
Многопереходные п/п приборы Внешнее воздействие Название Особенности Число электродов Е 1 или Е 2 Биполярный транзистор Взаимосвязанные p-n- и n-pпереходы 3 Е Диодный тиристор 4 -х-слойная структура p-n-p-n 2 Триодный тиристор p-n-p-n структура с одним управляющим электродом 3 Полевой транзистор с p-n переходом Униполярный транзистор с затвором в виде p-n перехода М-Д-П – диод Диоды с МДП - структурой (переменная ёмкость, светодиоды, приёмники света) 2 3 М-Д-П – транзистор (М-Д-П - триод) М-Д-П - структура 3 стр.
Электронно – дырочный переход Электронно-дырочный переход – это область полупроводника, переходной слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью , и существующим диффузионным электрическим полем. Чистый полупроводник Ec E 1/2=EF ∆E<3 э. В Ev Si ~ 1, 12 э. В Ge ~ 0, 66 э. В 4 стр.
Электронно – дырочный переход Ec n-тип En E 1/2 ~0, 01 э. В <k. Tкомн Ev Ec p-тип E 1/2 Ep Ev ~0, 01 э. В <k. Tкомн 5 стр.
Электронно – дырочный переход МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТОД СПЛАВЛЕНИЯ МЕТОД ДИФФУЗИИ ЭПИТАКСИАЛЬНЫЙ МЕТОД 6 стр.
металлургический контакт n p Eдиф + + + δ - δ n p δ eφk ΔE 1= ΔE 2 -En -Ep ΔE 1= ΔE 2 EF 7 стр.
N nn 0 pp 0 pn 0 np 0 -δn δp x рис. 1 ρ + -δn - x δp рис. 2 E eφk/2 f-? -δn рис. 3 δp x -eφk/2 8 стр.
Контактные процессы в состоянии термодинамического равновесия 9 стр.
Высота потенциального барьера и контактная разность потенциала 10 стр.
Выводы: При одних и тех же концентрациях примесей высота потенциального барьера больше в p-n переходах, созданных в полупроводниках с большой шириной запрещённой зоны. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается. 11 стр.
Токи через p-n переход p U n Eвн Eдиф n 12 стр.
Токи через p-n переход Прямое включение U>0 Обратное включение U<0 13 стр.
Концентрация неосновных носителей заряда
Большие прямые токи Большие обратные токи pn, гр=pp max np, гр=nn max контактная разность потенциалов обратные токи малые токи прямые токи 2 стр.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ПОТЕНЦИАЛА уравнение Пуассона (1) Одномерная система. Влиянием подвижных носителей заряда пренебрежём. Случай малых токов и малых напряжений. (3) (2) Граничные условия: 1) X=-δp φp=0 2) dφ/dx=0 (4) 3) X=δn φn=φкон-U 3 стр.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ПОТЕНЦИАЛА Граничные условия: (5) (6) Напряженность (7) (9) (8) (10) 4 стр.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЁННОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ И ПОТЕНЦИАЛА Потенциал (11) (12) (13) (14) (15) N(x)-? ? ? 5 стр.
ДИФФУЗНЫЕ И СПЛАВНЫЕ P/N ПЕРЕХОДЫ диффузия доноров n p Концентрация доноров после диффузии X 0 –глубина залегания p -n перехода x 0 p-n переходы: Плавные Резкие Симметричные Несимметричные N(x)-? ? ? 6 стр.
СЛУЧАЙ РЕЗКОГО P-N ПЕРЕХОДА Напряженность (16) (17) Потенциал (18) p и n-? ? ? (19) 7 стр.
СЛУЧАЙ РЕЗКОГО P-N ПЕРЕХОДА p и n-? ? ? (20) (21) (23) (24) (22) 8 стр.
СЛУЧАЙ РЕЗКОГО P-N ПЕРЕХОДА (25) (26) (27) (28) (29) 9 стр.
ПЛАВНЫЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (30) (31) (32) p и n-? ? ? Граничные условия! (33) (34) (35) (36) 10 стр.
Барьерная ёмкость p-n перехода приложении к переходу изменяющегося во времени напряжения (1) Jсм - ток смещения теорема Остроградского-Гаусса (2) (3) (4) 37
Барьерная ёмкость p-n перехода (5) Объемный заряд (6) (7) (8) 38
Барьерная ёмкость p-n перехода (6) (9) (10) 39
Барьерная ёмкость p-n перехода (11) (12) (13) (14) Формула обычного плоского конденсатора 40
Барьерная ёмкость p-n перехода Резкий pn переход (15) Резкий несимметричный pn переход (16) Плавный - линейный pn переход (17) 41
Барьерная ёмкость p-n перехода Вольт-фарадные характеристики резкий переход Вольт-Фарадная характеристика является прямой в координатах 1/С 2 от U плавный переход Вольт-Фарадная характеристика является прямой в координатах 1/С 3 от U Можно определить контактную разность потенциалов 42
Гетеропереходы p. Si - n. Si p. Ge - n. Ga. As Гетеропереходом называется переходной слой с существующим диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками или переходы металл-полупроводник. 1) p-n переход 2) n-n+ переход 3) p-p+ переход 4) переход Шотки Возникающие различия: - работа выхода электронов - ширина запрещенной зоны - ширина разрешенной зоны 43
Гетеропереходы совпадение типа, ориентации и периода кристаллической решетки Ge, Si арсенид галлия Ga. As, температурный коэффициент расширения In. Ga. As. P фосфид индия In. P, Энергетические диаграммы Ø Общий уровень Ферми. Ø Энергетические уровни и зоны изгибаются. Ø Энергетический уровень потолка верхней свободной зоны непрерывен. Ø Энергетический уровень дна зоны проводимости и потолка валентной зоны испытывают разрыв. 44
Гетеропереходы 45
Гетеропереходы Электронное сродство в пределах одного сорта полупроводника χGe и χGa. As постоянно величина "пичка" дна зоны проводимости величина "разрыва" валентной зоны 46
Гетеропереходы (1) Переходы Шотки (2) Ø огромная концентрация носителей заряда у металлов Ø переход Шотки сосредоточен в основном в полупроводнике Ø наличие обедненного или инверсного слоя – говорит о выпрямляющих свойствах Ø различная высота потенциального барьера для дырок и электронов. Ø отсутствие инжекции неосновных носителей заряда. 47
Гетеропереходы Переходы металл – p полупроводник АМ Ап/п ПБе E 0 E F Ап/п>AМ Обедненный слой 48
Гетеропереходы Переходы металл – p полупроводник Ап/п АМ E 0 EF Инверсный слой Ап/п>>AМ Обедненный слой 49
Гетеропереходы Переход металл – n полупроводник Ап/п АМ EF E 0 Ап/п>AМ Обогащенный слой 50
Полупроводниковые диоды КД 215 А Назначение прибора Г или 1 – германий К или 2 – кремний А или 3 – соединения галлия (арсенид галлия); И или 4 – соединения индия Д - диоды выпрямительные, импульсные, диодные преобразователи (магнитодиоды, термодиоды и др. ), Ц - выпрямительные столбы и блоки, В - варикапы, И - диоды туннельные и обращенные, А - диоды сверхвысокочастотные, Ж - стабилизаторы тока, С - стабилизаторы напряжения (стабилитроны, стабисторы, ограничители напряжения), Г - генераторы шума, Л - излучающие оптоэлектронные приборы, О - оптопары, Н - диодные тиристоры, У - триодные тиристоры. 51
Полупроводниковые диоды прибор с одним выпрямляющим переходом и двумя электрическими выводами Сравним линейных размеров выпрямляющего электрического перехода и А – толщина базы В – диффузионная длинна неосновных носителей заряда Плоскостной диод: размер выпрямляющего контакта >> (А, В) Точечный диод: размер выпрямляющего контакта << (А, В) виды полупроводниковых диодов: выпрямительные, смесительные, детекторные, переключательные, стабилитроны, шумовые, лавинно-пролетные, варикапы, туннельные и т. д. 52
Полупроводниковые диоды (1) (2) (3) 53
Полупроводниковые диоды (4) (3) (5) Si Ge 54
Полупроводниковые диоды T>T Eg>Eg N>N 55
Полупроводниковые диоды Большие прямые токи (6) Ge Uпор=0. 3 В Si Uпор=0, 7 В 56
Полупроводниковые диоды Обратное включение (7) (8) Si диоды 57
Полупроводниковые диоды Тепловой ток (9) (10) (11) 58
Полупроводниковые диоды Генерация и рекомбинация в pn переходе (12) (13) (14) Ge ~ 0, 1 Si ~ 1000 (15) (16) 59 При малых U
Полупроводниковые диоды Выводы - Генерация и рекомбинация… ØПроцесс генерации носителей в P-N переходе следует учитывать для диодов, изготовленных из п/п с большой шириной Eg, т. е. с малой концентрацией носителей. В Si диодах обратный ток определяется током генерации. В Ge – током насыщения. ØС увеличением обратного напряжения плотность тока генерации растет с увеличением толщины P-N перехода. Поэтому в диодах с преобладающим током генерации нет участка постоянного тока на обратной ветви ВАХ. Допустимое обратное напряжение Uобр мах Si 1000 -1500 В, Ge 100 -400 В. Ø При росте T роль тока генерации уменьшается. При росте T оба тока растут и при 100 С ток генерации меньше тока насыщения. Ge – допустимый интервал T : - 60 С до 70 С, Si – допустимый интервал T : - 60 С до 150 С. ØПри увеличении концентрации примесей роль тока генерации увеличивается. ØПрямой ток при малых прямых напряжениях определяется рекомбинационным током
Выпрямительные диоды Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. напряжение в цепи превосходит максимально выпрямленный ток больше максимально допустимое обратное напряжение диода допустимого прямого тока диода Rш1 несколько сот к. Ом Rд от единиц до десятков Ом
Однополупериодный выпрямитель малый КПД
Выпрямительные диоды ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ – если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки
двухполупериодный выпрямитель – Диодный Мостик
Переходные процессы в диодах при быстром изменении напряжения или тока через диод Время переключения зависит от: ØНакопления неосновных носителей заряда в базе диода при прямом включении диода и их растекания при уменьшении напряжения. Существенно при больших плотностях прямого тока. ØПерезарядки барьерной ёмкости. Существенно при малых плотностях тока. Рассмотрим диод типа p+-n при изменении напряжения
Переходные процессы в диодах A B C D E A E B C D A B E D C E
Переходные процессы в диодах Концентрация неосновных носителей в базе диода p C 1 p C 2 B 3 B 2 B 1 C 3 p 0 D E x Обратное включение p 0 A x Прямое включение
Импульсные диоды п/п диод, имеющий малую длительность переходных процессов и предназначенный для применения в импульсных режимах работы. Основной паспортный параметр время восстановления обратного сопротивления 500 150 - 30 - 5 -30 500 150 1 -5 <1 68
Импульсные диоды Точечные диоды 1 2 3 4 - электрические выводы; - стеклянный баллон; - кристалл германия; - электрод из тонкой проволоки 69
Импульсные диоды Точечные диоды (1) (2) a<<b ( a ~ 5 -20 мкм, b ~ 200 мкм ) Si, As. Ga (3) эффективные центры 70 рекомбинации (Au, Cu, Ni )
Диоды Шотки п/п диод, выпрямительные свойства которого основаны на использовании выпрямляющего перехода между металлом и п/п исключить инжекцию неосновных носителей заряда • Гетеропереход в виде контакта п/п с различной шириной запрещённой зоны. • Использование эффекта туннелирования. • Инвертирование диодов. • Использование выпрямляющего перехода Шотки. 71
Диоды Шотки §Выпрямительные §Импульсные §Сверхвысокочастотные (1) Двухслойная база 72
Диоды Шотки §при выпрямлении больших токов высокой частоты лучшие частотные свойства §выдерживают большие перегрузки по току §большая плотность прямого тока §меньшее прямое напряжение (2) (3) 73
Стабилитрон полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения Пробой выпрямляющего перехода – это явление резкого увеличения дифференциальной проводимости выпрямляющего перехода при достижении обратным напряжением критического значения. • Лавинный • Туннельный • Тепловой пробой 74
• Лавинный пробой Стабилитрон пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля Vобр V’проб Vпроб (1) Si: p+-n 96ρ0. 78 n+-p 48ρ0. 78 Ge: p+-n 100ρ0. 8 n+-p 55ρ0. 8 T’>T T Iобр 75
• Туннельный пробой Стабилитрон пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещенную зону п/п без изменения их энергии Vпр V V’ обр пр 8*105 В/см - Si 3*105 В/см - Ge (2) Si: 200ρn + 73ρp Ge: 190ρn + 94ρp T T’>T Iобр 76
• Тепловой пробой Стабилитрон пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем переходе теплоты вследствии протекания тока через переход Uобр Uпроб U’проб (1) Iнас I’нас (2) T T’>T (3) Iобр 77
• Тепловой пробой (4) Стабилитрон 2, 19 Вт/см К - Si 0, 55 Вт/см К - Ge (5) (6) (7) 78
Стабилитрон Uпроб • Лавинный • Туннельный Uпроб Imin I ρ, удельное сопротивление Imax базы диода Uпроб= 3 -400 В 79
Стабилитрон (8) 0. 1 a, -1 K 6 (9) 100 50 10 -0. 1 Rст, Ом 20 Uст, В (10) 6 Uст, В 10 20 0, 1 - 50 Вт 80
Лавинно-пролетный диод полупроводниковый диод, работающий в режиме лавинного размножения носителей заряда при обратном смещении электрического перехода и предназначен для генерации сверхвысокочастотных колебаний. p+ – n+ E U>Uпроб Eпроб x 81
I Лавинно-пролетный диод UA U A IA U p+ – n+ UA I Rdiff<0 t T/2 Iн СВЧ колебания T/4 t 82
Туннельный диод полупроводниковый диод, на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ при прямом напряжений участке отрицательной дифференциальной проводимости I As. Ga, Ge 1018 -1020 см-3 Iп B C A IB ~ 10 -2 мкм Uп UB Up 83
p Туннельный диод n p n EF EF n p E F EF A B C 84
Туннельный диод Iпр/Iп Ge Ga. Sb Ga. As 100 50 0. 2 0. 4 0. 6 U 85
Туннельный диод I Iп= 0, 1 – 100 m. A In/IB ≥ 10 As. Ga ≈ 3 … 6 Ge Uп As. Ga 100 -150 m. B Ge 40 -60 m. B Uв As. Ga 400 -500 m. B Ge 250 -350 m. B Iп d. I/d. U=0 B C IB Uп UB Up 86
Эквивалентная схема R Туннельный диод R(-) L Cбар (1) (2) 87
Эквивалентная схема (3) Туннельный диод (4) (5) (7) (6) (8) 88
Эквивалентная схема Туннельный диод (9) (10) (11) (12) (13) 89
Схема усилителя Туннельный диод T= 4, 7 – 500 К (14) 90
Варикап полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью p+ – n+ C= 1 – 100 п. Ф N(x) (1) t~ 10 -13 c x 91
Варикап Эквивалентная схема Cбар Rб Rpn (2) (4) lg Q (3) (5) lg ω 92
Шумовой диод полупроводниковый диод, являющийся источником шума с заданной спектральной плотностью в определенном диапазоне частот 10 мк. А – 1 м. А Средний температурный коэффициент спектральной плотности шума – отношение изменения спектральной плотности шума в заданном диапазоне рабочих температур к изменению температуры при постоянном токе (1) 93
Обращенный диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. I, m. A ВАХ туннельного диода Ga. Sb Ge 2 1 -0. 1 U, B 0. 1 0. 2 0. 3 -1 -2 -3 ВАХ выпрямительного диода 94
Биполярный транзистор Прибор с двумя взаимодействующими электрическими переходами и тремя и более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлением инжекции и экстракции неосновных носителей заряда 95
Биполярный транзистор Б База - область транзистора расположенная между PN переходами. Э Эмиттер - область транзистора, назначением которой является инжекция носителей в базу, соответственный PN переход – эмиттерный. К Коллектор - область транзистора, назначением которой является экстракция носителей из базы, соответственный PN переход – коллекторный.
Б Биполярный транзистор Дрейфовый - Бездрейфовый (1) (2) (3)
Биполярный транзистор 3 режима работы транзистора Режим отсечки 5, 7 6, 8 эк Режим насыщения 1, 3 2, 4 эк Активный режим 1, 3 2, 4 эк 98
Биполярный транзистор 3 схемы включения транзистора С общим эмитером С общей базой С общим коллектором Iк ≈ Iэ Iб = Iэ – Iк 99
Биполярный транзистор (5) 1 U 1 = f(I 1 , I 2) U 2 = f(I 1 , I 2) 2 3 U 1 = f(I 1 , U 2) I 2 = f(I 1 , U 2) 4 I 1 = f(U 1 , I 2) U 2 = f(U 1 , I 2) 5 I 1 = f(I 2 , U 2) U 1 = f(I 2 , U 2) 6 I 2 = f(I 1 , U 1) U 2 = f(I 1 , U 1) Zij Hij Yij I 1 = f(U 1 , U 2) I 2 = f(U 1 , U 2) 100
Биполярный транзистор Uэб Режим насыщения Uкб = 0 Входные характеристики U кб ≠ 0 Активный режим Режим отсечки Iэ Выходные характеристики 101
Биполярный транзистор Характеристики передачи тока (6) Характеристики обратной связи 102
Эквивалентная схема Биполярный транзистор a. IЭ RЭ CЭ RК CК RБ CБ
Эквивалентная схема Биполярный транзистор (7) (8) (9) (11) (10) (13) (12) (14)
Частотные характеристики Биполярный транзистор Цепь эммитера CЭ (15) бар RЭ CЭ Д (16) rэ. Сэдиф ≈ tпрол (17) (18)
Частотные характеристики Биполярный транзистор Цепь базы 0, 22 (19) mn 0, 6 -0, 9 (20) (22) (21) (23)
Частотные характеристики Биполярный транзистор Цепь коллектора
Тиристоры полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три или более выпрямляющих перехода, который может переключаться из открытого состояния в закрытое и наоборот Диодный тиристор – Динистор – тиристор, имеющий два электрических вывода
Тиристоры
Тиристоры (1) (3) (4) P: k=3 N: k=5 (5) (2)
Тиристоры (6) (7) (8) (9)
Тиристоры
Тиристоры Триодный тиристор - Тринистор – тиристор имеющий два основных и один управляющий вывод
Тиристоры Симметричный тиристор - Семистор – имеет пятислойную структуру и содержит 4 pn перехода.
Тиристоры Запираемые тиристоры Выпрямитель
Полевой транзистор полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем
Полевой транзистор (1)
Полевой транзистор (1) (2) (3)
Полевой транзистор (4) (5) (6)
Полевой транзистор (7) (8) (10) (9) (11) (12) (13) 0, 5 -3, 5 В
Полевой транзистор (14) (15) (16) (17) (18)
Полевой транзистор (19) (20) (21) (22) (23)
Прибор с зарядовой связью
Прибор с зарядовой связью 124
Прибор с зарядовой связью CMOS – Complementary metal–oxide–semiconductor КМОП – комплементарный металлоксид-полупроводник CCD – charge-coupled device ПЗС – прибор с зарядовой связью
Прибор с зарядовой связью полупроводниковый прибор имеющий большое число близкорасположенных и изолированных от подложки затворов под которыми может происходить перенос к стоку информационных пакетов неосновных носителей заряда (1)
Прибор с зарядовой связью CCD - sensors
Прибор с зарядовой связью CCD - sensors 1 — Фотоны света 2 — Микролинза 3 — R — красный светофильтр 4 — Прозрачный электрод 5 — Si. O 6 — Зона внутреннего фотоэффекта 7 — Зона потенциальной ямы 8 — Кремниевая подложка p-типа
Прибор с зарядовой связью CMOS - sensors
Прибор с зарядовой связью CMOS - sensors Эквивалентная схема ячейки КМОПматрицы: 1 — светочувствительный диод 2 — затвор 3 — конденсатор, сохраняющий заряд с диода 4 — усилитель 5 — шина выбора строки 6 — вертикальная шина, передающая сигнал процессору 7 — сигнал сброса
Прибор с зарядовой связью • Преимущества CMOS матриц: 1. Высокое быстродействие. 2. Низкое энергопотребление. 3. Дешевле и проще в производстве. 4. Перспективность технологии. • Преимущества CCD матриц: 1. Низкий уровень шумов. 2. Высокий коэффициент заполнения пикселов. 3. Высокая эффективность. 4. Высокий динамический диапазон. 131
МИКРОМЕХАНИКА современные механические устройства называются MEMS - microelectromechanical systems, т. е. МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ микромашины, изготовленные в Sandia Labs. фрагмент храпового механизма пятислойная технология изготовления ВЫРАЩИВАЮТ слой за слоем на кремниевой подложке, применяя технологии осаждения слоев поликремния и двуокиси кремния, фотолитографии, травления и планаризации 132 Толщина слоев- 1 -2 микрона
МИКРОМЕХАНИКА ТЕХНОЛОГИИ MEMS ФОТОЛИТОГРАФИЯ 1 Добавление нитрида 2 Добавление поликремния 3 Формирование маски фоторизиста с использованием литографии 4 Удаление лишних участков поликремния используя ионного травления 5 Осаждение первого слоя оксида 133
МИКРОМЕХАНИКА ТЕХНОЛОГИИ MEMS ФОТОЛИТОГРАФИЯ 6 Формирование элементов (углублений) с помощью литографии 7 Формирование элементов (анкеров) с помощью литографи 8 Нанесение слоя не легированного поликристаллического кремния. 9 Формирование элементов через маску 4 -го уровня (поликремний) с использованием литографии.
10 Осаждение второго слоя оксида ТЕХНОЛОГИИ MEMS ФОТОЛИТОГРАФИЯ 11 Формировани элементов с помощью маски 5 -го уровня с использованием литогра 12 Формирование элементов с помощью маски 6 -го уровня. 13 Осаждение нелигированного поликристаллического кремния. 135
МИКРОМЕХАНИКА ТЕХНОЛОГИИ MEMS 14 Формирование элементов с помощью маски 7 -го уровня. 15 Формирование элементов с помощью маски 8 -го уровня. 16 Освобождение готовой структуры.
СЕНСОРЫ МИКРОМЕХАНИКА Вверху - излучения нет, внизу - датчик реагирует, 137 изменяя ёмкость конденсатора
МИКРОМЕХАНИКА Встроенные микрокулеры Микрожидкостный кулер на кремниевой основе состоит из ряда микроканалов, заполненных водой, диаметром около 100 микрон. Каналы опутаны сложной системой электродов, одни из которых ионизируют водуохладитель, а вторые - создают электромагнитное пульсирующее поле, заставляющее ионизированную воду циркулировать внутри 138 каналов
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ТЕЛЕФОНЫ МИКРОМЕХАНИКА Микроскопическая мембрана. Под воздействием звуковых волн полимер с вмонтированными проводниками совершает колебания, возникающий в проводниках сигнал подается на 139 устройство цифровой обработки, входящее в состав микросхемы
МИКРОМЕХАНИКА самосборка Самозакручивающиеся индукционные катушки Выполненные из хромомолибденовой плёнки, катушки сами сворачиваются, образуя витки, ось которых параллельна поверности подложки. Они могут служить соленоидами или высококачественными индукторами 140 для радиоустройств
ОДНОЭЛЕКТРОНИКА 141
ОДНОЭЛЕКТРОНИКА одноэлектроника — области наноэлектроники, в которой перенос заряда осуществляется считанным количеством электронов 142
ОДНОЭЛЕКТРОНИКА времена туннелирования электрона малы, то теоретический предел быстродействия одноэлектронных приборов высок работа, необходимая для перемещения одного электрона мала, энергопотребление однозлектронных схем - мало теоретический предел быстродействия - сотни ТГц энергопотребление - 3 10 -8 Вт НАЧАЛЬНЫЙ ЗАРЯД Q 0 НА ТУННЕЛЬНОМ ПЕРЕХОДЕ МОЖЕТ БЫТЬ ОТЛИЧЕН ОТ 0, И МОЖЕТ ПРИНИМАТЬ ЗНАЧЕНИЯ, НЕ КРАТНЫЕ ЦЕЛОМУ ЧИСЛУ ЭЛЕКТРОНОВ. начальный заряд может быть создан поляризацией близлежащих электродов, заряженных примесей и, иметь любое значение энергия системы минимальная величина изменения энергии
ОДНОЭЛЕКТРОНИКА Заряд одного электрона е накапливается при токе I за время t: е = It затем электрон туннелирует ОСЦИЛЛЯЦИИ ТОКА 144
Скачать презентацию Белорусский Государственный Университет Факультет Радиофизики и Электроники Физика
Лекции демона.pptx