Методические указания. Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые приборы

Физические основы полупроводниковых приборов

[1, c.5-46; 2, c. 46-79; 3, c. 24-40]

 

При изучении данного материала необходимо получить четкие представления о процессе электропроводности в чистых (собственных) и примесных полупроводниках, особенностях кристаллической структуры полупроводника, энергетических уровнях электронов в атоме.

Необходимо разобраться в явлениях электропроводности собственных и примесных полупроводников, знать выражения для дрейфовых и диффузионных составляющих тока в полупроводнике, иметь представления о явлении рекомбинации носителей заряда и их времени жизни, уметь вывести уравнение непрерывности для одномерного случая и дать объяснение его физической сущности. Необходимо уяснить, что электронно-дырочный переход является основой при создании различных полупроводниковых приборов. Уметь объяснить при помощи энергетических и потенциальных диаграмм явления, происходящие в p-n-переходе в равновесном состоянии и при подаче на него напряжения в прямом и обратном направлениях.

Надо знать контактную разность потенциалов в p-n-переходе, емкостные свойства и виды пробоев p-n-перехода, ВАХ p-n-перехода и параметры перехода: R₀ и R_ДИФ.

 

Вопросы для самопроверки

1. Какой полупроводник называется: а) собственным; б) примесным?
2. Примеси какой валентности обеспечивают получение полупроводника: а) n-типа; б) р-типа?
3. Где располагается уровень Ферми у примесных полупроводников: а) n-типа; б) p-типа?
4. Что такое диффузия носителей в полупроводнике?
5. Что такое дрейф носителей в полупроводнике?
6. Чем определяется электропроводность полупроводника: а) n-типа; б) р-типа?
7. Чем определяется величина дрейфового тока в полупроводнике?
8. Что такое равновесная, неравновесная и избыточная концентрация носителей заряда?
9. Что такое рекомбинация носителей заряда в полупроводнике и от чего она зависит?
10. Что такое время жизни неравновесных носителей заряда?
11. Что такое p-n-переход?
12. Чем объясняется изменение толщины p-n-перехода при включении внешнего источника?
13. Почему с ростом прямого напряжения ток через p-n-переход растет по экспоненциальному закону?
14. Чем отличается реальная ВАХ p-n-перехода от теоретической?
15. Какие виды пробоя p-n-перехода существуют?
16. Как зависит напряжение пробоя p-n-перехода от удельного сопротивления полупроводника?
17. Что такое зарядная емкость?
18. Что такое диффузионная емкость?
19. Нарисуйте эквивалентную схему p-n-перехода.

 

Полупроводниковые диоды

[1, c.47-78; 2, c.79-90; 3, c.41-55]

 

В результате изучения материала необходимо ознакомиться с назначением, классификацией и системой обозначений, устройством полупроводниковых диодов. Изучить ВАХ и статистические параметры реальных диодов, обратив особое внимание на электрические и эксплуатационные параметры.

 

Вопросы для самопроверки

1. Дайте классификацию диодов по конструкции, технологии и их применению.
2. Нарисуйте ВАХ германиевого и кремниевого выпрямительных диодов.
3. Параметры выпрямительных диодов.
4. Каковы конструктивные особенности выпрямительных, высокочастотных и сверхвысокочастотных диодов?
5. Параметры импульсных диодов.
6. Какие виды пробоев используются в стабилитронах?
7. Параметры стабилитрона.
8. От чего зависит напряжение стабилизации стабилитрона?
9. Нарисуйте схему включения стабилитрона. На чем основано его стабилизирующее действие?
10. Основные параметры варикапов.
11. При каком смещении перехода используются варикапы?
12. Что такое добротность варикапов? Чем она определяется? Ее физический смысл.
13. Пути повышения добротности варикапов.
14. В чем заключается явление туннельного эффекта? При каких условиях имеет место туннельный механизм прохождения тока через p-n-переход?
15. Параметры туннельного диода.
16. Что такое обращенный туннельный диод?
17. Приведите примеры туннельных диодов.
18. Какие требования предъявляются к конструкции СВЧ-диодов? Перечислите области применения СВЧ-диодов.

 

Биполярные транзисторы

[1, c.79-179; 2, c. 91-112; 3, c. 56-81]

 

При изучении данного материала основное внимание следует уделить физическим процессам, протекающим в транзисторе, а также режимам работы.

Необходимо ознакомиться с классификацией транзисторов по различным признакам и знать систему обозначений в соответствии с ГОСТ. Знать схемы включения транзисторов.

Изучение статических характеристик транзистора при включении с общей базой и с общим эмиттером необходимо производить, хорошо зная принцип работы транзистора.

Знать причины, вызывающие смещение характеристик при изменении температуры.

При изучении транзистора в схеме усилителя необходимо овладеть методикой построения нагрузочных характеристик на семействах входных и выходных характеристик, необходимо знать физический смысл параметров режима усиления.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Дайте классификацию транзисторов.
2. Расскажите об устройстве и принципе действия биполярного транзистора.
3. В какой из областей транзистора концентрация примеси выше: в области базы или в области эмиттера?
4. С какой целью площадь коллекторного перехода обычно делают существенно большей по сравнению с площадью эмиттерного перехода?
5. Назовите три основных режима работы транзистора.
6. Нарисуйте три схемы включения биполярного транзистора. Каковы особенности каждой их этих схем?
7. Нарисуйте семейства входных и выходных характеристик транзистора в схеме с общим эмиттером.
8. Что называется предельной частотой усиления по току?
9. Дайте определение максимальной частоты генерации транзистора. Как она связана с I_гр?
10. Как влияет время рассасывания носителей заряда в базе на частотные свойства транзистора?
11. Чем характеризуется ключевой режим работы транзистора?

 

Полевые транзисторы

[1, c.180-213; 2, c.120-136; 3, c.82-99]

 

В результате изучения данного материала необходимо знать устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом, МДП-транзисторов с индуцированным и встроенным каналами, их характеристики и параметры, уметь определять малосигнальные параметры по статическим характеристикам, иметь четкие представления о влиянии режима работы и температуры на характеристики и параметры полевых транзисторов. Области применения полевых транзисторов.

 

Вопросы для самопроверки

1. В чем состоит различие между МДП-транзистором с индуцированным и встроенным каналами?
2. Почему входное дифференциальное сопротивление полевого транзистора с изолированным затвором больше, чем у полевого транзистора с управляющим p-n-переходом?
3. Какие основные отличия стоковых характеристик МДП-транзистора с индуцированным каналом от аналогичных характеристик со встроенным каналом.

 

4. Что такое режим обеднения и обогащения?

5. Почему уровень шума полевых транзисторов меньше, чем биполярных?

 

Переключающие приборы

[1, c.214-220; 2, c.113-120; 3, c.100-106]

 

При изучении данного материала необходимо знать устройство и принцип действия динисторов, тиристоров, симисторов, их характеристики и параметры, области применения.

 

Вопросы для самопроверки

1. Объясните работу динистора. Нарисуйте ВАХ.

2. Объясните механизм управления процессом переключения в тиристоре.

3. Назовите параметры тиристора.

4. Чем отличается механизм включения тиристора от механизма включения динистора?

5. Симистор, его устройство. Характеристики.

6. Система обозначения и маркировка переключающих приборов.

 

Приборы оптоэлектроники

[1, c.328-351; 2, c.148-200, 3, c.125-150]

 

Изучение этого материала необходимо начать с явлений внутреннего и внешнего фотоэффектов, которые лежат в основе работы всех фотоэлектрических приборов. После этого необходимо изучить принцип работы и параметры фоторезисторов, фотоэлементов, фотодиодов, фототранзисторов.

В последнее время широко начали применяться излучающие полупроводниковые приборы, использующие явления инжекционной электролюминесценции, - люминесцентные индикаторы и светодиоды. Сочетание фотоприемников и излучателей позволило создать новые приборы – оптроны. Необходимо знать устройство и принцип действия простейших разновидностей оптронов.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Назовите основные законы фотоэффекта?
2. На чем основан принцип действия фоторезистора?
3. Назовите параметры фоторезистора.
4. Чем определяется величина темнового тока у фоторезистора?
5. Для чего служит фотоэлемент, и в каких областях науки и техники он применяется?
6. Что такое ЭДС холостого хода и короткого замыкания фотоэлемента?
7. Чем отличается фотодиод от фотоэлемента?
8. Основные параметры фотодиода в фотодиодном и вентильном режимах.
9. Устройство и принцип действия фототранзистора.
10. Характеристики фототранзистора, включенного по схеме с общим эмиттером и плавающей базой.
11. Преимущества фототранзисторов по сравнению с фотодиодами.
12. Какие полупроводниковые приборы относятся к излучательным?
13. Объясните принцип работы светодиода.
14. Что такое оптрон?
15. Назовите простейшие разновидности оптронов. Характеристики и параметры простейших оптронов.

 

Элементы интегральных микросхем

[1, c.367-392; 2, c.136-148; 3, c.153-173]

 

При изучении материала необходимо ознакомиться с принципами построения интегральных микросхем и выяснить особенности активных и пассивных элементов.

Для лучшего усвоения материала необходимо ознакомиться с технологическими процессами, используемыми при изготовлении микросхем (фотолитографии, диффузия, окисление).

Важным звеном при создании микросхем является изоляция элементов интегральных схем, а также изготовление пассивных элементов интегральных схем – диффузионных резисторов и конденсаторов.

Необходимо также ознакомиться с особенностями биполярных интегральных транзисторов, способами получения диодов из транзисторных структур и структурами полевых транзисторов. Приборы с зарядовой связью.

 

Вопросы для самопроверки

1. Охарактеризуйте требования, предъявляемые к современным микросхемам.
2. Технологические этапы изготовления интегральной схемы.
3. Способы изоляции элементов полупроводниковой интегральной схемы.
4. Какими методами создаются пленочные элементы интегральных схем?
5. Какие навесные элементы используются в гибридных интегральных схемах?
6. Принцип работы приборов с зарядовой связью.
7. Области применения ПЗС.