Тема: «Полупроводниковые приборы».Министерство образования и науки Российской Федерации Министерство общего и профессионального образования Ростовской области
РЕФЕРАТ По дисциплине: «МДК 01.01» Тема: «Полупроводниковые приборы».
Преподаватель: Макашина Татьяна Михайловна Студент: Ткач Вадим Специальность: Радиоэлектроника Курс: 2 Группа: Т-24 Форма обучения: дневная
г. Батайск 2015 г. Полупроводниковые приборы Это электронные приборы, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках. В электронике П. п. служат для преобразования различных сигналов, в энергетике - для непосредственного преобразования одних видов энергии в другие. Известно много разнообразных способов классификации П. п., например по назначению и принципу действия, по типу материала, конструкции и технологии, по области применения. Однако к основным классам П. п. относят следующие: электропреобразовательные приборы, преобразующие одни электрические величины в др. электрические величины (полупроводниковый диод, транзистор, тиристор); оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (оптрон, фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, фототиристор. полупроводниковый лазер, светоизлучающий диод, твердотельный преобразователь изображения - аналог видикона и т.п.); термоэлектрические приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот (термоэлемент, термоэлектрический генератор, солнечная батарея, термистор и т.п.); магнитоэлектрич. приборы (датчик, использующий Холла эффект, и т.п.); пьезоэлектрический и тензометрический приборы, которые реагируют на давление или механическое смещение. К отдельному классу П. п. следует отнести интегральные схемы, которые могут быть электропреобразующими, оптоэлектронными и т.д. либо смешанными, сочетающими самые различные эффекты в одном приборе. Электропреобразовательные П. п. - наиболее широкий класс приборов, предназначенных для преобразования (по роду тока, частоте и т.д.), усиления и генерирования электрических колебаний в диапазоне частот от долей гц до 100 Ггц и более; их рабочие мощности находятся в пределах от < 10-12 вт до нескольких сотен вт, напряжения - от долей в до нескольких тыс. в и ток - от нескольких на до нескольких тыс. а. В зависимости от применяемого полупроводникового материала различают германиевые, кремниевые и др.П. п. По конструктивным и технологическим признакам П. п. разделяют на точечные и плоскостные; последние, в свою очередь, делят на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные (наиболее распространены, см. Планарная технология), эпипланарные и др. В соответствии с областью применения различают высокочастотные, высоковольтные, импульсные и др.П. п. П. п. выпускают в металлостеклянных, металлокерамических или пластмассовых корпусах, защищающих приборы от внешних воздействий; для использования в гибридных интегральных схемах выпускаются т. н. бескорпусные П. п. (см. Микроэлектроника). Номенклатура П. п., выпускаемых во всех странах, насчитывает около 100 000 типов приборов различного назначения.
Рис.1. Полупроводниковый диод с р-n - переходом (структурная схема)
Рис.2. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода с р-n – переходом Полупроводниковый диод Полупроводниковый диод,двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие "П. д." объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение. Система классификации П. д. соответствует общей системе классификации полупроводниковых приборов. В наиболее распространённом классе электропреобразовательных П. д. различают: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, диоды СВЧ (в т. ч. видеодетекторы, смесительные, параметрические, усилительные и генераторные, умножительные, переключательные). Среди оптоэлектронных П. д. выделяют фотодиоды, светоизлучающие диоды и ПП квантовые генераторы. Наиболее многочисленны П. д., действие которых основано на использовании свойств электронно-дырочного перехода (р-n-перехода). Если к р-n-переходу диода (рис.1) приложить напряжение в прямом направлении (т. н. прямое смещение), т.е. подать на его р-область положительный потенциал, то потенциальный барьер, соответствующий переходу, понижается и начинается интенсивная инжекция дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область - течёт большой прямой ток (рис.2). Если приложить напряжение в обратном направлении (обратное смещение), то потенциальный барьер повышается и через р-n-переход протекает лишь очень малый ток неосновных носителей заряда (обратный ток). На рис.3 приведена эквивалентная схема такого П. д. На резкой несимметричности вольтамперной характеристики (ВАХ) основана работа выпрямительных (силовых) диодов. Для выпрямительных устройств и др. сильноточных электрических цепей выпускаются выпрямительные П. д., имеющие допустимый выпрямленный ток Iв до 300 а и максимальное допустимое обратное напряжение U*обр от 20-30 в до 1-2 кв.П. д. аналогичного применения для слаботочных цепей имеют Iв < 0,1 а и называются универсальными. При напряжениях, превышающих U*o6p, ток резко возрастает, и возникает необратимый (тепловой) пробой р-n-перехода, приводящий к выходу П. д. из строя. С целью повышения U*обр до нескольких десятков кв используют выпрямительные столбы, в которых несколько одинаковых выпрямительных П. д. соединены последовательно и смонтированы в общем пластмассовом корпусе. Инерционность выпрямительных диодов, обусловленная тем, что время жизни инжектированных дырок (см. Полупроводники) составляет > 10-5-10-4 сек, ограничивает частотный предел их применения (обычно областью частот 50-2000 гц). Использование специальных технологических приёмов (главным образом легирование германия и кремния золотом) позволило снизить время переключения до 10-7-10-10 сек и создать быстродействующие импульсные П. д., используемые, наряду с диодными матрицами, главным образом в слаботочных сигнальных цепях ЭВМ.
Рис.3. Полупроводниковый диода с р-n – переходом
Рис.4. Вольтамперные характеристики туннельного и обращенного диодов При невысоких пробивных напряжениях обычно развивается не тепловой, а обратимый лавинный пробой р-n-перехода - резкое нарастание тока при почти неизменном напряжении, называется напряжением стабилизации Ucт. На использовании такого пробоя основана работа полупроводниковых стабилитронов. Стабилитроны общего назначения с Ucт от 3-5 в до 100-150 в применяют главным образом в стабилизаторах и ограничителях постоянного и импульсного напряжения; прецизионные стабилитроны, у которых встраиванием компенсирующих элементов достигается исключительно высокая температурная стабильность Ucт (до 1Ч10-5 - 5Ч10-6 К-1), - в качестве источников эталонного и опорного напряжений. В предпробойной области обратный ток диода подвержен очень значительным флуктуациям; это свойство р-n-перехода используют для создания генераторов шума. Инерционность развития лавинного пробоя в р-n-переходе (характеризующаяся временем 10-9-10-10 сек) обусловливает сдвиг фаз между током и напряжением в диоде, вызывая (при соответствующей схеме включения его в электрическую цепь) генерирование СВЧ колебаний. Это свойство успешно используют в лавинно-пролётных полупроводниковых диодах, позволяющих осуществлять генераторы с частотами до 150 Ггц.
Рис.5. Полупроводниковые диоды (внешний вид)
Для детектирования и преобразования электрических сигналов в области СВЧ используют смесительные П. д. и видеодетекторы, в большинстве которых р-n-переход образуется под точечным контактом. Это обеспечивает малое значение ёмкости Св (рис.3), а специфическое, как и у всех СВЧ диодов, конструктивное оформление обеспечивает малые значения паразитных индуктивности Lk и ёмкости Ск и возможность монтажа диода в волноводных системах. При подаче на р-n-переход обратного смещения, не превышающего U*обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость Св зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих П. д. стремятся уменьшить величину сопротивления rб (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости Св от напряжения Uo6p. У р-n-перехода на основе очень низкоомного (вырожденного) полупроводника область, обеднённая носителями заряда, оказывается очень тонкой (~ 10-2 мкм), и для неё становится существенным туннельный механизм перехода электронов и дырок через потенциальный барьер (см. Туннельный эффект). На этом свойстве основана работа туннельного диода, применяемого в сверхбыстродействующих импульсных устройствах (например, мультивибраторах, триггерах), в усилителях и генераторах колебаний СВЧ, а также обращенного диода, применяемого в качестве детектора слабых сигналов и смесителя СВЧ колебаний. Их ВАХ (рис.4) существенно отличаются от ВАХ других П. д. как наличием участка с "отрицательной проводимостью", ярко выраженной у туннельного диода, так и высокой проводимостью при нулевом напряжении. К П. д. относят также ПП приборы с двумя выводами, имеющие неуправляемую четырёхслойную р-n-р-n-структуру и называют динисторами (см. Тиристор), а также приборы, использующие объёмный эффект доменной неустойчивости в ПП структурах без р-n-перехода - Ганна диоды. В П. д. используют и др. разновидности ПП структур: контакт металл - полупроводник (см. Шотки эффект, Шотки диод) и р-i-n-структуру, характеристики которых во многом сходны с характеристиками р-n-перехода. Свойство р-i-n-структуры изменять свои электрические характеристики под действием излучения используют, в частности, в фотодиодах и детекторах ядерных излучений, устроенных Т.о., что фотоны или ядерные частицы могут поглощаться в активной области кристалла, непосредственно примыкающей к р-n-переходу, и изменять величину обратного тока последнего. Эффект излучательной рекомбинации электронов и дырок, проявляющийся в свечении некоторых р-n-переходов при протекании через них прямого тока, используется в светоизлучающих диодах. К П. д. могут быть отнесены также и полупроводниковые лазеры. Большинство П. д. изготавливают, используя планарно-эпитаксиальную технологию (см. Планарная технология), которая позволяет одновременно получать до нескольких тысяч П. д. В качестве полупроводниковых материалов для П. д. применяют главным образом Si, а также Ge, GaAs, GaP и др., в качестве контактных материалов - Au, Al, Sn, Ni, Cu. Для защиты кристалла П. д. его обычно помещают в металло-стеклянный, металло-керамический, стеклянный или пластмассовый корпус (рис.5). В СССР для обозначения П. д. применяют шестизначный шифр, первая буква которого характеризует используемый полупроводник, вторая - класс диода, цифры определяют порядковый номер типа, а последняя буква - его группу (например, ГД402А - германиевый универсальный диод; КС196Б - кремниевый стабилитрон). От своих электровакуумных аналогов, например кенотрона, газоразрядного стабилитрона, индикатора газоразрядного, П. д. отличаются значительно большими надёжностью и долговечностью, меньшими габаритами, лучшими техническими характеристиками, меньшей стоимостью и поэтому вытесняют их в большинстве областей применения. С развитием ПП электроники совершился переход к производству наряду с дискретными П. д. диодных структур в ПП монолитных интегральных схемах и функциональных устройствах, где П. д. неотделим от всей конструкции устройства.
Рис.1 Энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода туннельного диода
Рис.2 Вольтамперные характеристики туннельных диодов
Туннельный диод Туннельный диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового кристалла, в котором имеется очень узкий потенциальный барьер, препятствующий движению электронов; разновидность полупроводникового диода. Вид вольтамперной характеристики (ВАХ) Т.д. определяется главным образом квантово-механическим процессом туннелирования (см. Туннельный эффект), благодаря которому электроны проникают сквозь барьер из одной разрешенной области энергии в другую. Изобретение Т.д. впервые убедительно продемонстрировало существование процессов туннелирования в твёрдых телах. Создание Т.д. стало возможно в результате прогресса в полупроводниковой технологии, позволившего создавать полупроводниковые материалы с достаточно строго заданными электронными свойствами. Путём легирования полупроводника большим количеством определённых примесей удалось достичь очень высокой плотности дырок и электронов в р - и n - областях, сохранив при этом резкий переход от одной области к другой (см. Электронно-дырочный переход). Ввиду малой ширины перехода (50-150 Е) и достаточно высокой концентрации легирующей примеси в кристалле, в электрическом токе через Т.д. доминируют туннелирующие электроны. На рис.1 приведены упрощённые энергетические диаграммы для таких р - n - переходов при четырёх различных напряжениях смещения U. При увеличении напряжения смещения до U1 межзонный туннельный ток (it на рис.1, б) возрастает. Однако при дальнейшем увеличении напряжения (например, до значения U2, рис.1, в) зона проводимости в n-oбласти и валентная зона в р-области расходятся, и ввиду сокращения числа разрешенных уровней энергии для туннельного перехода ток уменьшается - в результате Т.д. переходит в состояние с отрицательным сопротивлением. При напряжении, достигшем или превысившем U3 (рис.1, г), как и в случае обычного р - n-перехода, будет доминировать нормальный диффузионный (или тепловой) ток. Первый Т.д. был изготовлен в 1957 из германия; однако вскоре после этого были выявлены др. полупроводниковые материалы, пригодные для получения Т.д.: Si, InSb, GaAs, InAs, PbTe, GaSb, SiC и др. На рис.2 приведены ВАХ ряда Т.д. В силу того что Т.д. в некотором интервале напряжений смещения имеют отрицательное дифференциальное сопротивление и обладают очень малой инерционностью, их применяют в качестве активных элементов в высокочастотных усилителях электрических колебаний, генераторах и переключающих устройствах.
Рис.1. Схема включения стабилитрона в параметрическом стабилизаторе напряжения
Рис.2. Вольтамперная характеристика стабилитрона
Стабилитрон Действие газоразрядных С. основано на свойствах тлеющего разряда и коронного разряда.С. тлеющего разряда выполняются в виде коаксиальной или плоскопараллельной системы электродов, помещенных в баллон, наполненный инертным газом под давлением несколько кн/м2. Область значений стабилизируемого напряжения у таких С.60-150 в, рабочий диапазон токов 5-40 ма.С. коронного разряда выполняются обычно в виде коаксиальной системы электродов с анодом малого радиуса и катодом большого радиуса (отношение радиусов ~ 5-10); баллон С. наполнен газом (водородом) под относительно высоким давлением - от нескольких кн/м2 до давлений, превышающих атмосферное (100 кн/м2). Они предназначены для стабилизации высоких напряжений (~3Ї102-3Ї104 в) при малых токах (от ~10-2 до 1-1,5 ма).
Полупроводниковый стабилитрон Полупроводниковый стабилитрон, полупроводниковый диод, на выводах которого напряжение остаётся почти постоянным при изменении в некоторых пределах величины протекающего в нём электрического тока. Рабочий участок вольтамперной характеристики П. с. находится в узкой области обратных напряжений, соответствующих электрическому пробою его р-n-перехода. При напряжениях пробоя Unp <5 в механизм резкого возрастания тока (пробой) связан с туннельным эффектом, а при Unp > 6,5 в - с лавинным умножением носителей заряда; при промежуточных напряжениях генерируемые первоначально (вследствие туннельного эффекта) носители заряда создают условия для управляемого лавинного пробоя. В СССР выпускаются (1975) кремниевые П. с. на различные номинальные напряжения стабилизации в диапазоне от 3 до 180 в.П. с. применяют главным образом для стабилизации напряжения и ограничения амплитуды импульсов, в качестве источника опорного напряжения, в потенциометрических устройствах.
|
