Основы электроники

Основы электроники

Электроника — наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых). Одним из главных направлений электроники является полупроводниковая электроника.

Полупроводниковые материалы

По своему удельному сопротивлению полупроводники занимают промежуточную область между проводниками и диэлектриками. Границы между ними весьма условны, так как при достаточно высокой температуре диэлектрик ведет себя как полупроводник, а любой чистый полупроводник при весьма низких температурах подобен диэлектрику.

Рис. 22

Для выяснения характера проводимости рассмотрим некоторый объем идеальной кристаллической решетки германия. На рис.22 объемная кристаллическая решетка германия, элементарной геометрической фигурой которой является тетраэдр, изображена в виде плоской решетки.

Атомы германия располагаются в узлах решетки и связаны с другими атомами посредством четырех валентных электронов. Двойные линии между узлами решетки условно изображают ковалентную связь между каждой парой электронов, принадлежащих двум разным атомам. В идеальном кристалле германия при температуре абсолютного нуля Т=0^о К все ковалентные связи заполнены и каждый атом имеет достроенную оболочку, состоящую из 8 электронов. Валентная зона полностью занята электронами, а зона проводимости пуста.

Рекомендуемые материалы

Для перевода электронов в зону проводимости необходим дополнительный источник энергии, равный или превышающий энергию запрещенной зоны. Таким источником энергии может быть тепло окружающей среды. При температуре выше абсолютного нуля часть электронов разрывает ковалентные связи и переходит в зону проводимости, освобождая энергетические уровни в валентной зоне. Вакантный энергетический уровень в валентной зоне называют дыркой проводимости, которая в электрическом и магнитном полях ведет себя как частица с положительным зарядом. Такой процесс образования пар электрон проводимости - дырка проводимости называется генерацией пар электрон-дырка. После своего появления дырка проводимости под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возможен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками валентной зоны . Процесс исчезновения пар электрон-дырка называется рекомбинацией. Этот процесс сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кристаллической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Если к кристаллу полупроводника приложить электрическое поле, то движение электронов и дырок приобретает некоторую направленность. Таким образом, при температуре выше абсолютного нуля кристалл приобретает способность проводить электрический ток. Такая проводимость называется собственной, а полупроводник — собственным полупроводником. Эта проводимость обычно невелика и увеличивается с повышением температуры.

Если в кристалл германия или кремния добавить примесь элементов третьей или пятой групп таблицы Менделеева, то такой полупроводник называется примесным. Примесные полупроводники обладают значительно большей проводимостью по сравнению с полупроводниками с собственной проводимостью.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника.

Рассмотрим образование электронной и дырочной проводимости примесных полупроводников.

При внесении предварительно очищенный германий пятивалентного элемента (например, мышьяка - As) атомы примеси замещают в углах кристаллической решетки атомы германия. При этом четыре из пяти валентных электронов мышьяка образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия подобно связям в собственном полупроводнике. Пятый электрон оказывается избыточным. Такой полупроводник обладает в основном электронной проводимостью или проводимостью n-типа (n-полупроводник), а примесь, способная отдавать электроны, называется донорной. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными - дырки.

Рассмотрим примесный полупроводник, в котором часть атомов основного материала /в данном случае кремния/ заменена атомами 3-х валентного индия.

            Будет дырка.

Какова концентрация примесей, такова и концентрация дырок. Дырок будет больше на количество атомов, введённых в материал.

Такой полупроводник называют дырочным /или p-типа/.

Примесь, сообщающую полупроводнику дырочный характер проводимости называют акцепторной.

Примеси бывают донорные и акцепторные. Донорные примеси отдают свои электроны, создавая в кристалле электронную проводимость, акцепторные — захватывают электроны из решетки основного кристалла, создавая дырочную проводимость примесного полупроводника. В зависимости от типа примесей, вводимых в полупроводник, их разделяют на два типа:

1. Полупроводники р-типа (positive), обладающие положительной проводимостью, обусловленной наличием избыточных положительных зарядов - дырок.

2. Полупроводники п-типа (negative), обладающие отрицательной проводимостью, обусловленной наличием избыточных электронов.

Под действием внешнего электрического поля эти избыточные заряды приобретают направленное движение, образуя ток, называемый дрейфовым.

Электронно-дырочный р-n переход

Основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный (р-n) переход, образующийся в области контакта полупроводников р- и n-типа (рисунок 22а). Свойства этого перехода в основном и определяют принцип действия и функциональные возможности полупроводниковых приборов. В области контакта полупро­водников с различным типом проводимости происходит взаимная диффузия противоположных зарядов и их рекомбинация. Следовательно, в области контакта образуется тонкий слой, в котором отсутствуют свободные заряды.

В пределах р-n перехода возникает электрическое поле с контактной разностью потенциалов j_б, называемой барьерным потенциалом, препятст­вующее дальнейшему взаимному обмену зарядов между полупроводниками.

Рис.22а. Электронно-дырочный переход

Подключение к р-n переходу внешнего источника способно влиять на величину барьерного потенциала j_б  и на толщину обедненного слоя, а, следовательно, и на величину тока, протекающего через р-n переход.

При подаче на кристалл р-типа плюса источника, а на n-типа - минуса источника величина j_б  уменьшится, так как результирующий потенциал равен j= j_б -j_вн. Это вызовет уменьшение толщины обедненной области, а при  |j_вн | > j_б эта область исчезнет, сопротивление р-n перехода резко уменьшится, и через него будет протекать ток, в основном определяемый внешними цепями. В этом случае принято говорить, что р-n переход смещен в прямом направлении.

Если полярность внешнего источника поменять, то обедненная область расширится, и ее сопротивление возрастает. В этом случае через р-n переход будет протекать очень незначительный обратный ток, обусловленный примесями в кристалле полупроводника. При этом включении принято говорить, что р-n переход смещен в обратном направлении.

Вольт-амперная характеристика р-n перехода, характеризующая зависимость величины тока через р-n переход от величины и знака напряжения, приложенного к нему, приведена на рисунке 23.

Рис. 23. Вольтамперная характеристика р — n-перехода: U — приложенное напряжение; I - ток через переход; Is — ток насыщения; Unp — напряжение пробоя.

Когда величина обратного напряжения достигнет некоторого критического значения, обратный ток через переход резко возрастает. Это явление называется пробоем диода.

Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой не вызывает разрушение р-n перехода и используется в стабилитронах, а тепловой пробой - необратимое явление, сопровождаемое разрушением, р-n перехода.

Стабилитрон - полупроводниковый прибор, в котором для стабилизации напряжения используется слабая зависимость напряжения лавинного /или туннельного/ пробоя от обратного тока через переход.

Условное графическое изображение стабилитрона

Максимально-допустимая температура для германиевых диодов составляет 80 . . . 100°С, а для кремниевых - 150 ... 200°С.

В настоящее время промышленностью выпускается большая номенклатура полупроводниковых приборов с одним р-n переходом, называемых диодами.

Варикапом называется полупроводниковый диод, в котором существенна зависимость емкости от величины обратного напряжения и который предназначен для применения качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Применяются: - в генераторах (частотные модуляторы); - для электронной настройки частоты, выбора каналов в телевизорах и т.п.

Условное графическое изображение варикапа

Выпрямительные или силовые диоды

Выпрямительные (силовые) диоды - это полупроводниковые приборы, предназначенные для преобразования переменного тока в однополярный. Для этого диод включается последовательно в цепь источника переменного тока и нагрузки (рисунок 24).

Рис. 24. Схема электрической цепи с выпрямительным диодом

Основой конструкции диода является один р-n переход. Условное обозначение диода сохранилось от первых электровакуумных диодов. В изображении черта означает катод, а треугольник анод. Чтобы это запомнить, достаточно представить, что катод испускает электроны, и они выходят из него расходящимся пучком, образуя треугольник. Если считать проводимость диода направленной от плюса к минусу, то она будет соответствовать стрелке, образованной вершиной треугольника.

В силу односторонней проводимости диода через нагрузку протекает пульсирующий ток одной полярности (рисунок 25).

Рис. 25. Вольт-амперная характеристика диода и график изменения тока на Rн (рис. 24)

Основными параметрами выпрями тельных диодов являются:

а) Максимальный выпрямленный ток I_{пр max};

б)Максималъно-допустимое обратное напряжение U_{обр max};

в) Обратный ток, протекающий через диод I_{пр max};

г) Падение напряжения на диоде при прямом включении U_пp.

Выпрямительные диоды делятся на германиевые и кремниевые. В кремниевых диодах обратные токи I_обр а несколько порядков меньше, чем в германиевых, а допустимые обратные напряжения U_обр существенно выше. Однако германиевые диоды обладают меньшим прямым падением напряжения U_пp.

Переключающие диоды - тиристоры

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя последовательно включенными p-n переходами. Тиристоры с двумя электродами (рис. 26) называют динисторами-это неуправляемые тиристоры, с тремя электродами - тринисторы - это управляемые тиристоры.

                                              

а)                                                                    б)

Рис.26. Устройства динистора – а) и тринистора – б)

  А - анод; К - катод; УЭ - управляющий электрод.

На рис. 27 приведены вольтамперные характеристики динистора и тринистора, поясняющие их работу.

                                     

                             

                                               а)                                                                                             б)

Рис.27

           

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он ведет себя как обычный диод - закрыт. При прямом включении тиристоров они остаются также закрытыми, пока напряжение между анодом и катодом не достигнет величины Uвкл. После этого тиристоры резко переходят в открытое состояние и ведут себя как обычные силовые диоды в прямом включении, пока ток через них не снизится до величины Iвыкл. Как только это произойдет, диод вновь переходит в закрытое состояние. У динисторов невозможно управлять величиной Uвкл, а у тринисторов величина Uвкл зависит от величины тока управляющего электрода: Uвкл = f (Iуэ) и при достаточно больших токах Iуэ вольтамперная характеристика тринистора вырождается в прямую ветвь характеристики обычного диода. Управление тринистором осуществляется лишь при его отпирании, а затем он становится неуправляемым.

Важнейшими параметрами тиристоров являются:

Ток включения – Iвкл. Напряжение включения – Uвкл.

Ток выключения – Iвыкл.

Остаточное напряжение – Uост. - падение напряжения на открытом тиристоре.

Обратный ток тиристора – Iобр.

Управляющий ток – Iупр. – тиристора – величина тока, при котором включается тиристор.

Время включения – tвкл. - минимально необходимая длительность импульса включения на УЭ.

Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную вольт-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это трехэлементный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами и обладающий усилительными свойствами. Транзисторы имеют три области и три электрода: э - эмиттер (на схемах обозначается стрелкой), к – коллектор и б – база. И соответственно различают эмиттерный и коллекторный p-n переходы. Различают две структуры транзисторов:

1-биполярные транзисторы с прямой проводимостью или p-n-p типа (рис. 29 а);

2-биполярные транзисторы с обратной проводимостью или n-p-n типа (рис.29 б).

На изображении транзистора стрелка указывает условное направление тока в эмиттере от плюса к минусу.

                         а)                                                                                                       б)

Рис. 29. Структура и обозначение биполярных транзисторов:

а- с прямой проводимостью; б- с обратной проводимостью.

В реальных конструкциях транзисторов эмиттер имеет большую степень легирования и меньшую площадь. На рис. 29- б) эмиттер с электронной электропроводностью, причём сильной, показан со знаком плюс. Взаимодействие p-n-переходов обеспечивается выбором толщины базы. База должна быть достаточно тонкой /толщина базы должна быть много меньше длины диффузии неосновных носителей в базе/.

Рассмотрим принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ (рис. 30).

                                                 

    Рис.30. Принцип работы транзистора в схеме включения с ОЭ

Так как на базе транзистора положительный потенциал по отношению к эмиттеру, то электроны от минуса источника питания, через эмиттер и открытый эмиттерный p-n переход инжектируются в базу, где они диффундируют к коллекторному p-n переходу, являясь не основными носителями в базе. Частично электроны рекомбинируют с основными носителями в области базы – с дырками, создавая ток базы I_б. Так как в транзисторах базу делают тонкой и слабо легированной, то число рекомбинированных зарядов не велико, ток базы мал и основная часть зарядов достигают коллекторного p-n перехода, где попадают под ускоряющее поле потенциала коллектора. Для электронов, как не основных носителей в базе, коллекторный p-n переход открыт и через него они устремляются к коллектору, а затем через R нагрузки к плюсу источника питания, создавая ток коллектора. Очевидно, что Iэ=I_б+Iк.

Отношение коллекторного тока к базовому – это главный коэффициент, который показывает усилительные возможности транзистора:

Так как I _к>>I_б , эта величина большая, т.е. транзистор усиливает ток. Обычно b составляет 10 – 300.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы.

Аналогичные процессы, происходят в транзисторе типа p-n-p в схеме c общим эмиттером (ОЭ).

Физическая модель биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ

В схеме с транзистором образуются две цепи — входная и выходная. Во входную цепь включается управляющий сигнал, который должен быть усилен, а в выходную — нагрузка, на которой выделяется усиленный сигнал.

При включении транзистора в электрическую схему в зависимости от того, какой из его электродов является общим для цепи входного сигнала и выходного сигнала различают:

Схему включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ) (рис.31 а). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению и  току, так же средними значениями входного и выходного сопротивлений.

Схему включения транзистора с общей базой (ОБ) (рис. 31 б). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по напряжению, но коэффициент передачи по току меньше единицы. Входное сопротивление мало, а выходное велико.

Схему включения с общим коллектором (ОК) (рис.31 в). Эта схема включения обладает большим коэффициентом усиления по току, но коэффициент передачи по напряжению меньше единицы. Входное сопротивление велико, а выходное мало.

                                               

                 

               а)                                         б)                                          в)

Uвх=Uбэ; Uвых=Uкэ                      Uвх=Uбэ; Uвых=Uкб                      Uвх=Uбк; Uвых=Uкэ

Iвх=Iб; Iвых=Iк                                Iвх=Iэ; Iвых=Iб                                Iвх=Iб; Iвых=Iэ.

Рис. 31. Схемы включения биполярного транзистора: а)-с общим эмиттером; б)-с общей базой; в)-с общим коллектором.

Чаще используется схема с общим эмиттером.

            В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения одного знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор – 5...15 В.

            Если в коллекторную цепи включить резистор, то напряжение будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В этом случае наступит режим насыщения: напряжение на колекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так называемый режим насыщения.

            Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие транзистора.

В зависимости от направления смещения p-n перехода в транзисторах различают три его режима работы:

1) Режим отсечки (РО) - режим, при котором оба p-n перехода смещены в обратном направлении. Транзистор закрыт и через него протекают лишь небольшие тепловые токи обратно смещенных p-n переходов.

2) Режим насыщения (РН) - режим, при котором оба p-n перехода смещены в прямом направлении. Транзистор открыт и через него протекает максимальный ток, определяемый только внешними цепями (U и R).

3) Активный режим (АР) - режим, при котором эмиттерный p-n переход смещен в прямом, а коллекторный - в обратном направлениях. При этом транзистор обладает усилительными свойствами.

АР используется в усилительных устройствах; РН, РО используются в цифровых и импульсных устройствах. Основным является активный режим.

Для обеспечения  активного режима работы транзистора между базой и эмиттером необходимо создать отпирающую разность потенциалов Eсм – отпирающее смещение. Для p-n-p типа транзистора это напряжение смещения должно быть отрицательным (рис. 32), а для n-p-n типа – положительным

                                                                  

Рис. 32

Для обеспечения обратного смещения коллекторного p-n перехода на коллектор транзистора должен быть подан потенциал той же полярности, что и на базу транзистора, но большей величины, то есть должно выполняться условие: ׀Eсм׀<׀Eпит׀.

Итак, у транзистора ток базы очень мал, поэтому ток эмиттера практически весь преобразуется в ток коллектора, и только небольшая часть его преобразуется в ток базы

Так как сопротивление обратно смещенного коллекторного p-n перехода очень велико (сотни кОм) для основных носителей, то включение Rн величиной единицы кОм в коллекторную цепь (рис. 30) мало повлияет на общее сопротивление цепи. Тогда очевидно, что, управляя на входе малой мощностью Pвх=Uбэ*Iбэ можно получить пропорциональный цикл в выходной цепи значительно большей мощности: Pвых=Iк*Rн=Iк*Uкэ, Iкэ>>Iб, Uкэ>>Uбэ.

Основные параметры транзистора.

Основные параметры транзистора делятся на предельно-допустимые, усилительные и высокочастотные.

Предельно-допустимые параметры транзистора

Максимально-допустимое напряжение коллектор-эмиттер Uкэ max. Превышение этого напряжения приведет к пробою транзистора.

Максимально-допустимый ток коллектора Iк max. Превышение этого тока вызовет его перегорание.

Предельно-допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе транзистора Pк max доп. Если мощность, выделяемая на коллекторе в виде тепла, превышает мощность рассеивания, то транзистор перегреется и сгорит.

Полевые транзисторы

В отличие от биполярных транзисторов в полевых транзисторах управление выходным током осуществляется не входным током, а электрическим полем, создаваемым входным напряжением.
Устройство одного из типов полевых транзисторов показано на рисунке.

Его основу составляет полупроводник n-типа, с противоположной стороны которого методом диффузии образована область р-типа. На границе р- и n-областей образуется p-n-переход, обладающий большим сопротивлением. Слой полупроводника n-типа, лежащий справа от p-n-перехода, называется каналом. Если между р- и n-областями включить источник напряжения Uзи, то p-n-переход окажется включенным в обратном направлении и его толщина увеличится, что приведет к уменьшению толщины канала. Но чем тоньше канал, тем меньше его поперечное сечение и тем больше сопротивление. Значит, изменяя обратное напряжение между р- и n-областями, можно управлять сопротивлением канала. Поэтому р-область называют управляющим электродом, или затвором полевого транзистора.
Если к каналу подключить второй источник напряжения Uси, то через канал потечет ток, созданный движением электронов от нижней к верхней части n-области. Участок n-области, от которого начинают движение основные носители заряда, называют истоком, а участок этой области, к которому они движутся,— стоком.
Ток, протекающий через канал полевого транзистора, зависит от его сопротивления, которое, в свою очередь, определяется толщиной канала. Следовательно, при изменении напряжения затвора Uзи изменяется и ток, протекающий через канал.
Транзистор, структура которого представлена на рисунке, называется полевым транзистором с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Если в качестве исходного материала взять полупроводник p-типа, получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом р-типа. У такого транзистора затвор будет образован n-областью, а полярности источников питания Uзи и Uси должны быть противоположны.
Основными характеристиками полевого транзистора с управляющим р-n-переходом являются сток-затворные и стоковые (или выходные) характеристики.

При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается, и ток, протекающий через него, становится близким к нулю. Это напряжение затвора называют напряжением отсечки Uзи.отс.
Кроме полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (их еще называют полевыми транзисторами с р-n-затвором) имеются полевые транзисторы с изолированным затвором. Области истока, стока и канала у них создаются в объеме полупроводника, а затвор выполняется в виде тонкой металлической пленки, расположенной на поверхности полупроводника и отделенной от него диэлектрической пленкой. Таким образом, полевой транзистор с изолированным затвором имеют структуру металл — диэлектрик — полупроводник, и их называют МДП-транзисторами. В качестве диэлектрической пленки часто используется пленка из оксида кремния, полученная при окислении поверхности полупроводника. Такие транзисторы называют также МОП-транзисторами.
МДП-, или МОП-транзисторы могут быть с индуцированным и со встроенным каналами.
Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом показана на рисунке.

В лекции "7.3. Информационные технологии экспертной деятельности" также много полезной информации.

В нем р-области стока и истока отделены друг от друга n-областью подложки и образуют с ней два встречно включенных р-n-перехода. Поэтому независимо от полярности напряжения Uси один из p-n-переходов всегда оказывается закрытым, т. е. смещенным в обратном направлении, и ток в цепи сток — исток практически равен нулю. Для того чтобы в этой цепи стал протекать ток, необходимо на затвор подать отрицательное напряжение. Под действием электрического поля, возникшего в подложке у поверхности под затвором, свободные электроны начинают двигаться в глубь подложки. При некотором значении отрицательного напряжения Uзи у поверхности подложки дырок будет больше, чем оставшихся электронов. Произойдет инверсия типа электропроводности приповерхностного слоя под затвором, т. е. в приповерхностном слое образуется область с электропроводностью p-типа, называемая каналом, соединяющая сток и исток. Толщина канала зависит от величины напряжения Uзи.Изменяя Uзи, приложенное к затвору, можно регулировать толщину канала, т. е. сопротивление участка между стоком и истоком, и ток в цепи источника Uси .
Сток-затворные и стоковые характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа даны на рисунке.

Напряжение затвора, при котором возникает инверсия электропроводности в приповерхностном слое подложки (появляется канал между стоком и истоком), называют пороговым Uзи.пор.. Стоковые (выходные) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналом существуют только при Uзи.> Uзи.пор .
МДП-транзистор со встроенным каналом в отличие от МДП-транзистора с индуцированным каналом имеет тонкий канал, соединяющий области стока и истока при (Uзи = 0). Подавая на затвор напряжение той или иной полярности, можно увеличивать или уменьшать толщину
этого канала, регулируя тем самым силу тока, протекающего через канал (ток стока).

Усилительные свойства полевого транзистора зависят от его малосигнальных параметров, к которым относятся:
крутизна S, определяемая как отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при постоянном напряжении сток — исток (в мА/В):

внутреннее (дифференциальное) сопротивление переменному току, определяемое как отношение изменения напряжения сток — исток к изменению тока стока при постоянном напряжении затвора (в Ом):

статический коэффициент усиления, рассчитываемый по формуле: μ= Sri

Условно графические обозначения полевых транзисторов приведены на рисунке: