62362 (Електроніка та мікропроцесорна техніка), страница 3

Нелінійні контакти використовуються для перетворення електричних сигналів (випрямляння, детектування, генерування і т. п.). Вони мають різко нелінійну вольтамперну характеристику, форма якої визначається конкретним призначенням відповідного приладу. Інжектуючі контакти володіють здатністю направляти носії зарядів тільки в один бік. Цей тип контактів широко використовується в напівпровідникових приладах, наприклад, в біполярних транзисторах .

Найбільшого поширення в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці набули контакти типу напівпровідник - напівпровідник, а фізичні явища, що відбуваються в зоні цих контактів, лежать в основі роботи більшості напівпровідникових приладів.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність п-типу, а інша р-типу, називають електронно-дірковим, або р-п переходом (мал. 3.1).

Електронно-дірковий перехід не можна створити простим зіткненням пластин п- і р-типу, оскільки при цьому неминучий проміжний шар повітря, оксидів або поверхневих забрудненні. Ці переходи отримують вплавленням або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристала напівпровідника, а також шляхом вирощування р-п переходу з розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок. Залежно від способу виготовлення р-п переходи бувають сплавними, дифузійними і ін.

Розглянемо явища, що виникають при електричному контакті між напівпровідниками п- і р-типу з однаковою концентрацією донорних і акцепторних домішок (мал. 3.2, а). Допустимо, що на межі розділу (перетин х₀) тип домішок різко змінюється (мал. 3.2, б).

Існування електронно-дірковогопереходу обумовлене відмінністю в концентрації рухомих носіїв заряду електронної і дірчастої областей.

Мал. 3.1. Електронно-дірковий перехід

Унаслідок того що концентрація електронів в n-області вища, ніж в р-області, а концентрація дірок в р-області вища, ніж в п -області, на межі цих областей існує градієнт концентрацій носіїв, що викликає дифузійний струм електронів з n-області в р-область і дифузійний струм дірок з р-області в n-область (потік 2 на мал. 3.2, а). Окрім струму, обумовленого рухом основних носіїв заряду, через границю розділу напівпровідників можливий струм неосновних носіїв (електронів з р-області в n-область і дірок з n-області в р-область). Потоки неосновних носіїв на мал. 3.2, а позначені відповідно 3 і 4. Унаслідок істотної відмінності в концентраціях основних і неосновних носіїв струм, обумовлений основними носіями заряду, переважатиме над струмом неосновних носіїв. Якби електрони і дірки були нейтральними, то дифузія зрештою привела до повного вирівнювання їх концентрації за всім обсягом кристалі. На самій же справі дифузійні струми через р-п перехід не приводять до вирівнювання концентрації носіїв в обох частинах напівпровідника. З мал. 3.2, видно, що відхід електронів з при контактній n-області призводить до того, що їх концентрація тут зменшується і виникає некомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. Так само в р-області унаслідок відходу дірок їх концентрація в приконтактному шарі знижується (мал. 3.2, в) і тут виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки, що не компенсується. Таким чином, на межі областей n- і р-типу утворюються два шару протилежних по знаку зарядів. Область просторових зарядів, що утворилися, є р-n перехід. Його ширина зазвичай не перевищує десятих доль мікрометра.

Просторові заряди в переході утворюють електричне поле, направлене від позитивно заряджених іонів донорів до негативно заряджених іонів акцепторів. Схема утворення електричного поля в р-n переході показана на мал. 3.3, а і б. Це поле є гальмуючим для основних носіїв заряду і прискорюючим для неосновних. Тепер будь-який електрон, що проходить з електронної області в діркову, потрапляє в електричне поле, прагнучи повернути його назад в електронну область. Так само і дірки, потрапляючи з області р в електричне поле p-n переходу, будуть повернені цим полем назад в р-область.

Що ж до неосновних носіїв заряду, то вони, здійснюючи хаотичний тепловий рух (дрейфуючи), можуть потрапити в зону p-n переходу. В цьому випадку прискорююче поле переходу виштовхне їх за межі переходу.

На мал. 3.3, в показаний розподіл напруженості поля в p-n переході. Найбільша величина напруженості спостерігається в перетині х₀, оскільки через цей перетин проходять всі силові лінії, що починаються на позитивних зарядах, розташованих лівіше х₀. У міру видалення від х₀ вліво кількість некомпенсованих позитивних зарядів зменшуватиметься, отже, і напруженість поля зменшуватиметься. Аналогічна картина спостерігається і при видаленні вправо від перетину х₀. Якщо вважати, що поле створюється тільки зарядами донорів і акцепторів, то зменшення напруженості відбувається по лінійному закону.

Потенційна діаграма p-n переходу показана на мал. 3.3,г. За нульовий потенціал умовно прийнятий потенціал шару.. При переміщенні від х₀ до перетину х_п потенціал підвищується, а при переміщенні від х0 до х_р - знижується. За межами переходу поле відсутнє. Перепад потенціалу в переході рівний контактній різниці потенціалів U_K. Цей перепад зазвичай називають потенційним бар'єром, оскільки він перешкоджає переміщенню основних носіїв заряду.

Слід зазначити, що при кімнатній температурі деяка кількість основних носіїв зарядів в кожній з областей напівпровідника володіє енергією, достатньою для подолання потенційного бар'єру. Це призводить до того, що через p-n перехід дифундує незначна кількість електронів і дірок, утворюючи відповідно електронну і діркову складові дифузійного струму. Крім того, через р-п перехід безперешкодно проходять неосновні носії заряду, дірки з n-області і електрони з р-області, для яких електричне поле р-п переходу є прискорюючим. Ці заряди утворюють відповідно електронну і діркову складові дрейфового струму. Напрям дрейфового струму неосновних носіїв протилежний напряму дифузійного струму основних носіїв. Оскільки в ізольованому напівпровіднику щільність струму повинна бути рівна нулю, то врешті-решт встановлюється динамічна рівновага, коли дифузійний і дрейфовий потоки зарядів через р-п перехід компенсують один одного.

Контрольні запитання:

1. Що таке р-n-перехід та як він створюється?

2. Що собою являє вольт-амперна характеристика р-n-переходу?

3. Що таке пробій переходу, види пробою?

4. Як впливає температура на характеристики р-n-переходу?

5. Як залежать властивості р-п переходу від частоти прикладеної напруги?

6. Що таке еквівалентна схема p-n переходу?

Інструкційна картка №3 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки»

І. Тема: 2 Електронні прилади

2.1 Пасивні елементи електроніки

Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумової діяльності.

ІІ. Студент повинен знати:

• Призначення коливального контуру;

• Види коливальних контурів;

• Основні характеристики коливального контуру.

ІІІ. Студент повинен уміти:

• Викреслювати схеми коливальних контурів;

• Характеризувати схеми;

• Визначати основні параметри схеми.

ІV. Дидактичні посібники: Методичні вказівки до опрацювання.

V. Література: [5, с. 80-93].

VІ. Запитання для самостійного опрацювання:

1. Коливальні контури, їх використання

VІІ. Методичні вказівки до опрацювання: Теоретична частина.

VІІІ. Контрольні питання для перевірки якості засвоєння знань:

1. Що являє собою коливальний контур?

2. Область застосування коливального контуру?

3. Основні параметри коливального контуру?

ІХ. Підсумки опрацювання:

Підготував викладач: Бондаренко І. В

Теоретична частина: Пасивні елементи електроніки

План:

1. Коливальні контури, їх використання

Література

1. Коливальні контури, їх використання

Коливальний контур (рис. 1-28, а) являє собою широко розповсюджений радіотехнічний пристрій, що складається з індуктивності L, ємності С і активного опору r. Слід зазначити, що активний опір звичайно намагаються зробити якомога меншим, але позбавитися його взагалі неможливо, оскільки провідник завжди має якийсь опір. Проте, оскільки опір r дуже й дуже малий, ним звичайно нехтують і на схемах не показують.

Коли конденсатор С коливального контура (рис. 1-28, б) спочатку підімкнути до джерела живлення Е, а після того як він зарядиться, перемкнути на котушку L, то конденсатор почне розряджатися і в колі утворюється електричний струм, утворюючи навколо котушки магнітне поле. Спочатку й струм, і магнітне поле збільшуються. При цьому силові лінії поля перетинають витки котушки, наводячи в ній є. р. с. самоіндукції, яка перешкоджає підсиленню струму. Однак струм все-таки досягає максимального значення, і в цей момент вже не змінюється, а де означає, що магнітне поле котушки виявляється постійним, магнітні силові лінії не перетинають її витків, отже, е. р.с. самоіндукції дорівнює нулю. У цей момент конденсатор розряджається повністю, запасена ним енергія, що визначається за формулою

дорівнюватиме нулю, цілком перетворившись на енергію магнітного поля котушки, що визначається як

Рис. 1-28. Вільні коливання в одиночному коливальному контурі:

а — коливальний контур; б — розряджання конденсатора; в — графік затухаючих коливань.

Проте напруженість магнітного поля стає максимальною.

Тепер вже струм (після точки 1 на графіку) поступово зменшується. Як тільки струм почне зменшуватись, магнітні силові лінії перетинають витки котушки й наводять е. р. с. самоіндукції протилежного напрямку, причому е. р. с. вже перешкоджає не зростанню, а зменшенню струму. Під дією енергії магнітного поля струм продовжує проходити в тому самому напрямку і зменшуватись, конденсатор перезаряджається, напруга на ньому, напрямлена проти е. р. с. котушки, підвищується. У деякий момент (точка 2 на рис. 1-28, в) струм у контурі дорівнюватиме нулю, а напруга на конденсаторі досягне максимального значення. Отже, розглядуваний контур прийде в початковий стан, і далі процес розвиватиметься, як вже було описано (тільки напрямок струму тепер буде протилежний) і т. д.

Таким чином, у розглядуваному контурі утворюються гармонічні електромагнітні коливання.

Важливо зазначити, що цей процес не є скінченним, оскільки частина енергії все-таки втрачається. Коливання поступово, як кажуть, затухають, про що свідчить і характер кривої на рис. 1-28, в. Енергія втрачається в активному опорі проводів, розсіюється магнітним полем котушки, витрачається в діелектрику конденсатора. Зрештою після ряду коливань процес припиняється. Подібні коливання називають ще вільними, через те що контур не зазнає ззовні ніяких дій (крім первинного заряду конденсатора).

Коли розглядати процеси в коливальному контурі з енергетичного погляду, то маємо справу з обміном енергією між конденсатором і котушкою. Енергія електричного поля конденсатора, яку можна вважати потенціальною (оскільки вона зумовлена нерухомими електричними зарядами), переходить в енергію магнітного поля котушки — кінетичну (через те що вона пов'язана з зарядами, що рухаються), і навпаки. В результаті кожного такого обміну частина енергії втрачається безповоротно, і процес зрештою припиняється.

Час, протягом якого здійснюється повний цикл обміну енергією (точка 3 на рис 1-28, в), називається періодом коливань. Якщо нехтувати активним опором r, то період коливання можна визначити за формулою