Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 19

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 19)

ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ105диться в дырочной области. Он стремится скатиться вэлектронную область. Диффузионные потоки зарядовсоздают и увеличивают потенциальный барьер в p–n+пе+реходе (пунктирные стрелки на рис. 5.3 и 5.5), а наличиебарьера и его увеличение приводит к возникновению иувеличению обратных потоков зарядов (сплошные изогну+тые стрелки на рис. 5.5).Стационарная высота барьера (qjк) устанавливаетсяпри наступлении динамического равновесия между опи+санными встречными потоками электронов и дырок в об+ласти p–n+перехода. Из рис. 5.5 видно, что рассматривае+мый потенциальный барьер в области p–n+перехода не сим+метричен.

Его высота убывает, если на p+область поданположительный потенциал, и возрастает при обратнойполярности включения p–n+перехода. Этот факт лежит воснове эффекта выпрямления p–n+переходом переменно+го электрического тока (рис. 5.6).Пунктирная прямая на рис. 5.6 соответствует вольт+амперной характеристике линейного сопротивления,подчиняющегося закону Ома. Если внешняя разность по+тенциалов U на p–n+переходе увеличивается, то потенци+альный барьер qjк (рис. 5.5) становится выше и равняетсяq(jк + U) при обратном смещении (U < 0); становится нижеи равен q(jк – U) — при прямом. Поэтому ток через p–n+переход увеличивается с ростом напряжения менее резко,чем по закону Ома, при обратном смещении и более резко —при прямом. В результате вольт+амперная характеристикастановится нелинейной (сплошная линия на рис.

5.6), т. е.p–n+переход приобретает свойство выпрямлять переменныйэлектрический сигнал. Вольт+амперная характеристика р–п+перехода описывается диодным уравнением. В простей+шем случае его можно представить в виде:1 qU2(5.3)i 3 i0 5 e kT 4 1 6,78где i0 — обратный ток насыщения (рис. 5.6). Этот ток на+столько мал, что p–n+переход, включенный в обратномнаправлении, широко используется для изоляции сосед+них элементов ИМС друг от друга (см. п.

5.5).106НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьНа рис. 5.6 представлены дватипа вольтамперной характеристики — линейная, типичнаядля обычного резистора (пунктир), и нелинейная — с отклонением в сторону оси тока, свойственная обычным полупроводниковым диодам. На рис. 5.7приведены и другие вариантыРис. 5.7нелинейных вольтамперных хаРазличные виды вольтрактеристик. Две из них имеютамперных характеристикнелинейных схемныхтак называемые «падающие»элементов (пунктир —участки (a–a¢) и (b–b¢). Перваялинейная характеристика)(верхняя) обычно называетсяхарактеристикой Sтипа (вблизи падающего участка a–a¢она напоминает букву S), а вторая (нижняя) — Nтипа.На падающих участках увеличению напряжения (DU > 0)соответствует уменьшение тока (Di < 0), поэтому1U2 Rd 3 0.1iВеличина Rd имеет размерность сопротивления и называется дифференциальным сопротивлением.

На падающихучастках вольтамперной характеристики дифференциальное сопротивление схемного элемента отрицательно(Rd < 0). Элемент, работающий в электрической цепи врежиме отрицательного дифференциального элемента, непотребляет энергию, а может перекачивать в цепь из подключенного источника ЭДС дополнительную энергию,компенсируя ее потери на других элементах цепи. Еслиэта компенсация будет превышать указанные потери вцепи, то рассматриваемая цепь проявит свойства усилителя сигнала, поданного на вход цепи. Имеются и такиесхемы включения элементов с S и Nхарактеристиками,в которых возникает генерация электрических колебанийв цепи или эффект переключения сигнала.Следовательно, схемные элементы, вольтамперныехарактеристики которых имеют участки с отрицательнымдифференциальным сопротивлением, позволяют создавать усилители, переключатели и генераторы сигналов.Часть 2.

ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ107Поэтому такие элементы называются активными (в отли#чие от пассивных элементов: резисторов, конденсаторов,индуктивностей).К активным элементам относятся транзисторы и дио#ды. Например, характеристикой N#типа (рис. 5.7) обла#дают так называемые туннельные диоды. Физическаяпричина возникновения участка с отрицательным диф#ференциальным сопротивлением для каждого типа при#бора своя.5.3.ТРАНЗИСТОРЫВ основе полупроводниковых транзисторов лежат p–nпереходы. Разновидностей транзисторов чрезвычайномного. Все они разделяются на две большие группы — би#полярные и полевые (униполярные).

Протекание тока вполевом (униполярном) транзисторе обусловлено носите#лями заряда только одного знака — электронами или дыр#ками (основные носители). В биполярном транзисторе токобусловлен движением зарядов обоих знаков.В биполярном транзисторе имеется два близко распо#ложенных встречно включенных p–nперехода, разделяю#щих три области кристалла, например сильно легирован#ную электронную (эмиттер), дырочную (база) и слабоРис. 5.8Схема биполярного транзистора n–p–nтипа108НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.

Введение в специальностьлегированную электронную (коллектор). Так устроен биполярный транзистор n–p–nтипа (см. рис. 5.8). Аналогичную структуру имеет и транзистор p–n–pтипа.Прямой ток i через эмиттерный p–nпереход связанс потоком электронов из nобласти в робласть, где ониявляются неосновными и неравновесными носителямизаряда (см. рис. 5.8). Описанный эффект называется инжекцией (см. п.

4.12).Инжектированные электроны попадают в зону проводимости робласти и за время жизни t рекомбинируют сдырками валентной зоны. За это время они успевают впроцессе теплового движения проникнуть в глубь робласти на расстояние Ln, которое называется диффузионнойдлиной неравновесных электронов. Инжекция неравновесных носителей заряда через р–nпереход под действием прямого смещения на р–nпереходе лежит в основе работы биполярного транзистора.Рассмотрим цепь коллекторного р–nперехода, в которую включен источник Ek. Долю ЭДС источника, котораяраспределена между сопротивлением коллекторного перехода и сопротивлением нагрузки Rн, обозначим Uk.Пока инжекция отсутствует, напряжение Uk в цепиколлектора падает в основном на большом обратном сопротивлении коллекторного перехода.

На сопротивлениинагрузки Rн падает лишь малая доля напряжения Uk. Онасущественно возрастает, если включен эмиттер. Это объясняется тем, что инжектированные электроны (область, обозначенная точками на рис. 5.8) снижают обратное сопротивление коллекторного p–nперехода, и напряжение Ukперераспределяется в пользу сопротивления нагрузки Rн.Сигнал, поданный на транзистор, усиливается.

Усилениесигнала транзисторной структурой происходит лишь приусловии, что ширина базы W меньше диффузионной длины Ln инжектированных носителей заряда (W < Ln). Приэтом условии инжектированные неравновесные носителизаряда за время жизни успевают распространиться в область коллекторного перехода.Рассмотрим теперь принцип действия униполярноготранзистора. В униполярном транзисторе ток протекаЧасть 2. ЭТАПЫ И ОСНОВЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИа109бРис. 5.9Структурная схема униполярного транзистора:а — с затвором на основе p–nперехода; б — с затвором, изолирован'ным от полупроводника слоем диэлектрика.ет в узком канале и регулируется внешним полем, перпендикулярным току.

Поэтому подобные транзисторыназываются еще и канальными или полевыми. Регулирующее поле создается специальным электродом — затвором. Различают униполярные транзисторы с затвором на основе p–nперехода и затвором, изолированнымот полупроводника слоем диэлектрика. В последнем случае используют еще название «структура металл–диэлектрик–полупроводник» (МДПструктура).На рис.

5.9а,б представлены простейшие структурныесхемы униполярных транзисторов с затвором на основеp–n'перехода (а) и затвором, изолированным от полупро'водника диэлектриком (б).На рис. 5.9а штриховкой обозначен обедненный (за'порный) слой в области p–nперехода. Если на p–nпереходподано обратное напряжение (U < 0), то толщина обеднен'ного слоя d увеличивается с увеличением напряжения назатворе. В соответствии с формулой (5.1):d 1 2k 3 U .С увеличением d сечение проводящего канала уменьша'ется, его сопротивление увеличивается.

Таким образом,при помощи изменения напряжения на затворе можнорегулировать ток между истоком и стоком. В этом смыс'ле затвор является аналогом сетки лампового триода(см. рис. 4.1); исток и сток — аналоги катода и анода. По'добным же образом регулируется ток в проводящем ка'нале в униполярном транзисторе с изолированным затво'ром (рис. 5.9б).110НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность5.4.ЭЛЕМЕНТЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ.ГЕТЕРОПЕРЕХОДЫОптоэлектроника — научнотехническое направление, в котором исследуются и используются эффектывзаимного преобразования электрических и оптическихсигналов в веществе и на этой основе создаются устройства для генерации, передачи, хранения, обработки иотображения информации.К основным элементам оптоэлектроники относятсяполупроводниковые источники некогерентного (светодио$ды) и когерентного (лазеры) излучения, а также полупро$водниковые фотоприемники. В основе действия многихвариантов перечисленных приборов лежат p–nпереходы.При прямом включении в p–nпереходе происходитинжекция носителей тока, например электронов, как этопоказано на рис.

5.8 (см. также п. 4.12 и рис. 4.13).Инжектированные электроны являются неравновесными; в слое толщиной Ln они рекомбинируют с дырками, которых в робласти достаточно много. Каждый актрекомбинации связан с уменьшением энергии электронана величину ~DEg. Эта энергия может преобразоваться вэнергию кванта электромагнитного излучения hn = DEq.Следовательно, прямо включенный p–nпереход способениспускать электромагнитную волну. Ее длина, выра$женная в микронах, равна:121,23,3Eg(5.4)где DEg измеряется в электрон$вольтах. Описанный эф$фект лежит в основе действия светодиодов.Светодиод испускает некогерентное излучение. Однако существует режим, в котором p–nпереход испускает когерентное, лазерное излучение.

Характеристики

Список файлов книги