29_kospect_electro (555831), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Частные производные перед независимыми переменными в этом случаеобозначают символами h11, h12, h21, h22, и уравнения четырехполюсника записывают в видеU 1 = h11 I 1 + h12U 2(8.7)I 2 = h21 I 1 + h22U 2Отсюда вытекает смысл h-параметров, являющихся комплексными величинами:(8.8)h11 =U1I1(8.9)при U2=0 - входное сопротивление при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока (т.е.при U2= U2== const ,);h12 =U1U2(8.10)при I1 = 0 - коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей(т.е.
при I1 = I1== const);I2I1h21 =(8.11)при U2=0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току (т.е. U2= const);h12 =I1U2(8.12)при I1 = 0 – выходная проводимость при разомкнутом входе для переменной составляющей (т.е. при I1 = const);Коэффициент инъекций: учитывает соотношение носителей разного знака через эмиттерный переход.γ =Inэ( Inэ + Iηэ)(8.13)Коэффициент переноса носителей через базу, учитывает рекомбинацию неосновных носителей в базеH=InkIηэ(8.14)Произведение характеризующее передачу тока эмиттера в коллектор.α =γ ⋅H(8.15)Ik = αIэ + Iкк 0(8.16)α - коэффициент передачи тока эмиттера, используется в схемах с общей базой (ОБ),эмиттером (ОЭ) – базовым входом существенен коэффициент передачи тока базы.RКRБС1∂Iк∂Iэ− ∂Iэα(8.17)1−α+ЕКβ=Вых.∂Iэ∂Iкβ (IЭ), β (UКЭ), β (T) – эти зависимости приобретаютболее резкий характер, чем для параметра α .Простейшая схема усилительногокаскада на биполярном транзисторе, с общимэммитером.С2UВХ∂Ik=∂Iб ∂Iэв схеме с общимRН=При RE>>h11Коэф.
усиленияРис. 8.1h12 Э ⋅ R НЭКБ(8.18)h11 ЭЭквивалентное сопротивление нагрузки|R | ⋅ |RН |RНЭКБ = K(8.19)|h22 Э|KU =Семейство выходных характеристик и положение рабочий точки А, соответствующее активномурежиму.IК, мАIБ =50 мкАЕКRК6В1ВIБ =40 мкА5АIБ =30 мкАIК11 43IБ =20 мкАС12С10UКЭ11 5UКЭ, В10Рис. 8.20,45UКЭП , IКП – постоянныесоставляющие напряжения и токана коллекторе.Рабочая точка движется вдольучастка ВАС( входные характеристики вактивном режиме слабо зависят отUКЭ )по переменному току.RH включён параллельно RK. ВАС отрезок нагрузочной прямой при RHIБ мкА5040302010U КЭ = E K − R K ⋅ I K (8.20)( EK=10В, RK=1,6 кОм )т. А определяет постояннуюсоставляющую тока черезколлектор.IБ mtg угла наклона1| RK | ⋅ |R Н |BACIБ M0,500,55(8.21)UВХ m0,60UБЭВРис.
8.3Работа транзистора вимпульсном режиме ( простейшая схема электронного ключа )Лекция 9. Физические процессы в МДП-структурахЭффект поля в полупроводниках. Режимы МДП-структуры для собственного и примесногополупроводников. Зависимость емкости МДП-структуры от напряжения на затворе. Применение МДПструктур в полупроводниковой электронике.Эффектом поля называется изменение концентрации носителей (следовательно, и проводимости) вприповерхностном слое полупроводника под действием электрического поля. Эффект поля является физическойосновой для анализа процессов в структурах, образованных металлом, диэлектриком и полупроводником.металлдиэлектрикполупроводникТрехслойная структура:метал – диэлектрик – полупроводник( МДП )МДП-структуры широко используются в полупроводниковой электронике:· в качестве логических элементов цифровых интегральных схем на МДП-транзисторах;· как устройства с электрически управляемой емкостью (МПД-конденсаторы);· являются основой приборов с зарядовой связью (ПЗС);· используются в виде тестовых структур, позволяющих определять параметры поверхностного слояполупроводниковой пластины ( концентрацию примесей, поверхностный заряд, скорость поверхностнойрекомбинации, время жизни носителей заряда и др.).Под действием электрического поля, создаваемым металлическим электродом (затвором) вполупроводнике при определенных условиях создается слой с повышенной (по сравнению с объёмом)концентрацией основных носителей.
Такой слой в полупроводниковой структуре называется обогащённым. Приуменьшении под действием поля концентрации носителей уменьшается проводимость приповерхностного слояполупроводника, и такой слой называется обедненным.затвордиэлектрик ( SiО2 )−полупроводникрU+подложкаРис. 9.1 Схема включения МДП-структурыРассмотрим влияние электрического поля, создаваемого затвором (рис.
9.1), на распределениеносителей заряда в полупроводнике. Заметим, что в МДП-структуре протекание тока не возможно,такая система равновесна и представляет собой своеобразный конденсатор, у которого одна из обкладокобразована областью полупроводника. На этой обкладке будет наведён такой же по величине заряд, каки на металлическом электроде. Однако в отличии от металла заряд в полупроводнике несосредотачивается на поверхности, а распространяется на некоторое расстояние вглубь кристалла.диэлектрикметаллЕД+++ +полу+ + + прово+ + + дник+ ++dХϕSХUРис.
9.2. Распределение потенциалаэлектрического поля в МДП-структуре приположительном напряжении на затвореЭлектрическое поле созданное напряжением U распределяется между диэлектриком и полупроводником(см. рис. 9.2). Напряженность электрического поля в диэлектрике постоянно (в диэлектрике отсутствуютобъёмные заряды), а в полупроводнике поле непостоянное, поскольку возможно перемещение зарядов отповерхности в глубь полупроводника. Знак этих зарядов зависит от полярности приложенного напряжения и типаполупроводника.Различают эффект поля в собственном и примесном полупроводниках. В собственном полупроводникепри обеих полярностях приложенного напряжения слой оказывается обогащённым ( либо электронами, либодырками ). В примесных полупроводниках возможно получение как обогащенных, так и обеднённых слоёв.При отрицательной полярности на затворе наведённый заряд положительный.
В дырочномполупроводнике положительный заряд обусловлен дырками, которые притянулись к поверхности, в электронномполупроводнике - ионами доноров от которых оттолкнулись электроны, компенсировавшие их заряд. В первомслучае происходит обогащение, во втором – обеднение приповерхностного слоя основными носителями.Протяжённость подвижных зарядов в обогащённом слое называется длинной Дебая(дебаевской длиной), а протяжённость неподвижных ионных зарядов – глубиной обеднённого слоя.
Обогащенныеи обеднённые слои тем тоньше, чем больше концентрация примесей, а значит и концентрация основныхносителей. Тонкие слои свойственны низкоомным полупроводникам, а толстые – высокоомным.Разность потенциалов между поверхностью и объёмом полупроводника называется поверхностнымпотенциалом (φS ), эта разность потенциалов возникает из-за различия зарядов между объёмом и поверхностью(потенциал в объёме полупроводника принимается равным нулю).Заметим, что при отсутствии внешнего поля поверхностный потенциал не спадает до нуля, а имеетконечную величину φS0.
Эта величина обусловлена наличием поверхностных состояний, которые способнызахватывать или отдавать электроны на сравнительно длительное время. Ещё необходимо учитывать контактнуюразность потенциалов между металлом и полупроводником.Анализ распределения электрического поля в полупроводнике и его связь с зарядом производится спомощью уравнения Пауссона.divE = −1εε 0⋅ρгде E = − gradϕ - напряжённость электрического поля, φ – электрический потенциал,(9.1)ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, ρ –плотность объемного заряда, определяемая концентрациями электронов n , дырок p и ионизированных примесейNA и ND .В приближении одномерного случая:qdE=⋅( p + ND − n − N A) ,dx εε 0(9.2)Концентрация свободных носителей в правой части уравнения связана с величиной электростатическогопотенциала.
Это уравнение позволяет определить распределение потенциала в полупроводнике при различныхпредположениях о распределении концентрации свободных носителейДля собственного полупроводника n 0 = p 0 = n i ; N D = N A = 0 (n0 и p0 – концентрация электронов идырок в глубине полупроводника)n = n0 exp ϕ ϕ T;p = p 0 exp ϕ ϕ T ;ϕ T = k T q - температурный потенциал;ϕ ( x) = ϕ S exp (− x λ D )λ D - дебаевская длина в собственном полупроводнике:λD =εε 02qni(9.3)ϕT .К примеру, для кремния λ D составляет около 14мкм.
Зная функцию ϕ (T ) , можно получить распределениянапряженности электрического поля и концентрации носителей по глубине приповерхностного слоя приразличных температурах полупроводника.Приповерхностный слой оказывается обогащенным либо дырками, либо электронами (на рис.9.2представлен случай, когда ϕ<0, отрицательный потенциал на затворе, слой полупроводника обогащениедырками).Анализ показывает, что поверхностный потенциал составляет тем большую долю приложенногонапряжения, чем тоньше диэлектрик (обычно поверхностный потенциал не превышает нескольких десятых долейвольта).Для примесного полупроводника режим обогащения соответствует такой полярности приложенногонапряжения, при которой основные носители притягиваются к поверхности. При этом имеет место распределениеϕ(x), но дебаевская длина выражается формулой:λD =εε 0qN D , AϕT ,(9.4)зависящей от концентрации ионизированной примеси (донорной или акцепторной).Поскольку N D , A >> n i , дебаевская длина в примесных полупроводниках гораздо меньше, чем всобственных полупроводниках.
Кроме того, она мало зависит от материала. Типичное значение λ D ≈ 0,04 мкм.Электрическое поле проникает в примесные полупроводники на незачительную глубину.Режим обеднения соответствует такой полярности приложенного напряжения, при которой основныеносители отталкиваются от поверхности. Отталкивание основных носителей приводит к появлениюнескомпенсированного объемного заряда примесных ионов. Толщина обедненного слоя определяется изуравнения Пуассона (при плотности заряда в приповерхностном слое, равном ρ = qN D , A ):λOC =2εε 0ϕS ,qN D, А(9.5)и зависит от поверхностного потенциала, и следовательно, от приложенного напряжения.С ростом напряжения основные носители продолжают отталкиваться от поверхности (обедненный слоирасширяется), но одновременно к поверхности притягиваются неосновные носители.
При концентрацииэлектронов равной концентрации дырок, полупроводник из примесного становится собственным.С дальнейшим ростом напряжения нарастающий заряд неосновных носителей превысит заряд основныхносителей, изменится тип проводимости приповерхностного слоя, это явление называется инверсией типапроводимости. Слой, образованный неосновными носителями называется инверсным слоем (толщина инверсногослоя порядка 1-2нм, что соответствует 3-4 постоянным кристаллической решетки). В этом состоянииприповерхностный слой превращается в полуметалл и величина поверхностного потенциала ϕ S сохраняетпостоянное значение.Рассмотрим пример перехода полупроводника (p –типа) в состояния с различным типом проводимостипри изменении напряжения на затворе U З :U З < 0 - режим обогащения;0 < U З < U пор – режим обеднения;U З = U пор – превращение в собственного полупроводника, n S = p S = ni ;U З > U пор – режим инверсии, n S > p S .Для полупроводника n – типа, указанные режимы реализуются при изменении полярности приложенногонапряжения.UИUЗЗатвор АlДиэлектрик (SiO2)nПодложкаPИстокРис 9.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
