шпоры к экзамену по электронике (555838), страница 2

1. ЛПД

Лавинно-пролетный диод — диод, основанный на лавинном умножении носителей заряда. Лавинно-пролетные диоды применяются в основном для генерации колебаний в диапазоне СВЧ. Процессы, происходящие в полупроводниковой структуре диода, ведут к тому, что активная составляющая полного комплексного сопротивления на малом переменном сигнале в определенном диапазоне частот отрицательна. Рабочей для лавинно-пролетного диода является область лавинного пробоя. Для изготовления лавинно-пролетных диодов используют кремний и арсенид галлия. Такие диоды могут иметь различные полупроводниковые структуры: p⁺-n-n⁺, p⁺-n-i-n⁺, m-n-n⁺ (m-n — переход металл-полупроводник), n⁺-n-p-p⁺ и другие. Распределение концентраций примесей в переходах должно быть как можно ближе к ступенчатому, а сами переходы — максимально плоскими. Рассмотрим в качестве примера p⁺-n-n⁺ структуру. Центральная слаболегированная n-область называется базой. При напряжении, близком к пробивному, обедненный слой p⁺-n-перехода распространяется на всю базу. При этом напряжённость электрического поля растет от n-n⁺-перехода к p⁺-n переходу, вблизи которого можно выделить тонкую область, в котором напряжённость превышает пробивное значение, и происходит лавинное размножение носителей. Образующиеся при этом дырки утягиваются полем в p⁺-область, а электроны дрейфуют к n⁺-области. Эта область называется слоем лавинного размножения. За его пределами дополнительных электронов не возникает. Таким образом, слой лавинного размножения является поставщиком электронов. При подаче на контакты диода переменного напряжения такого, что в течение положительного полупериода напряжение существенно больше, а в течение отрицательного — существенно меньше напряжения пробоя, ток в слое умножения приобретает вид коротких импульсов, максимум которых запаздывает по отношению к максимуму напряжения приблизительно на четверть периода (лавинное запаздывание). Из слоя умножения периодически выходят сгустки электронов, которые движутся через слой дрейфа в течение отрицательного полупериода, когда процесс генерации электронов в слое умножения прекращается. Движущиеся сгустки наводят во внешней цепи ток, почти постоянный в течение времени пролета. Таким образом, ток в диоде имеет вид прямоугольных импульсов. Этот режим работы диода называется пролетным. КПД этого режима не превышает 0,3. Если амплитуда переменного напряжения на диоде достигает значения, примерно равного пробивному напряжению, то в лавинной области образуется столь плотный объёмный заряд электронов, что напряжённость поля со стороны p+-области понижается практически до нуля, а в области базы повышается до уровня, достаточного для развития процесса ударной ионизации. В результате этого процесса слой лавинного умножения смещается и формируется в области базы на фронте сгустка электронов. Таким образом, в области дрейфа образуется движущаяся в

1. Диоды Ганна.

Диод Ганна — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, а на собственных объёмных свойствах полупроводника. Традиционно диод Ганна состоит из слоя арсенида галлия толщиной от единиц до сотен микрометров с омическими контактами с обеих сторон. В этом материале в зоне проводимости имеются два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов — «тяжёлые» и «лёгкие». В связи с этим с ростом напряжённости электрического поля средняя дрейфовая скорость электронов увеличивается до достижения полем некоторого критического значения, а затем уменьшается, стремясь к скорости насыщения. Таким образом, если к диоду приложено напряжение, превышающее произведение критической напряжённости поля на толщину слоя арсенида галлия в диоде, равномерное распределение напряжённости по толщине слоя становится неустойчиво. Тогда при возникновении даже в тонкой области небольшого увеличения напряжённости поля электроны, расположенные ближе к аноду, «отступят» от этой области к нему, а электроны, расположенные у катода, будут пытаться «догнать» получившийся движущийся к аноду двойной слой зарядов. При движении напряженность поля в этом слое будет непрерывно возрастать, а вне его — снижаться, пока не достигнет равновесного значения. Такой движущийся двойной слой зарядов с высокой напряжённостью электрического поля внутри получил название домена сильного поля, а напряжение, при котором он возникает — порогового. В момент зарождения домена ток в диоде максимален. По мере формирования домена он уменьшается и достигает своего минимума по окончании формирования. Достигая анода, домен разрушается, и ток снова возрастает. Но едва он достигнет максимума, у катода формируется новый домен. Частота, с которой этот процесс повторяется, обратно пропорциональна толщине слоя полупроводника и называется пролетной частотой. При помещении диода Ганна в резонатор возможны другие режимы генерации, при которых частота колебаний может быть сделана как ниже, так и выше пролетной частоты. Наряду с арсенидом галлия для изготовления диодов Ганна также используется фосфид индия, на котором и была достигнута наиболее высокая частота колебаний в диодах Ганна - 170 ГГц. На рисунке приведена ВАХ диода Ганна.

1. Устройство биполярных транзисторов. Распределение примеси, схемы включения, режимы работы.

В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков — основных и неосновных, что отражено в их названии. Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n-p-n или p-n-p, которые называются соответственно эмиттером, базой и коллектором; эти области разделены двумя взаимодействующими между собой p-n-переходами — эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благодаря тому, что расстояние между ними (толщина базы) много меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. К полупроводниковым областям созданы омические контакты и внешние выводы. Принцип действия транзисторов типа n-p-n и p-n-p одинаков. Рассмотрим назначение основных областей полупроводниковой структуры n-p-n-транзистора и его принцип действия на примере простейшей одномерной модели. В этой модели p-n-переходы считаются плоскими, а носители движутся только в одном направлении — вдоль оси x, перпендикулярной переходам. Штриховкой показаны обедненные слои p-n-переходов; расстояние между ними дает физическую толщину базы, а расстояние между металлургическими границами — технологическую толщину базы. Энергетическая диаграмма для одномерной модели в состоянии равновесия (при нулевых напряжениях на переходах) показана на рисунке на обороте. Она является совмещением энергетических диаграмм p-n-переходов. Равновесная система характеризуется единым уровнем Ферми. На границе эмиттера и базы образуется энергетический барьер высотой qφ_0Э, а на границе базы с коллектором — барьер высотой qφ_0К. Небольшое искривление границ энергетических зон в базе обусловлено внутренним электрическим полем в базе, возникающим вследствие неравномерного распределения акцепторов, — их концентрация у границы базы с эмиттерным переходом значительно выше концентрации у границы с коллекторным переходом. Такое распределение примесей характерно для большинства транзисторов. Внутреннее поле ускоряет электроны, движущиеся в базе от эмиттера к коллектору. В активном режиме, являющемся основным для усилительных схем, на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке на обороте. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_ЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера (что и отражено в его названии) —обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере должна быть больше концентрации акцепторов в базе. Транзисторы с неоднородно легированной базой, в которой существенно дрейфовое движение, называют дрейфовыми.

1. Физические процессы в биполярном транзисторе. Эффект Эрли.

Для анализа физических процессов в биполярном транзисторе необходимо выбрать режим его работы, так как каждый режим работы характеризуется своим сочетанием полярностей рабочих напряжений и, как следствие, различными физическими процессами. Рассмотрим активный режим, который является основным для усилительных схем. В активном режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный — обратное. Энергетическая диаграмма в активном режиме приведена на рисунке на обороте. Потенциальный барьер эмиттерного перехода уменьшается на значение прямого напряжения U_ЭБ, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу. Основное назначение эмиттера (что и отражено в его названии) —обеспечить максимально возможную при данном прямом токе одностороннюю инжекцию электронов в базу. Для этого концентрация доноров в эмиттере должна быть больше концентрации акцепторов в базе. В активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу электроны. Токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_К=dU_КБ/dI_К очень велико, что характерно для p-n-переходов, включенных в обратном направлении. В схеме с общей базой в активном режиме коллекторный ток можно представить следующим образом: I_К = αI_Э + I_КБ0, где I_КБ0 – собственный ток обратного коллекторного p-n-перехода, α – статический коэффициент передачи тока в схеме с общей базой, характеризующий потери на рекомбинации. α = (I_К – I_КБ0)/I_Э. Обычно α ≈ 1. Коэффициент α зависит от напряжения на коллекторе. Изменение напряжения на коллекторе влечет за собой изменение ширины обедненной области коллекторного p-n-перехода, что в свою очередь вызывает изменение ширины базы. При увеличении абсолютного значения напряжения на U_КБ ширина базы уменьшается, и вероятность рекомбинации носителя до попадания в ускоряющее поле убывает. Поэтому коэффициент передачи увеличивается. Эффект изменения коэффициента передачи при изменении напряжения на коллекторе называют эффектом Эрли. На рисунке на обороте приведено семейство выходных ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой, иллюстрирующие влияние эффекта Эрли.

направлении n⁺-области лавина, которая оставляет за собой большое количество электронов и дырок. В области, заполненной этими носителями, напряжённость поля понижается почти до нуля. Это состояние принято называть компенсированной полупроводниковой плазмой, а режим работы лавинно-пролетного диода — режимом с захваченной плазмой. В этом режиме можно выделить три фазы. Первая — образование лавинного ударного фронта, прохождение его через диод, оставляя его заполненным плазмой, захваченной слабым электрическим полем. Ток, текущий через диод в этой фазе, существенно увеличивается из-за дополнительного размножения носителей в базе, а напряжение на диоде за счет образования плазмы снижается почти до нуля. Вторая фаза — период восстановления. База диода в этой фазе наполнена электронно-дырочной плазмой. Дырки из области базы дрейфуют к p⁺-области, а электроны — к n⁺-области со скоростью значительно меньшей, чем дрейфовая скорость насыщения. Плазма постепенно рассасывается. Ток в этой фазе остается неизменным. Наступает третья фаза, характеризуемая высоким значением напряженности поля в диоде и предшествующая новому образованию лавинного ударного фронта. Наибольшую длительность имеет именно третья фаза. Процессы режима с захваченной плазмой протекают заметно дольше, чем процессы пролетного режима. КПД режима с захваченной плазмой при этом заметно выше КПД пролетного режима и превышает 0,5. На рисунке изображены графики, иллюстрирующие процессы при пролётном режиме работы ЛПД.

В активном режиме коллектор собирает (коллектирует) инжектированные в базу электроны. Токи коллектора и эмиттера почти одинаковы, а их разность равна току базы. Коллекторный ток практически не зависит от напряжения на коллекторном переходе, поскольку при любом обратном напряжении все электроны, достигающие в базе коллекторного перехода, попадают в его ускоряющее поле и уносятся в коллектор. Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода r_К=dU_КБ/dI_К очень велико, что характерно для p-n-переходов, включенных в обратном направлении. В цепь коллектора можно включить нагрузочный резистор с достаточно большим сопротивлением R_н без существенного уменьшения коллекторного тока. В то же время дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода r_Э=dU_КБ/dI_Б, включенного в прямом направлении, очень мало. При увеличении эмиттерного (входного) тока коллекторный ток возрастает приблизительно на то же значение. Изменение мощности, потребляемой в цепи эмиттера, может быть много меньше изменения мощности, выделяемой в нагрузке. Говорят, что электрическая схема, содержащая транзистор, источник питания и нагрузочный резистор, способна «усиливать» мощность электрического сигнала.

1. Коэффициенты передачи тока в транзисторе.

1. ВАХ транзистора для схемы с общей базой. Режимы работы, h-параметры.

1. ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером. Режимы работы, h-параметры.

1. Высокочастотные свойства транзистора, эквивалентные схемы.

1. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме, импульсные параметры.

1. Особенности транзисторов интегральных схем. Паразитный транзистор, скрытая n⁺-область.

1. Диодное включение транзистора интегральных схем и его параметры.

1. Физические процессы в МДП-транзисторе. Режим обеднения, инверсии, обогащения, пороговое напряжение.