Полупроводники и их свойства. Кристаллическая решетка.

К полупроводникам относят многие химические элементы. Такие, как кремний(Si), германий(Ge), индий(In), фосфор(Р), большинство оксидов, сульфидов, селенидов, некоторые сплавы, ряд минералов. Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники. Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ - См/м (для металлов – 10⁶ – 10⁸ См/м, для диэлектриков – 10^-8 – 10^-13 См/м). Основной особенностью полупроводников является возрастание удельной электрической проводимости с повышением температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела. Атомы всех веществ состоят из ядра и электронов, движущихся по замкнутой орбите вокруг ядра. Электроны в атоме группируются в оболочке.

У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов - кремния и германия, кристаллическая решетка тетраэдрическая. Каждый валентный электрон, т. е. электрон, находящийся на внешней, незаполненной оболочке атома, в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны ковалентными связями 28 (ковалентной называется связь между парой валентных электронов двух атомов, на рисунке 1.2 она показана двумя линиями). Эти связи являются прочными. Чтобы их разорвать, нужно извне приложить энергию.

Емкости р-n-перехода

По обе стороны от границы р-n-перехода находятся ионизированные атомы донорной и акцепторной примесей, образующие отрицательные и положительные пространственные заряды. При изменении напряжения, приложенного к переходу, изменяется его ширина и пространственный заряд. Поэтому плоскостной рn-переход можно рассматривать как две пластины конденсатора с равными по значению, но противоположными по знаку зарядами (Qp = -Qn), т.е. рn-переход обладает емкостью. Емкость, обусловленная перераспределением зарядов в переходе, называется барьерной. Заряд Q зависит от напряжения, но не пропорционален ему, и емкость определяется как отношение приращения пространственных зарядов в р-n-переходе к вызвавшему это приращение изменению напряжения:

При подключении к р-n-переходу прямого напряжения из каждой области полупроводника в смежную инжектируются неосновные для нее носители заряда (вследствие диффузии при понизившемся потенциальном барьере). В тонких слоях около границы р-n-перехода возникает избыточная концентрация неосновных носителей. Для нейтрализации этого избыточного заряда из прилегающих слоев отсасываются основные носители, число которых пополняется за счет источника. Таким образом, в каждой области у границы рn-перехода возникают равные по значению, но противоположные по знаку заряды Q_ДИФ. При изменении напряжения изменяется число инжектированных носителей и заряд. Изменение заряда на границе перехода подобно изменению зарядов на обкладках конденсатора при изменении приложенного к нему напряжения. Емкость, связанную с изменением инжектированных носителей при изменении напряжения, называют диффузионной и определяют как отношение приращения инжектированного заряда в базе к вызвавшему его приращению напряжения:

C_ДИФ = dQ_ИНЖ / dU.

Диффузионная емкость увеличивается с увеличением прямого тока. Кроме того, она тем больше, чем больше время жизни неосновных инжектированных носителей заряда, т.к. при этом меньше рекомбинация и больше носителей успевает накапливается у границы рn-перехода.

При подключении к рn-переходу обратного напряжения перераспределение зарядов вследствие экстракции незначительно, поэтому диффузионная емкость мала. При прямом напряжении диффузионная емкость значительно больше барьерной, а при обратном напряжении наоборот. Поэтому при прямом напряжении учитывают C_ДИФ, а при обратном – C_б.

Принцип работы усилителя.

Усилительные устройства предназначены для усиления переменных сигналов и, в частности, синусоидальных сигналов, подаваемых на вход усилителя.

Наличие одного только усилительного элемента (биполярного или полевого транзистора) без других элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) не может обеспечить усиление переменного сигнала. Связано это с тем обстоятельством, что усилительный элемент требует определенной полярности на всех электродах, т.е. он может преобразовывать сигналы только пульсирующие (одной полярности). Следовательно, усилительное устройство должно содержать элементы, позволяющие преобразовывать переменные сигналы на входе усилительного устройства в пульсирующие сигналы на электродах усилительного элемента. Такими элементами являются источник питания (с постоянной ЭДС EК и резисторы RК и Rб), задающие определенные постоянные потенциалы на электродах усилительного элемента, т.е. режим работы по постоянному току, так называемую рабочую точку на ВАХ транзистора. Переменный электрический сигнал, подаваемый на вход, складывается с постоянной составляющей от источника питания и вызывает изменение потенциалов необходимой полярности на всех электродах усилительного элемента. В результате на выходе также будет получен усиленный переменный сигнал.

Для обеспечения динамического режима работы усилительного элемента последовательно с ним в цепь постоянного источника включается нагрузочный резистор RК. При этом в соответствии со 2-м законом Кирхгофа изменение напряжения на этом резисторе будет иметь такой же характер, как и на усилительном элементе, но только противоположной полярности. Включение источника питания Ек и нагрузочного резистора Rк к биполярному транзистору показано на рисунке.

Значения постоянных напряжений Uкэо и Uбэо и тока Iбо транзистора в режиме покоя определяются с помощью, приведенных на рисунке, статических переходных характеристик.

Стабилизатор тока.

Стабилизатор тока - это полупроводниковый прибор, предназначенный для стабилизации тока на необходимом уровне, и значения которого не зависит от входных напряжений и сопротивлений нагрузки. Он обладает низкой стоимостью и предоставляет возможность упростить разработку схем для многих электронных приборов.

Параметрический стабилизатор тока выполняется на транзисторе, включенном по схеме с ОБ. Эмиттерный ток транзистора I_Э=Ucт/R1, поскольку обычно сопротивление резистора R₁ значительно больше сопротивления, эмиттерного перехода. Т.к. ток коллектора I_К = Н21 ⋅Iэ = H21 ⋅Uст /Rэ не зависит от сопротивления нагрузки и входного напряжения, данная схема является стабилизатором тока.

Компенсационный стабилизатор тока имеет схему, аналогичную схеме компенсационного стабилизатора напряжения. Отличие состоит лишь в том, что резистор нагрузки подключается вместо резистора R3. В качестве источника опорного напряжения используется параметрический стабилизатор на низковольтном стабилитроне VD.

Сопротивление эталонного резистора определяют по формуле: R_ЭТ = (Uоп +UбэVT2) / Iн.

Поскольку все параметры в этой формуле стабильны и не зависят от входного напряжения и тока нагрузки, стабилен и ток нагрузки.

Полупроводники и их свойства. Кристаллическая решетка.

К полупроводникам относят многие химические элементы. Такие, как кремний(Si), германий(Ge), индий(In), фосфор(Р), большинство оксидов, сульфидов, селенидов, некоторые сплавы, ряд минералов. Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники. Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10^-8 до 10⁵ - См/м (для металлов – 10⁶ – 10⁸ См/м, для диэлектриков – 10^-8 – 10^-13 См/м). Основной особенностью полупроводников является возрастание удельной электрической проводимости с повышением температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников значительно зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

Свойства полупроводников хорошо поясняются с помощью зонной теории твердого тела. Атомы всех веществ состоят из ядра и электронов, движущихся по замкнутой орбите вокруг ядра. Электроны в атоме группируются в оболочке.

У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов - кремния и германия, кристаллическая решетка тетраэдрическая. Каждый валентный электрон, т. е. электрон, находящийся на внешней, незаполненной оболочке атома, в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. Все атомы в кристаллической решетке расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и связаны ковалентными связями 28 (ковалентной называется связь между парой валентных электронов двух атомов, на рисунке 1.2 она показана двумя линиями). Эти связи являются прочными. Чтобы их разорвать, нужно извне приложить энергию.