А.3 Напівпровідникові пристрої

⇐ ПредыдущаяСтр 15 из 16Следующая ⇒

Спершу розглянемо принцип дії напівпровідникових приладів. Оскільки для комп'ютера найбільш важливими є транзистори, саме ними ми розгляд напівпровідникових пристроїв і обмежимо.

Напівпровідниками називають групу елементів і їх з'єднань, у яких питомий опір займає проміжне місце між провідниками і діелектриками. Вихідним матеріалом для виготовлення напівпровідникових приладів є елементи четвертої групи періодичної системи Менделєєва (кремній, германій тощо), а також їх з'єднання. Всі вони є кристалічними речовинами за нормальних умов.

При підвищенні температури або при опромінюванні напівпровідника променистою енергією, частина валентних електронів, одержавши необхідну енергію, залишають ковалентні зв'язки, при цьому вони стають носіями електричних зарядів. Одночасно, при розриві ковалентних зв'язків, утворюються і «дірки» – незаповнені ковалентні зв'язки. У хімічно чистих напівпровідниках, як легко здогадатися, кількість вільних електронів дорівнює кількості дірок. Таким чином, напівпровідник не втрачає електричної нейтральності, оскільки кількість дірок і кількість вільних електронів у ньому однакові. У електричному і магнітних полях дірка поводиться як частинка з позитивним зарядом, рівним заряду електрона.

Дірка (незаповнений ковалентний зв'язок) може бути заповнена електроном, що покинув сусідній ковалентний зв'язок. Один ковалентний зв'язок розривається, інший – відновлюється. Таким чином з’являється враження, що дірка переміщається по кристалу. Розрив ковалентних зв'язків, в результаті якого утворюються вільний електрон і дірка, називається генерацією, а відновлення ковалентного зв'язку – рекомбінацією.

За відсутності електричного поля вільні електрони і дірки здійснюють хаотичні теплові переміщення по кристалу, що, відповідно, не супроводжується появою струму. При наявності ж зовнішнього електричного поля переміщення вільних електронів і дірок упорядковується, і в результаті через напівпровідник починає текти струм. Провідність, обумовлена рухом вільних електронів, називається електронною (n-тип від “negative” – негативний), а дірок – відповідно дірковою (p-тип від “positive” – позитивний).

Основним для чистих напівпровідників є n-тип, оскільки електрони мають велику рухливість. Якщо ж внести в напівпровідник атоми з нижчою валентністю (т.з. акцептори), чим сам напівпровідник, то він набуде p-тип, оскільки низьковалентні атоми охоче поглинатимуть вільні електрони.

Ділянка, де напівпровідник з електронним типом провідності стикується з напівпровідником з дірковим типом провідності називається p-n переходом.

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в монокристалі з різними типами провідності.

У n-ділянки концентрація електронів більше, ніж в p-ділянки і навпаки – для дірок.

Під дією градієнта концентрації виникає дифузія основних носіїв заряду. Електрони дифундують в p-ділянку, а дірки – в n-ділянку. Виникають ділянки з надмірними концентраціями нерухомих зарядів неосновного носія для даного типу напівпровідника. Таким чином виникає внутрішнє дифузійне поле Е_зап p-n переходу, і встановлюється контактна різниця потенціалів між двома типами напівпровідника, яка залежить від матеріалу, домішки і ступеня її концентрації.

Під дією внутрішнього дифузійного поля основні носії відтісняються від межі напівпровідників, таким чином, на межі утворюється тонкий шар, практично позбавлений основних носіїв заряду, а тому має високий опір.

Цей шар називається запірним шаром.

Неосновні носії вільно проходять крізь внутрішнє поле p-n переходу, оскільки воно для них є полем, що розганяє, і створюють струм провідності (дрейфу). Основні носії, долаючи дифузійне поле, створюють дифузійний струм. За відсутності зовнішнього поля дифузійний струм і струм дрейфу рівні. Такий стан називається рівноважним.

Якщо до p-n переходу прикласти зовнішню пряму напругу (позитивний полюс приєднаний до p-ділянки, негативний – до n, то зовнішнє електричне поле цього джерела буде протилежним внутрішньому дифузійному полю. Напруженість поля переходу падає, ширина запірного шару зменшується, а разом з нею – і висота потенціального бар'єру. Через зменшення висоти потенціального бар'єру зростає дифузійний струм, а струми дрейфу зменшуються. В результаті утворюється результуючий т.з. прямий струм , що тече в напрямі від p до n-ділянки.

Якщо ж прикласти напругу зворотної спрямованості (т.з. зворотне включення), то напруженість внутрішнього поля p-n переходу зростає, дифузійні струми зменшуються практично до нуля (росте потенціальний бар'єр). Струм же дрейфу практично не змінює свого значення. Виникає зворотний струм – , який пропорційний кількості неосновних носіїв в напівпровіднику і набагато менше (приблизно на 6 порядків) прямого струму. Таким чином, можна вважати, що напівпровідник з p-n переходом має односторонню провідність.

При роботі в p-n переході може спостерігатися його пробій при зворотній напрузі, оскільки при зростанні зворотної напруги зростає напруженість внутрішнього поля переходу, яке веде до зростання рухливості носіїв, що формують зворотний струм. При їх достатній швидкості через розрив ковалентних зв'язків утворюються додаткові електрони і дірки, які, в свою чергу при зіткненнях можуть створювати нові і нові носії. Цей процес називається лавинним розмноженням і веде до швидкого наростання зворотного струму. Даний процес є зворотним, поки він не перейшов в тепловий. Наявність об'ємних зарядів і електричного поля в збідненому шарі надає p-n переходу властивості електричної ємності (т.з. бар'єрна ємність p-n переходу). Вона залежить від площі переходу і напруги, що подається до нього.

, (А.2)

де – питома електрична проникність, S – площа p-n переходу, d – ширина запірного шару.

Фізичні характеристики, такі як струм пробою, допустимі температури роботи, допустима потужність розсіяння, потужність приладу і т.п. залежать від матеріалу і способу виготовлення приладу.

А.4 Біполярні транзистори

Біполярний транзистор – монокристал напівпровідника, в якому створені три ділянки з типами провідності, що чергуються (p-n-p або n-p-n). Середню ділянку називають базою, а крайні – колектором і емітером. Перехід між емітером і базою – емітерний перехід, між базою і колектором – колекторний.

Призначення емітерного переходу – уприскування (інжекція) основних носіїв емітера в базову ділянку.

Інжекція емітерного переходу оцінюється через коефіцієнт інжекції:

, (А.3)

відношення емітерного струму, обумовленого носіями емітера до загального струму емітера, створеного як основними носіями емітера, так і основними носіями бази.

Для підвищення ефективності емітера і зменшення складової струму основних носіїв бази, ділянку емітера роблять з більшою концентрацією основних носіїв, ніж ділянка бази.

Для бази носії, які інжектувалися емітером, є неосновними. При прямому зсуві емітерного переходу поблизу нього в базі виникає значне зростання неосновних носіїв. Створюється дифузійний потік від емітерного переходу до колекторного (де їх навпаки — не вистачає). Під дією прискорюючого поля неосновні носії бази втягуються в ділянку колектора, що створює керований колекторний струм I_кк в його ланцюзі.

Коефіцієнт переносу показує, яка частина інжектованих емітером носіїв досягає колекторного переходу (оскільки зрозуміло, що досягають не всі). Цей коефіцієнт визначається як відношення керованого колектором струму до струму емітера, створеного основними носіями.

(А.4)

Також важливим параметром є коефіцієнт передачі струму емітера (приріст струму колектора до приросту струму емітера при незмінній напрузі на колекторному переході).

(А.5)

Цей коефіцієнт мало відрізняється від одиниці (від 0,95 до 0,99). Але окрім колекторного струму, створеного інжекцією, в колекторному ланцюзі тече ще і невеликий за величиною зворотний струм колекторного переходу I_кзв, обумовлений неосновними носіями колектора і бази. При зміні навколишньої температури зворотний струм порушує стабільність роботи транзистора, оскільки I_к = I_кк + I_кзв.

Можна також згадати, що кожен транзистор має ряд параметрів. Частину з них можна назвати параметрами транзисторів при малих струмах, а інші – фізичними параметрами транзистора.

Розглянемо спершу параметри при малих струмах. При малих струмах транзистор можна розглядати як лінійний активний чотириполюсник.

Рисунок А.7 – Чотириполюсник

До фізичних параметрів транзисторів відносяться: r(е) – опір емітерного переходу з урахуванням об'ємного опору емітерної області (звичайно – декілька десятків Ом); r(k) – опір колекторного переходу (від декількох сотень кілоом до мегаома); r(b) – об'ємний опір бази (декілька сот Ом).

Також будь-який транзистор має т.з. граничні характеристики: граничну температуру переходів (для кремнієвих транзисторів до 200 градусів за Цельсієм, для германієвих – до 100) і максимальну потужність, що розсіюється транзистором:

, (А.6)

де T_нав – температура навколишнього середовища, RT_нав – тепловий опір, T_nmax – гранична температура переходів.

Від температури залежать і інші характеристики транзисторів. Наприклад, при підвищенні температури на 10 градусів струм I_кзв зростає в 2 рази, що порушує режим роботи транзистора у бік великих струмів. Тому в промисловості застосовуються транзистори з більш термостійких матеріалів (кремнієві) і різні методи охолоджування схеми.

Проте, біполярні транзистори мають вельми невеликий вхідний опір і високу інерційність. Тому в комп'ютерах використовуються в основному польові транзистори, які (до того ж) набагато легше піддаються мініатюризації. Біполярні транзистори дають більшу швидкодію.

А.5 Польові транзистори

Польові транзистори бувають двох типів – канальні і з ізольованим затвором. Останні і застосовуються в комп'ютерах, їх ми і розглянемо.

Рисунок А.8 – Польові транзистори (канальний та з ізольованим затвором)

Тут (рис. А.8) і далі сірим кольором позначається оксид кремнію SiO₂.

Металевий електрод затвору ізольований від каналу тонким шаром діелектрика (двоокисом кремнію SiO₂). Концентрація домішків в областях стоку і витоку значно більше, ніж в каналі. Основою для транзистора служить напівпровідник p-типу. Витік, стік і затвор мають металеві відводи, за допомогою яких транзистор і підключається до схеми. Такий транзистор також називається МОН-транзистором (метал-окис-напівпровідник).

МОН-транзистори характеризуються такими статичними параметрами режиму насичення:

, при U_c=const, (А.7)

де S – крутизна характеристик, – зміна струму стоку, – зміна напруги на затворі при постійній напрузі на стоці.

,при Uзі=const, (А.8)

де Ri – внутрішній опір, – зміна напруги на стоці, – зміна струму стоку при постійній напрузі на затворі.

, при I_с=const, (А.9)

де m – коефіцієнт посилення, що показує, в скільки разів сильніше впливає на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоці.

U_зі від – зворотна напруга на затворі (напруга відсічення), при якому струмопровідний канал стає перекритим.

Вхідна напруга між затвором і витоком визначається при максимально допустимій напрузі між цими електродами.

На високих частотах також дуже важливими є міжелектродні ємності: вхідна, прохідна і вихідна.

До найважливіших переваг польових транзисторів відносяться:

- Високий вхідний опір (до Ом).

- Малий рівень власних шумів.

- Висока стійкість до температурних і радіоактивних дій.

- Висока щільність елементів при використанні в інтегральних схемах.

- Низька інерційність.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 265; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 11 12 13 141516 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!