Электротехника и электроника

микроэлектроника
интегральная схема
технология изготовления ИС
материалы
степень интеграции
производство

Элементная база цифровых схем

Собственный полупроводник- беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой

Легирование донорными примесями
Легирование акцепторными примесями
Возникновение электронного полупроводника (до-норного, n-полупроводника)
Возникновение акцепторного полупроводника

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых значительно различаются.

По соотношению концентраций примесей в p- и n- слоях переходы делят:
симметричные несимметричные
односторонние

Электрическая структура p-n-перехода: а – начальное состояние слоев; б – объемные заряды в реальном переходе; в – объемные заряды в идеализированном переходе.

Электрические р-n- переходы

Прямое напряжение уменьшается с увеличением площади перехода
ВАХ идеализированных диодов (p—n - переходов) при разной ширине запрещенной зоны (г) и разной площади перехода (д)

Чем меньше тепловой ток, тем больше прямое напряжение и наоборот .
ВАХ идеализированных диодов (p - n - переходов) при разной температуре (а), (б).

Электронно-дырочные переходы
Полупроводниковый диод: а – условное обозначение; б – структура; в – прямой p-n-переход; г – обратный p-n-переход.

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n-переходом и двумя выводами.
В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении, различают точечные диоды, сплавные и микросплавные, с диффузионной базой, эпитаксиальные и др.
Полупроводниковые диоды
p n

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Выпрямительные диоды
ВАХ для и
диодов
Si (кремний)
Ge (германий)
кремневого
германиевого

Выпрямительный диод

Диодные выпрямители

Стабилитрон — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения.
На ВАХ стабилитронов имеется участок со слабой зависимостью напряжения от тока, режим туннельного или лавинного пробоя
Icт = (Imах + Imin) / 2. R0/Rд>>1
ΔUст = R0(ΔIн – ΔIст).
Стабилитроны
схема включения
стабилитрона
участок ВАХ со слабой зависимостью напряжения от тока
Si (кремний)

Структурная схема источника питания

Варикап — нелинейный управляемый конденсатор.
В полупроводниковых диодах зависимость барьерной емкости от напряжения нелинейна, поэтому любой полупроводниковый прибор с
р-n-переходом, в принципе, может быть использован как конденсатор с емкостью, управляемой напряжением.
Св (U) = Cв (0) (Uк/Uо + U)1/n,
Варикапы
Cв (0) — емкость при нулевом напряжении на диоде; Uк — значение контактного потенциала; U — приложенное обратное напряжение (n = 2 для резких переходов и n = 3 для плавных переходов).
Si (кремний)
Ge (германий)

Туннельный диод

Статическая вольт-амперная характеристика туннельного диода

Зонные диаграммы туннельного диода
при прямом смещении
при обратном смещении
Температурные зависимости прямого
тока от напряжения в туннельных диодах:
а) германиевый диод 1И403;
б) арсенидгаллиевый диод 3И202

Светодиод — полупроводниковый диод с одним
p-n переходом, способный излучать видимый свет за счёт инжекционной электролюминесценции в диапазоне прямого напряжения (1,2÷2 В).
Светодиоды
hν
принцип работы светодиода
GaP(фосфид Ga)
GaAs (арсенид галлия)

Внутренность светодиода!

Изменение прямого напряжения светодиода
от тока и излучаемого цвета.

Базовая структура светодиодного индикатора.

Схема составных частей стандартного светодиода.

Разновидности видов колб.

Схемы конструкций различных светодиодных источников

Где применяют светодиоды?
все виды световой рекламы
замена неона
дизайн помещений
дизайн мебели
архитектурная и ландшафтная подсветка
одноцветные дисплеи с бегущей строкой
магистральные информационные табло
полноцветные дисплеи для больших видео экранов
внутреннее и внешнее освещение в автомобилях, грузовиках и автобусах
дорожные знаки и светофоры

Разновидности цифровых индикаторов.

Преимущества светодиодов.
Экономично
Удобно
Надежно
Красиво
Компактность

Фотодиод — полупроводниковый диод с одним
p-n переходом с внутренним фотоэффектом.
Фотогальванический эффект — протекание фототока под действием света.
Фотодиоды
Ф1
Ф2
Ф3
структурная схема
вольтамперная характеристика
темновой ток
Si (кремний)

Транзистор — полупроводниковый прибор, способный усиливать электрическую мощность.
Принцип работы усилительного прибора основан на изменении его активного или реактивного сопротивления под воздействием сигнала малой мощности.
Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-пере-ходами и тремя или более выводами. Их усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.
Биполярные транзисторы
n-p-n p-n-p

История создания транзистора
В 1947 годуВ 1947 году Уильям ШоклиВ 1947 году Уильям Шокли, Джон БардинВ 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер БраттейнВ 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell LabsВ 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзисторВ 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 годуВ 1947 году Уильям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор. По технологии изготовления он относился к классу точечных транзисторов. В 1956 году они были награждены Нобелевской премией по физике «за исследования полупроводников и открытие транзисторного эффекта».
Джон Бардин вскоре был удостоен Нобелевской премии во второй раз за создание теории сверхпроводимости.
Копия первого мире работающего транзистора

Структура нанотранзистора

Структура транзисторов

Принцип работы биполярного транзистора основан на изменении сопротивления обратно смещенного p-n-перехода за счет инжекции носителей заряда.
Физические процессы
Схема инжекции
электронов в p-область на модели — а
и на энергетической диаграмме — б

коэффициент передачи эмиттерного тока в кол-
лектор:
коэффициент инжекции:
коэффициент переноса:
Основные параметры
Гидравлическая модель, иллюстрирующая принцип работы усилителя
на биполярном транзисторе:
а — эмиттерный переход закрыт;
б — эмиттерный переход открыт

Схемы включения

Режимы работы
схема
включения
входная
характеристика
выходная
характеристика

Модель Эберса-Молла
Выходные характеристики в схеме включения с ОБ, построенные
в соответствии с математической моделью Эберса-Мола — сплошные линии
(реальные характеристики показаны пунктирными линиями); I — область нормального активного режима, II — область насыщения, III — область лавинного пробоя; Jnk, Jnэ, Jnб — потоки электронов, инжектированных из эмиттера; J’nk, J’nэ, J’nб — потоки электронов, инжектированных из коллектора (а–ж)
Модель Эберса-Молла

входное сопротивление при коротком замыкании на входе.
коэффициент обратной связи по напряжению.
коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе.
выходная проводимость при холостом ходе на входе.
Н-параметры транзисторов
Схема транзистора,
представленного в виде активного
четырехполюсника
[Ом]
[Ом-1]

Полупроводниковые приборы
Униполярные транзисторы

Структура МДП-транзистора

Структура МДП-транзистора

МДП-транзисторы
Структура МДП-транзистора
С индуцированным
n-каналом
p-каналом
n-каналом
p-каналом
Со встроенным

Пороговое напряжение
Энергетические диаграммы МДП-транзистора
Co = εпεо/t.
Удельная ёмкость
Исходное состояние
Состояние после подачи напряжения спрямления зон U0F
Состояние после подачи напряжения изгиба зон U0B

Электрические характеристики
МДП-транзистора
Структура канала и области объёмного заряда МДП-транзистора
В линейном режиме
В начале насыщения
В режиме насыщения

Статические характеристики
МДП-транзистора
Выходные
Передаточные

Полевые транзисторы
Упрощенная структура полевого транзистора с управляющим p-n переходом
Структура полевого транзистора с повышенным быстродействием

Полевые транзисторы
Типовые структуры
Условные обозначения транзистора, имеющего канал
n-типа
р-типа

Статические характеристики
полевого транзистора
Выходные
Передаточные

Модель полевого транзистора
В равновесном состоянии
В режиме отсечки

Малосигнальные параметры
Крутизна
Внутреннее сопротивление
Коэффициент усиления
Малосигнальные параметры связаны соотношением:
K = SRC

Полупроводниковые приборы
Тиристоры

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя и более p-n-переходами, ВАХ которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Тиристоры изготавливают из кремния
Тиристоры
Условные обозначения тиристоров

Тиристоры
Диодные
(динисторы)
Триодные
(тринисторы)
Несимметричные
Симметричные
Несимметричные
Симметричные

Триодный тиристор
Рассмотрим триодный тиристор, построенный на основе диодного тиристора с добавлением управляющего электрода

ВАХ Тиристора
При повышении прямого напряжения(за счёт увеличения Епит) ток тиристора сначала увеличивается незначительно, пока прямое напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, называемому напряжением включения.
Происходит лавинообразный процесс и лавинное умножение носителей заряда. С увеличением электронов и дырок ток в переходе быстро возрастает. Падение напряжения на тиристоре падает.
Переход П2 при этом не разрушается, и если уменьшит ток, то восстанавливается сопротивление перехода.