Физические основы электроники

Н. М. Егоров, А.А. Баскова
Физические основы электроники

План лекционного курса
Модуль 1
Модуль 2
Модуль 3
Модуль 4
Материалы электронной техники
и их электрофизические свойства
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Приборы вакуумной электроники
Перспективы развития электроники

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Направления развития электроники
Основные направления развития электроники
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Вещества по их способности проводить электрический ток можно разделить на:
1 –проводники;
2 – полупроводники;
3 – изоляторы
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко применяются германий, кремний, а также арсенид галлия.
Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную структуру, но на рис. представлена плоской.
Ядра обладают положительным зарядом +4, который уравновешивается отрицательными зарядами четырех электронов. Вместе с электронами соседних атомов они образую ковалентные связи.
На внешней оболочке атома – 4 своих и 4 электрона, заимствованных у четырех соседних атомов.
Рис. Кристаллическая решетка кремния и германия в плоскостном изображении

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Кристаллическая структура
и типы межатомных связей полупроводников
а б
Кристаллическая решетка (а) и структура связей (б)
между атомами кремния
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дефекты кристаллической решетки
Точечные дефекты кристалла:
а – дефект по Шоттки; б – дефект по Френкелю; в – примесные атомы
а б в
Дислокации в кристаллической решетке: а – линейные;
б – винтовые
а б
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
При температуре, отличной от абсолютного нуля , атомы решетки колеблются и некоторые электроны получают энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от своего атома. Образуется электрон проводимости и дырка – разорванная связь.
За счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно- дырочная пара.
Движение свободного электрона вызывает движение дырки.
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Рис. Движение свободного электрона и дырки в полупроводнике. Сплошная – движение электрона, штриховая – движение дырки

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
При температуре, отличной от абсолютного нуля , атомы решетки колеблются и некоторые электроны получают энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от своего атома. Образуется электрон проводимости и дырка – разорванная связь.
За счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно- дырочная пара.
Движение свободного электрона вызывает движение дырки.
Рис. Движение свободного электрона и дырки в полупроводнике. Сплошная – движение электрона, штриховая – движение дырки
Электронная и дырочные проводимости
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Электронная и дырочные проводимости
Полупроводник, который не имеет примесей называется собственным полупроводником.
В собственно полупроводнике концентрация электронов ni и дырок pi одинакова.
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Способность электронов и дырок двигаться под воздействием электрического тока называют подвижностью.
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Удельная проводимость полупроводника

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Примесные полупроводники
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
При внесении в полупроводник примеси некоторые атомы в его кристаллической решетке замещаются атомами примеси
Рис. Кристаллическая решетка с донорной примесью, некоторые атомы заменены атомами примеси. Концентрация электронов возрастает.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Рис. Кристаллическая решетка с акцепторной примесью, при которой возрастает концентрация дырок.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электропроводность металлов и диэлектриков – элементарное представление
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
В металлах проводимость σ связывает плотность тока j [А/м2]
с напряженностью электрического поля Е [В/м] в виде соотношения, известного как закон Ома в дифференциальной форме
Металлы очень хорошо проводят электрический ток. При комнатной температуре большинство металлов обладает электропроводностью
10 –6–10 –8 [Ом –1*м –1].
Проводимость диэлектриков (изоляторов) настолько мала, что составляет величину порядка10 –16 [Ом –1*м –1].

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электропроводность полупроводников
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Проводимость полупроводника σ определяется суммой электронной σn
и дырочной σp компонент проводимости: . Величина электронной и дырочной компонент в полной проводимости определяется классическим соотношением:
где μn и μp – подвижности электронов и дырок соответственно.
Зависимость относительной удельной проводимости кремния от температуры: 1 – собственный кремний;
2, 3 – примесный кремний

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
где е – заряд электрона;
Е – напряженность электрического поля;
т – масса носителя.
Двигаясь без столкновений, носитель за время t приобретает скорость в направлении поля:
– средняя скорость, приобретаемая носителем;
– среднее время между столкновениями.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Средняя скорость направленного движения свободных носителей заряда в кристалле, или скорость дрейфа, пропорциональна напряженности электрического поля. Коэффициент пропорциональности носит название подвижность
|μ| = [м2/(В·с)]
Плотность дрейфового тока электронов:
где n – концентрация свободных электронов.
Суммарная плотность дрейфового тока:

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Рис. 1.22. Распределение молекул одеколона над каплей
Явление диффузии – от латинского diffusio (разлитие) – характерно не только для жидкостей и газов, но и для твердых тел.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузионный поток:
D – коэффициент диффузии.
|П| = 1/(м2·с)
|D| = м2/с
где n – концентрация носителей;
Коэффициент диффузии зависит от:
l – длина свободного пробега молекул,
– тепловая скорость движения молекул,
– время между столкновениями.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
(продолжение)
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Точный расчет дает следующее соотношение:
Плотность диффузионного тока:
Чтобы вычислить диффузионный ток, необходимо знать коэффициенты диффузии электронов и дырок Dn и Dp.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Коэффициенты диффузии электронов и дырок Dn и Dp

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Для полупроводника, содержащего свободные электроны и дырки, плотность суммарного диффузионного тока:

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Плотность полного тока
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
В большинстве полупроводниковых приборов величины токов обусловлены как дрейфовым, так и диффузионным перемещением свободных носителей заряда – электронов
и дырок:

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Закон сохранения количества заряда:
Уравнения непрерывности:
где ρ – объемная плотность заряда.
Здесь первые члены в правых частях характеризуют процесс рекомбинации частиц (p и n – неравновесные концентрации, p0 и n0 – равновесные концентрации (концентрации акцепторов и доноров);
и – времена жизни неравновесных носителей заряда);
Gp и Gn характеризуют процессы генерации дырок и электронов под воздействием внешних факторов.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
(продолжение)
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
(продолжение)
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнения непрерывности в общем виде:
Уравнения непрерывности преобразуются в уравнения диффузии:

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Явления в сильных электрических полях
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
В слабых электрических полях, когда скорость направленного движения мала по сравнению с тепловой, наличие или отсутствие электрического поля не сказывается на характере столкновений носителей заряда с кристаллической решеткой. При этом подвижность является величиной форме: постоянной, не зависящей от напряженности электрического поля Е. Произведение представляет собой удельную электропроводность σ
и соответственно можно записать соотношение, известное как закон Ома в дифференциальной форме:
Во всех практически используемых полупроводниках при комнатной температуре подвижность в сильных полях падает с ростом напряженности электрического поля Е.
В очень сильных полях величина подвижности становится обратно пропорциональной напряженности поля: μ~1/Е. Это означает, что дрейфовая скорость носителей остается постоянной
υ = const.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в сильных электрических полях
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зависимость скорости дрейфа носителей заряда
от напряженности электрического поля
в Ge (1), Si (2) и GaAs (3)

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уровень Ферми
Заполнение энергетических уровней в твердом теле.
Любой разрешенный уровень энергии может быть занят электроном или оставаться свободным (свободный уровень в валентной зоне - это дырка). Если при данный условиях уровень обязательно заполнен, то вероятность заполнения данного уровня равна единице, если он пуст - нулю.
.
Вероятность заполнения уровня зависит от его энергии, температуры, а, для примесного полупроводника, также от концентрации примеси.
На рис. 1 показан график функции F(E), описывающей зависимость вероятности заполнения уровня от соответствующей ему энергии.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уровень Ферми
.
F(E)< 1/2 соответствует уровням слабо заполненным или пустым, а F(E) > 1/2 сильно заполненным уровням. Величину энергии, соответствующую F(E)= 1/2, можно использовать в качестве критерия при оценке вероятности заполнения уровней. Условно можно принять существование уровня с такой энергией, для которой F(E) = 1/2, называемого уровнем Ферми Ef.
Уровень энергии, вероятность заполнения которого электронами равна 0,5 называется уровнем Ферми, по имени известного итальянского физика.

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Одно из фундаментальных положений в физике полупроводников формулируется следующим образом: уровень Ферми одинаков во всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она
не была. Это положение можно записать в виде двух равносильных выражений:
ϕF = const,
grad (ϕF) = 0.
Из этих условий следует, что если концентрация электронов изменяется с координатой, то возникает электрическое поле:
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура собственных
и примесных полупроводников
Зонная диаграмма, функция распределения Ферми – Дирака
и концентрация носителей
в собственном полупроводнике (а),
в полупроводнике n-типа (б)
и в полупроводнике p-типа (в)
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура собственных
и примесных полупроводников
Значения собственных концентраций свободных носителей заряда
и ряд других важных параметров полупроводников
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура металлов и диэлектриков
Зонная энергетическая структура
металла (а) и диэлектрика (б)
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводниках
Генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводнике
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
p–n-переход
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Контакт двух полупроводников одного вида с разным типом проводимости называется электронно-дырочным или p–n-переходом
Условное обозначение (а) и структура (б) полупроводникового диода

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Механизм образования p–n-перехода
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зонная диаграмма полупроводников
и р–n-перехода в равновесном состоянии

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Анализ неравновесного р–n-перехода
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Смещение перехода в прямом (а)
и обратном (б) направлениях
Избыточные концентрации на границах перехода:

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Вольт-амперная характеристика
идеального диода (формула Шокли)
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
В общем случае ток через переход состоит из электронной и дырочной составляющих, которые с учетом принятых упрощений являются чисто диффузионными .
Структура тока в p–n-переходе
в диффузионном приближении

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Вольт-амперная характеристика
идеального диода (формула Шокли)
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статическая вольт-амперная характеристика идеального диода

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
p–n-переход при прямом и обратном напряжении. Механизмы пробоя p–n-перехода
(туннельный, лавинный, тепловой)
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зонная диаграмма туннельного пробоя

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Разновидности полупроводниковых диодов
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий
р–n-переход, называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды:
выпрямительные
импульсные
обращенные
туннельные
лавинно-пролетные
опорные или зенеровские (стабилитроны)
с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зависимость тока через диод от напряжения на диоде называется вольт-амперной характеристикой диода. Теоретическое описание BAX идеального диода
с p–n-переходом, полученное
У. Шокли:
где U – напряжение на
p–n-переходе диода;
IS – ток насыщения;
φТ = kT/q – тепловой потенциал
при T = 300 К, φТ = 25 мВ.
Статические вольт-амперные характеристики идеального p–n-перехода (а)
и реального диода (б)

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
При положительных
и отрицательных напряжениях U, больших по модулю 0,1 В, ВАХ описывается упрощенным выражением:
При протекании большого прямого тока через диод падение напряжения возникает не только на p–n-переходе, но и на объемном сопротивлении полупроводника R. Реальная ВАХ описывается выражением
Статические вольт-амперные характеристики идеального p–n-перехода (а)
и реального диода (б)

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Параметры полупроводникового диода
Коэффициент выпрямления Kв, который определяется как отношение прямого тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного напряжений (например: ±0,01; ±0,1; ±1 В).
Для идеального диода Кв = 1 при U = ±0,01 В. При U = ±1 В Кв = 2,8·1020
Максимально допустимый прямой ток Iпр max, превышение которого приводит к недопустимому разогреву и тепловому пробою. Iпр max справочное значение.
Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры.

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Параметры полупроводникового диода
(продолжение)
Максимально допустимое обратное напряжение Uобр max – важный предельный параметр выпрямительных диодов и составляет для диодов малой мощности десятки-сотни вольт.
Дифференциальное сопротивление диода:
Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току):

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402
от величины прямого тока

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Схема включения диода с нагрузкой
и построение линии нагрузки
I = (Е – U)/Rн
Е = U + IRн

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямитель
Схема однополупериодного выпрямителя:
е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, U1, U2 – напряжение
на первичной и вторичной обмотках трансформатора,
VD – выпрямительный диод, Rн – сопротивление нагрузки,
Uн – напряжение на нагрузке

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямитель
Форма напряжений на входе (а) и выходе (б) однополупериодного выпрямителя

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Важным параметром, характеризующим работу выпрямителя, является коэффициент пульсаций:
где UM1 – амплитуда первой гармоники переменного напряжения на нагрузке;
Uср – среднее значение напряжения на нагрузке.
Um1 = 0,5·Um = 1,57·Uср
kп = 1,57
– для однополупериодного выпрямителя

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Схема выпрямителя
со сглаживающим фильтром

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рис. 2.14. Сглаживание пульсаций
с помощью конденсатора

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. Такой режим возникает при смещении
р–n-перехода в обратном направлении
Схематическое изображение (а)
и вольт-амперная характеристика (б) стабилитрона

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
В качестве основного материала для полупроводниковых стабилитронов используется кремний, обеспечивающий малую величину обратного тока (тока насыщения). В отличие от выпрямительных диодов, в стабилитроне p- и n-области сильно легированы. Это приводит к тому, что p–n-переход имеет малую ширину, а напряженность электрического поля в нем высокая и при приложении даже небольшого обратного напряжения возникает электрический пробой.
Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может быть туннельным, лавинным или смешанным.

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
p–n-переход при прямом и обратном напряжении. Механизмы пробоя p–n-перехода
(туннельный, лавинный, тепловой)
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зонная диаграмма туннельного пробоя

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
К параметрам стабилитрона, определяемым по его ВАХ, относятся:
Uст nom – номинальное напряжение стабилизации, измеренное при некотором среднем (номинальном) токе стабилитрона Iст nom;
Uст min – минимальное напряжение стабилизации, измеренное
в начале прямолинейного участка обратной ветви ВАХ;
I ст min – минимальный ток, при котором измеряется U ст min;
Uст max – максимальное напряжение стабилизации при токе I ст max;
I ст max – максимально допустимый обратный ток стабилитрона, ограниченный предельно допустимой мощностью рассеяния на стабилитроне Р ст max.

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Один из важнейших параметров стабилитрона – дифференциальное сопротивление – характеризует наклон его ВАХ в области пробоя:
Влияние температуры на характеристики стабилитрона оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН):
ТКН = ΔUст / (Uст⋅ ΔT).

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Схема включения стабилитрона:
Rб – балластное (ограничительное) сопротивление, Евх – входное (нестабилизированное) напряжение,
Uст – выходное стабилизированное напряжение

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Эпюра изменения
входного напряжения (ЭДС) источника

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Балластное (ограничительное) сопротивление:
где Еср = 0,5⋅(Еmin + Emax) – среднее значение напряжения источника;
Iср= 0,5–(Imin + Imax) – средний ток стабилитрона; Iн = Uст /Rн – ток через нагрузку.
Стабилизация возможна только при соблюдении условия
ΔЕ ≤ (Imax – Imin ) ⋅ Rб.
Эффективность стабилизации напряжения характеризуется коэффициентом стабилизации:

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Второй возможный режим стабилизации, когда входное напряжение источника стабильно, а сопротивление нагрузки меняется от Rн min до Rн mах. Для такого режима сопротивление балластного резистора Rб можно определить по формуле
Iн ср.= 0,5⋅(Iн min + Iн max),
Iн min = Uст /Rн max и,
Iн max = Uст /Rн min.

p–n-переход. Полупроводниковые диоды
Варикап. Принцип действия, применение
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Варикапы – это плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работающие при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые
не механически, а электрически,
т. е. изменением обратного напряжения.
Схема включения варикапа
в колебательный контур
в качестве конденсатора переменной емкости

Тема 3
Биполярные транзисторы
Лекция 6
Лекция 7
Выбор темы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Лекция 8
Лекция 9
Лекция 10

Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два взаимодействующих между собой p–n-перехода, называется биполярным транзистором.

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Конструкция первого биполярного транзистора (а)
и первый промышленный образец (б)

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Устройство, условное обозначение
и включение биполярных
транзисторов в активном режиме

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Включение биполярного транзистора n–р–n-типа
по схеме с общим эмиттером

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
В зависимости от того, какие напряжения действуют на переходах, различают 3 режима работы транзистора:
активный режим работы или режим усиления, когда эмиттерный переход смещен в прямом направлении,
а коллекторный в обратном;
режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом направлении;
режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном направлении.
Режимы работы биполярного транзистора

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что незначительный по величине ток базы Iб, возникающий при подаче прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер-база, вызывает значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк
Iк = βст·Iб
βст – статический коэффициент передачи тока базы
Iк0 – обратный ток коллекторного перехода,
φТ – температурный потенциал
Iэ = Iк + Iб

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Входные (а) и выходные (б) ВАХ
биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общим эмиттером

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.
h11 = (ΔUбэ/ΔIб)|Uкэ = const
h21 = (ΔIк/ΔIб)|Uкэ = const
h12 = (ΔUбэ/ ΔUкэ)|Iб = const
h22 = (ΔIк/ΔUкэ)|Iб = const
kU = (ΔUкэ/ΔUбэ)

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Включение
биполярного транзистора
n–р–n-типа по схеме с общей базой

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Входные (а) и выходные (б) ВАХ
биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общей базой

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
h11(об) = (ΔUэб/ΔIэ)|Uкб = const
h12(об) = (ΔUэб/ΔUкб)|Iэ = const
h21(об) = (ΔIк/ΔIэ)|Uкб = const
h22(об) = (ΔIк/ΔUкб)|Iэ = const

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Включение
биполярного транзистора
n–р–n-типа по схеме с общим коллектором
Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб
Ki = Iэ/Iб
KU = Uвых/(Uбэ+Uвых) < 1

Биполярные транзисторы
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Биполярные транзисторы
Режимы работы биполярных транзисторов
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Типовая схема
усилительного каскада
с общим эмиттером
Iк = (Ек – Uкэ)/Rк
Pвых = 0,5·Iк m ·Uкэ m
Pвх = 0,5·Iб m ·Uбэ m
Rвх = Uбэ m /Iб m
Rб = (Еб – Uбэ(0))/Iб(0)
KI = Iк m/Iб m
KU = Uкэ m /Uбэ m
Kp = KI ·KU

Биполярные транзисторы
Режимы работы биполярных транзисторов
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
К графоаналитическому методу расчета
и анализу усилительного каскада на биполярном транзисторе

Биполярные транзисторы
Понятие о классах усиления.
Работа БТ в ключевом режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления А. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса А. Характерной чертой этого режима является выполнение условия ∆Iк < Iкп, для обеспечения которого напряжение Uсм применительно к схеме на рисунке должно быть положительным и превосходить максимальную амплитуду напряжения Uс .
Ток покоя коллектора:
Iкп = (Iк min + Iк max)/2.
Максимальная амплитуда выходного тока:
∆Iк max = (Iк max – Iк min)/2.

Биполярные транзисторы
Понятие о классах усиления. Работа БТ
в ключевом режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления В. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса В. Данный режим соответствует выбору Uсм = 0. При этом Iкп = Iк min ≈ 0 и Uкэ п = Uп – Iк min Rк ≈ Uп . Мощность, рассеиваемая в каскаде при условии Uс = 0, практически также равна нулю, так как транзистор находится
в режиме отсечки.
Принципиальная схема двухтактного усилителя мощности (а) и временные диаграммы (б), поясняющие ее работу (VT1 – n–p–n,
VT2 – р–n–р)

Биполярные транзисторы
Понятие о классах усиления.
Работа БТ в ключевом режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Класс усиления АВ. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса АВ.
Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада, при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на интервале меньшем половины периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления класса С .
Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада, при котором в установившемся режиме усилительный элемент (биполярный транзистор) может находиться только в состоянии «Включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или «Выключено» (режим отсечки биполярного транзистора), называется ключевым режимом или режимом усиления класса D.

Биполярные транзисторы
Понятие о классах усиления.
Работа БТ в ключевом режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные параметры усилителей различных классов усиления

Биполярные транзисторы
Влияние внешних условий на характеристики
и параметры БТ. Проблема стабилизации
рабочей точки и усиления
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Влияние температуры
на выходные характеристики транзистора при включении его по схеме ОБ (а) и ОЭ (б)

Биполярные транзисторы
Влияние внешних условий на характеристики
и параметры БТ. Проблема стабилизации
рабочей точки и усиления
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Схемы стабилизации рабочего режима усилительного каскада на биполярном транзисторе
R1 ≈ (Eк – Uэ)/(Iб0 + Iд)
R2 ≈ Uэ/Iд
Rэ ≈ Uэ/Iэ0

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры являются переключающими приборами. Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».
Структура диодного тиристора (а)
и его эквивалентная схема в виде двух транзисторов (б)

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Вольт-амперная характеристика диодного тиристора

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Вольт-амперные характеристики
триодного тиристора
для разных управляющих токов

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Простейшая схема включения триодного тиристора
с выводом от р-области

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Вольт-амперная характеристика симметричного тиристора

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура симметричного тиристора (а)
и замена симметричного тиристора
двумя диодными тиристорами (б)

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Условные графические обозначения различных тиристоров:
а – диодный тиристор, б и в – незапираемые триодные тиристоры
с выводом от р- и n-области, г и д – запираемые триодные тиристоры
с выводом от р- и n-области, е – симметричный тиристор

Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Генератор пилообразного напряжения с тиристором

Тема 5
Полевые транзисторы
Лекция 12
Выбор темы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Лекция 13
Лекция 14
Лекция 15

5.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора
5.2. Структура и принцип действия ПТ с управляющим
p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки. Статические ВАХ и параметры в схеме с общим истоком
5.3. Структура и принцип действия МОП-транзистора
5.4. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
5.5. Линейные и нелинейные модели ПТ для ВЧ и СВЧ
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 5
Полевые транзисторы

Полевые транзисторы
Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, управление током которого основано на зависимости электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля
В настоящее время существуют три основных разновидности полевых транзисторов:
полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом;
полевые транзисторы со структурой металл – окисел – полупроводник или МОП-транзисторы;
полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).

Полевые транзисторы
Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Конструкция прибора, запатентованного
Ю. Лилиенфельдом

Полевые транзисторы
Классификация полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Условные обозначения различных типов полевых транзисторов
(И – исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим
p–n-переходом ( 1 – с n-каналом, 2 – с p-каналом); 3, 4 – МОП–транзисторы
со встроенным каналом ( 3 – с n-каналом, 4 – с p-каналом); 5, 6 – МОП-транзисторы с индуцированным каналом ( 5 – с n-каналом, 6 – с p-каналом);
7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки ( 7 – с n-каналом, 8 – с p-каналом)

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура полевого транзистора
с управляющим p–n-переходом
Структура полевого транзистора
с барьером Шоттки

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выходные (а) и передаточные (б) характеристики транзистора КП103М с каналом p-типа

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Параметры полевого транзистора
Теоретическое описание ВАХ полевого транзистора
с управляющим p–n-переходом в области насыщения получено Уильямом Шокли:
где Ic max – максимальный ток стока при Uзи = 0, называемый также начальным током Ic.нач

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Параметры полевого транзистора
На практике используют более простое описание ВАХ в области насыщения:
Ic = k(Uотс – Uзи)2,
где k = Ic.нач/U2отс – постоянный коэффициент, зависящий от геометрических и электрофизических параметров транзистора.
В линейной области ВАХ ПТ описывается выражением

Полевые транзисторы
Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Параметры полевого транзистора
Основной параметр ПТ – крутизна – характеризует усилительные свойства полевого транзистора в области насыщения и измеряется
в сименсах (Сим) или – как чаще принято называть – в миллиамперах на вольт:
S = (дIc /дUзи)|Uси = const.
Выходное (внутреннее) сопротивление Ri , называемое также дифференциальным сопротивлением, представляет сопротивление канала ПТ переменному току:
Ri = (дUcи /дIc)|Uзи = const.
Входное сопротивление:
Rвх = (дUзи/дIз)|Uси = const.

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия
МОП-транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура МДП-транзистора со встроенным n-каналом
Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора
со встроенным каналом

Полевые транзисторы
Структура и принцип действия
МОП-транзистора
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура МДП-транзистора
с индуцированным n-каналом
Выходные (а) и передаточные (б) характеристики МОП-транзистора
с индуцированным каналом n-типа

Полевые транзисторы
Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Схема усилительного каскада
с общим истоком на полевом транзисторе

Полевые транзисторы
Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
К графоаналитическому расчету и анализу режима усиления
полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

Полевые транзисторы
Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические состояния ключа
Ключ на основе
МДП-транзистора
с индуцированым p-каналом
Семейство выходных ВАХ
и нагрузочная характеристика ключа

Полевые транзисторы
Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Процесс включения транзистора
Схема ключа на МДП-транзисторе с учетом паразитных емкостей

Полевые транзисторы
Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Временные диаграммы
входного и выходного напряжений

Полевые транзисторы
Линейные и нелинейные модели
полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Малосигнальная
эквивалентная схема полевого транзистора

Полевые транзисторы
Линейные и нелинейные модели
полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Нелинейная схема замещения
полевого транзистора с управляющим p–n-переходом

Тема 6
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Лекция 16
Выбор темы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Лекция 17

6.1. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводниках под действием излучения
6.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
6.3. Гетеропереходы. Зонная модель и инжекционные свойства гетеропереходов
6.4. *Приборы на основе гетеропереходов: светодиоды, полупроводниковые лазеры, фотоэлектрические приемники
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 6
Фотоэлектрические и излучательные приборы

Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках
под действием излучения
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
I
Ф
U = const
I
Ф = const
Вольт-амперная (а) и энергетическая (б)
характеристики фоторезистора
U
а б
Устройство и схема
включения фоторезистора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
Rн
Е
Схема включения
фотодиода для работы в фотодиодном режиме
Ф2 > Ф1
Ф1 > 0
Ф = 0
I
Ф3 > Ф2
Вольт-амперные характеристики фотодиода
для фотодиодного режима
U
U = 50 B
I0
I
Ф
U = 10 B
Энергетические
характеристики фотодиода
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
Э
К
Rн
–
Е
+
Б
р
р
n
Ф
Структура и схема включения
фототранзистора со «свободной» базой
Uкэ
Ф2 > Ф1
Ф1 > 0
Ф = 0
iк
Ф3 > Ф2
Выходные характеристики
фототранзистора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
Ф
– E +
Rн
П1
П2
П3
p2
n2
p1
n1
Структура и схема
включения фототиристора
Uвкл3 Uвкл2 Uвкл1 U
i
Ф3 > Ф2
Ф2 > 0
Ф1 = 0
. Вольт-амперная
характеристика фототиристора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
1
1 2
2 3
Оптопары с открытым оптическим каналом:
1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект
Различные типы оптопар
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Зонная модель и инжекционные свойства гетеропереходов
n – GaAs p – Ge
ΔEc
ΔEv
Прямое смещение
Инжекция электронов
Ec
Ef
Ev
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение

Тема 7
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых
и цифровых интегральных схем
Лекция 18
Выбор темы
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Лекция 19

7.1. Предмет микроэлектроники. Классификация интегральных схем
7.2. Технология полупроводниковых интегральных схем
7.2.1. Подготовительные операции
7.2.2. Эпитаксия
7.2.3. Термическое окисление
7.2.4. Легирование
7.2.5. Травление
7.2.6. Техника масок
7.2.7. Нанесение тонких пленок
7.2.8. Металлизация
7.2.9. Сборочные операции
7.3. Технология тонкопленочных гибридных интегральных схем
7.4. Технология толстопленочных гибридных интегральных схем
Тема 7
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых
и цифровых интегральных схем
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем

Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
Подготовительные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Схема выращивания монокристаллов методом Чохральского: 1 – тигель;
2 – расплав полупроводника;
3 – монокристалл выращиваемого полупроводника; 4 – затравка;
5 – катушка высокочастотного индуктора

Подготовительные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Эпитаксия
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.
Схема хлоридного процесса эпитаксии: 1 – кварцевая труба;
2 – катушка ВЧ-нагрева; 3 – тигель с пластинами; 4 – пластина кремния;
5 – вентиль для перекрытия соответствующего газа; 6 – измеритель скорости потока
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Примеры эпитаксиальных структур:
а – пленка n-типа на n+-подложке;
б – пленка р+-типа на n-подложке;
в – пленка n-типа на p-подложке
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Термическое окисление
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Окисление кремния – один из самых характерных процессов
в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния (Si02) выполняет несколько важных функций, в том числе:
функцию защиты – пассивации поверхности и, в частности, защиты вертикальных участков p-n-переходов, выходящих на поверхность;
функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси;
функцию диэлектрика под затвором МОП-транзистора.
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Термическое окисление
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Функции двуокисной пленки кремния:
а – пассивация поверхности; б – маска для локального легирования; в – тонкий подзатворный окисел
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Легирование
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным
и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью создания диодных и транзисторных структур.
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Легирование
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Схема двухзонной диффузионной печи:
1 – кварцевая труба; 2 – поток газа-носителя; 3 – источник диффузанта;
4 – пары источника диффузанта; 5 – тигель с пластинами;
6 – пластина кремния; 7 – первая высокотемпературная зона;
8 – вторая высокотемпературная зона
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Травление
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Локальное травление кремния: а – изотропное; б – анизотропное
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Техника масок
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Фотолитография
Фрагмент фотошаблона
Этапы процесса фотолитографии:
а – экспозиция фоторезиста через фотошаблон; б – локальное травление двуокиси кремния через фоторезистную маску;
в – окисная маска после удаления фоторезиста
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Нанесение тонких пленок
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Нанесение тонких пленок
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Схема установки ионно-плазменного напыления
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Металлизация
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Получение металлической разводки методом фотолитографии
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Металлизация
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Многослойная металлическая разводка
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Сборочные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Сборочные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Монтаж кристалла
на ножке корпуса
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Тема 8
Основные типы электровакуумных приборов,
их принципы работы и применение
Лекция 24
Выбор темы
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Лекция 25

8.1. Электровакуумные приборы – общие сведения, классификация
8.2. Физические основы работы электровакуумных приборов
8.3. Приборы на основе термоэлектронной эмиссии
8.4. Приборы на основе автоэлектронной эмиссии
Тема 8
Основные типы электровакуумных приборов,
их принципы работы и применение
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники

Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
Электровакуумные приборы:
общие сведения, классификация
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы,
в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
Электровакуумные приборы:
общие сведения, классификация
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники

Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
Физические основы работы электровакуумных приборов
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Потенциальный барьер на границе металл–вакуум:
1 – потенциал сил зеркального изображения,
2 – потенциальный барьер
в сильном электрическом поле.
Уровень Ферми – энергия, соответствующая максимальной энергии электрона в металле при температуре абсолютного нуля

Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
Приборы на основе
автоэлектронной эмиссии
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Схематическое изображение
автоэмиссионного катода Спиндта

Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
Приборы на основе
автоэлектронной эмиссии
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Конструкция
полевого эмиссионного дисплея
с катодами острийного типа
Конструкция
полевого эмиссионного дисплея
с катодами планарного типа

Тема 9
Перспективы развития электроники. Наноэлектроника – исторический
этап развития электроники
Лекция 26
Выбор темы
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники

9.1. Перспективы развития электроники
9.2. Квантовые основы наноэлектроники
9.3. Технологические особенности формирования наноструктур и элементы наноэлектроники
Тема 9
Перспективы развития электроники. Наноэлектроника – исторический
этап развития электроники
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники

Перспективы развития электроники
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники.
Эволюция элементной базы электроники
Перспективы развития электроники

Квантовые основы наноэлектроники
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Туннелирование электрона через потенциальный барьер
Одноэлектронное туннелирование
в условиях кулоновской блокады
Перспективы развития электроники

Технологические особенности
формирования наноструктур
Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Нанотехнологическая установка:
а – схема нанотехнологической установки на основе туннельного микроскопа; 1 – подложка, 2 – зонд, З – источник питания, 4 – зазор между зондом и подложкой,
5 – усилитель туннельного тока,
6 – динамический регулятор зазора на основе пьезоманипуляторов,
7 – приспособление для напуска газообразных и жидких реактивов,
8 – система прецизионного позиционирования подложки
Перспективы развития электроники