|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов в чистом полупроводнике (а) и полупроводниках n-типа (б) и p-типа (в)
Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего электрического поля (а) и при приложении прямого (б) и обратного (в) напряжений
Вольт-амперная характеристика p-n перехода при одинаковом масштабе токов и напряжений для прямого и обратного направлений (а) и различном масштабе (б, кривая 1) и ВАХ полупровдникового диода (б, кривая 2)
Схемные обозначения полупроводникового диода (а) и стабилитрона (б)
Схемные обозначения транзисторов: а - p-n-тип; б - n-p-n-тип
Распределение токов (а) и потенциалов (б) в транзисторе p-n-p- типа
Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора
Зависимость модуля коэффициента передачи модуля бетты от частоты
Структура (а), схемные обозначения (б - канал p-типа, в - канал n-типа) и стоковые характеристики (г) полевого транзистора с p-n- переходом
Сужение канала полевого транзистора при приложении напряжений
Структура (а) и стоковые характеристики (б- со встроенным каналом, в - с индуцированным каналом) МДП-транзистров
Схемные обозначения МДП-транзисторов
Вольт-амперная характеристика (а), схемное обозначение (б) и схема включения (в) однооперационного тиристора
Распределение токов в тиристоре (а) и двухтранзисторная схема замещения тиристора (б)
Вольт-амперная характеристика симистора (а) и встречно - паралельное включение двух тиристоров (б)
Фрагмент схемы и ее реализация в виде полупроводниковой ИМС
Компоненты пленочных ИМС: а - резистор; б - конденсатор; в - индуктивность
Зависимость относительной стоимости C/N от степени интеграции N для ИМС различных годов выпуска
Воздействие дефекторов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции
Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода, (б) фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д)
1.
Полупроводниковые и микроэлектронные приборы
1.1.
Электропроводность полупроводников
В основе современной промышленной электроники лежит применение полупроводниковых приборов, отчего ее часто называют полупроводниковой электроникой. Рассмотрим электрические свойства полупроводников. Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное электрическое сопротивление в пределах При образовании кристалла энергетические уровни атомов расщепляются, что приводит к образованию зон, состоящих из близко расположенных друг к другу энергетических уровней. На энергетической диаграмме чистого полупроводника (рис. 1.1, а) показаны В - валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля заполнены электронами, С - зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны при возбуждении атомов, и З - запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем У металлов запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопроводность. У изоляторов ширина запрещенной зоны велика ( Ширина запрещенной зоны
Рис. 1.1. Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов в чистом полупроводнике (а) и полупроводниках n-типа (б) и p-типа (в) Из-за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной (Т Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому, т.е. в валентной зоне, удобно представить в виде противоположно направленного движения дырок, которым приписывается положительный заряд (т.е. заряд, противоположный заряду перемещающихся электронов). Таким образом, в кристалле возможно перемещение как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов). Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон в зоне проводимости - дырка в валентной зоне получил название генерации собственных носителей зарядов. Одновременно с процессом генерации носителей зарядов протекает процесс их рекомбинации - встречи электронов с дырками, сопровождающийся возвратом электрона из зоны проводимости в валентную зону и исчезновением свободных зарядов. Чаще всего рекомбинация происходит на дефектах кристаллической решетки (нарушения кристаллической структуры, случайные примеси, трещины, дефекты в поверхностных слоях); эти дефекты служат центрами рекомбинации. Среднее время между моментами генерации и рекомбинации называется временем жизни носителя заряда. Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной температуре неизменно. Концентрации (количество носителей в единице объема, 1/ Введение в чистый полупроводник небольших количеств примесей (например, в пропорции один атом примеси на миллион атомов полупроводника) приводит к резкому изменению характера электропроводности. Введем в кремний или германий атомы примесей V группы элементов таблицы Менделеева (мышьяк, фосфор или сурьму) имеющие на внешней оболочке по пять валентных электронов. Такие примеси, обладающие дополнительным валентным электроном, называются донорными. Один из валентных электронов оказывается лишним, не образует связи с соседними атомами полупроводника. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.1, б) и заполненный при температуре абсолютного нуля. Близость локальных уровней к зоне проводимости приводит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы примеси ионизируются, отдают дополнительный электрон, при этом число свободных электронов увеличивается. Образование свободных электронов при ионизации донорной примеси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов - ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси невозможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы. Таким образом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличению концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентрации дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основными носителями (их концентрация обозначается
где Поскольку При введении в кремний или германий примесей III группы (алюминия, бора или индия), называемых акцепторными, в кристаллической решетке (рис. 1.1, в) в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества (например, при нагреве до комнатной температуры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд - дырка. Локальные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными носителями при этом становятся дырки, неосновными - электроны. Избыточный заряд дырок уравновешивается зарядом отрицательных ионов, при этом сохраняется электрическая нейтральность полупроводника. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р-типа. Для р-полупроводника
где Поскольку в диапазоне комнатных температур все атомы акцепторной примеси ионизированы (приняли дополнительный электрон), концентрация основных носителей в указанном рабочем диапазоне температур не зависит от температуры. Удельная электрическая проводимость полупроводников
где q - заряд электрона, n и p - концентрация электронов и дырок, В электронном полупроводнике
В дырочном полупроводнике
При увеличении температуры увеличиваются тепловые колебания кристаллической решетки, подвижность носителей падает. Так как в рабочем диапазоне температур концентрация основных носителей примесных полупроводников неизменна, их электропроводность уменьшается с ростом температуры из-за снижения подвижности 1.2.
Процессы в электронно-дырочном переходе
В большинстве полупроводниковых приборов используются кристаллы полупроводника с двумя и более участками (слоями) с различным током проводимости (п и р). При получении двухслойной структуры со слоями п-и р-типа обычно концентрация примесей в слоях несимметрична:
Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего электрического поля (а) и при приложении прямого (б) и обратного (в) напряжении Область полупроводника, расположенная вблизи металлургической границы между р и n слоями, называется электронно-дырочным переходом или р-n переходом. 1. Рассмотрим процессы в р-n переходе в отсутствие внешнего электрического поля (рис. 1.2, а). Из-за разности концентраций основных носителей в р-n-слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с пониженной концентрацией носителей. При этом основные носители в р-области- дырки - диффундируют в n-слой, а основные носители n-слоя - электроны - диффундируют в р-слой. Диффузионный ток через переход Перейдя под воздействием сил диффузии металлургическую границу, носители рекомбинируют с основными носителями другого слоя. За счет ухода основных носителей из одного слоя и их рекомбинации в другом вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением (запирающий слой). В запирающем слое нарушается баланс положительных и отрицательных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается нескомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей: в р слое - отрицательных, в n-слое - положительных ионов. Этот двойной электрический слой (рис. 1.2, а) создает электрическое поле с напряженностью Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход - дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионной составляющей тока через переход. Дрейфовый ток. через переход Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и потенциального барьера, при этом растет дрейфовый ток. Рост двойного электрического слоя прекращается тогда, когда суммарный ток через переход равен нулю, т. е. Результирующий ток через переход в этом случае
Ширина запирающего слоя в р- и n-слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому при рассматриваемом соотношении примесей 2. Если двухслойный полупроводник включить в электрическую цепь (рис. 1.2, б) и приложить прямое напряжение
В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и увеличивается диффузионная составляющая 3. Обратное смещение перехода (рис. 1.2, в) приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое и росту потенциального барьера: Обратный ток неосновных носителей через переход При обратном смещении р-n перехода суммарная напряженность электрического поля перехода возрастает, поэтому возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя. Этот эффект используется в некоторых типах полупроводниковых приборов (см. § 1.6). 4. Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения
Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика p-n перехода при одинаковом масштабе токов и напряжений для прямого и обратного направлений (а) и различном масштабе (б, кривая 1) и ВАХ полупровдникового диода (б, кривая 2) На рис. 1.3, а ВАХ изображена при одинаковом масштабе по осям для положительных и отрицательных значений напряжений и токов, При малом прямом напряжении При необходимости учесть отличия ВАХ р-n перехода от идеальной вентильной характеристики ее строя г в разных масштабах для положительных и отрицательных значений токов и напряжений (рис. 1.3, б, кривая 1). 1.3.
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковый кристалл с двумя слоями проводимости, заключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. В основе структуры диода лежит р-n переход. ВАХ реального диода (рис. 1.3, б, кривая 2) несколько отличается от характеристики идеального р-n перехода. Прямое падение напряжения на диоде больше напряжения на р-n переходе на значение падения напряжения при прохождении тока через толщу слоев полупроводника, главную роль при этом играет падение напряжения в слаболегированном высокоомном слое (в примере, рассмотренном в § 1.2, в n-слое). Обратная ветвь ВАХ диода имеет три характерных участка. На участке I отличие от характеристики р-n перехода обусловлено наличием тока утечки по поверхности кристалла. Участок II - это участок электрического пробоя р-п перехода: при мало изменяющемся напряжении наблюдается резкое увеличение тока. Для выпрямительных диодов характерен лавинный пробой, заключающийся в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда, попавшие в переход, за время пробега между столкновениями с узлами кристаллической решетки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. При этом образуется пара свободных носителей заряда. В свою очередь эти носители, ускоряясь в поле, также могут произвести ионизацию. Процесс лавинного пробоя напоминает образование горной лавины. В результате ток через переход резко нарастает. При снятии напряжения Другой разновидностью обратимого электрического пробоя на участке II может быть полевой пробой. В тонких переходах напряженность электрического поля велика, при этом энергия, необходимая для разрыва связи в кристаллической решетке, уменьшается, увеличивается генерация неосновных носителей, резко возрастает обратный ток. На участке III происходит тепловой пробой. При увеличении приложенного обратного напряжения растет ток через диоды, а также мощность, выделяемая в р-n переходе. Повышение температуры кристалла усиливает генерацию неосновных носителей, поэтому увеличивается обратный ток. При увеличении обратного тока в свою очередь растет мощность, температура перехода еще более повышается, что в конечном счете приводит к разрушению р-n перехода и выходу прибора из строя. Этот вид пробоя, приводящий к разрушению прибора, является наиболее нежелательным. Для использования полупроводниковых приборов в электронных схемах разработана система числовых величин, параметров, которые приводятся в справочниках. Система параметров позволяет правильно выбрать диод для применения в конкретных устройствах. Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимально допустимый средний (за период) прямой ток, величина которого определяется допустимым нагревом прибора при приложении прямого напряжения; повторяющееся импульсное обратное напряжение, величина которого составляет примерно 0,7 напряжения пробоя и ограничивает величины допустимых обратных напряжений на диоде; импульсное прямое напряжение, которое характеризует неидеальность прямой ветви его вольт-амперной характеристики, оно определяется при протекании, максимально допустимого среднего прямого тока; максимальный обратный ток, который характеризует неидеальность обратной ветви ВАХ диода. Помимо этих основных параметров диода в справочнике приводятся также параметры, необходимые при анализе его работы при кратковременных перегрузках, например в аварийных режимах. Выпрямительные диоды подразделяются на германиевые и кремниевые; последние более распространены, так как имеют более высокую предельную температуру (120 По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0,3 А), средней (ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (ток от 10 до 1000 А и выше). Максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт.
Рис. 1.4. Схемные обозначения полупроводникового диода (а) и стабилитрона (б) Среди мощных диодов большое распространение получили лавинные диоды. Благодаря особой технологии, обеспечиваю щей изготовление весьма однородного по свойствам р-n перехода и исключению утечки тока по краю полупроводниковой структуры обратный ток в лавинных диодах течет через всю поверхность перехода с равной плотностью. При этом перегрев кристалла оказывается меньше и вероятность теплового пробоя резко снижается. Это значительно повышает надежность работы вентилей. Особой разновидностью полупроводниковых диодов являются высокочастотные и импульсные диоды, при создании которых достигнуты малые значения внутренних емкостей и малое время переключения из проводящего состояния в непроводящее и обратно. При низких напряжениях электрического пробоя мощность, выделяющаяся в приборе на участке Я обратной ветви ВАХ (рис. 1.3), невелика, поэтому возможна длительная работа прибора. Этот режим работы используется в стабилитронах - кремниевых диодах, специально предназначенных для стабилизация напряжения, Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок II, который характеризуется напряжением стабилизации и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Изменение напряжения стабилизации
За пределами участка II стабилитрон может рассматриваться как обычный диод. Промышленность выпускает стабилитроны на напряжения стабилизации в диапазоне от 4 до 200 В, максимальный ток 0,01 - 10 А. На рис. 1.4 показаны обозначения выпрямительного диода и стабилитрона. Вывод (электрод), связанный с р-слоем, называют анодом (А), а электрод, связанный со слоем, n-катодом (К). 1.4.
Биполярные транзисторы
Управление током и усиление сигналов в схемах полупроводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.
Рис. 1.5. Схемные обозначения транзисторов: а - p-n-тип; б - n-p-n-тип
Рис. 1.6. Распределение токов (а) и потенциалов (б) в транзисторе p-n-p- типа Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью и снабженный тремя выводами (электродами) для подключения к внешней цепи. Поскольку до настоящего времени биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, часто их называют просто транзисторами, опуская термин "биполярный". На рис. 1.5, а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов р-n-р-типа со слоями р, n и р и n-р-n-типа со слоями n, р и n. Крайние слои называют эмиттером (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмиттером и базой и коллекторный переход между базой и коллектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний. При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия: 1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда; 2) концентрация примесей (и основных носителей) заряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе ( Рассмотрим принцип действия р-n-р транзистора. Транзистор включают последовательно с сопротивлением нагрузки При отсутствии напряжений ( Полярность внешних источников В результате приложения к эмнттерному переходу прямого напряжения начинается усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляющей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника Помимо указанных основных составляющих тока транзистора надо учесть возможность перехода неосновных носителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к которому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из коллектора в базу) аналогичен обратному току р-n перехода, он также называется обратным током коллекторного перехода или тепловым током и обозначается Таким образом, полный коллекторный ток, определяемый движением всех носителей через коллекторный переход,
Из закона Кирхгофа для токов (
Выражения (1.2), (1.3) показывают, что токи в транзисторе связаны линейными соотношениями. Преобразуем (1.2) так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Для этого из (1.3) получим
и подставим это значение
Обозначим коэффициент передачи тока базы
Если учесть, что
где Транзистор является трехполюсником, поэтому источник входного сигнала и нагрузка могут быть подключены к нему различным образом. В наиболее распространенном включении по схеме с общим эмиттером (рис. 1.6) источником входного напряжения При включении транзистора по схеме с общей базой (ОБ) входным током является ток эмиттера, через нагрузку протекает ток коллектора, причем Принцип действия транзистора n-р-n-типа аналогичен, лишь направление токов, знаки носителей заряда и полярность приложенных напряжений противоположны тем, которые имеют место в рассмотренном р-n-р транзисторе. 1.5.
Характеристики и параметры биполярных транзисторов
Для использования транзисторов необходимо представление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и определить режимы его работы. Транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик. Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называется зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером На большей части характеристик при
Рис. 1.7. Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора Для изменения входного тока базы, например для его увеличения, увеличивают напряжение источника Небольшой наклон пологого участка выходной характеристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения Перейдем к рассмотрению крутого участка выходных характеристик транзистора. При уменьшении Резкое увеличение тока Обратимся к рассмотрению входных характеристик транзистора - зависимостей тока базы от напряжения между базой и эмиттером: При Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окружающей среды, что является общим недостатком полупроводниковых приборов. Рассмотрим зависимость тока коллектора от температуры при постоянном входном токе базы. В (1.4) входят члены, зависящие от температуры. Во-первых, с ростом температуры растет ток
Рис. 1.8. Зависимость модуля коэффициента передачи модуля бетты от частоты | Коэффициенты передачи токов транзистора
где В справочниках приводится граничная частота коэффициента передачи тока
По величине 1.6.
Полевые транзисторы
Биполярные транзисторы, рассмотренные в § 1.4, 1.5, нашли чрезвычайно широкое применение в различных областях электронной техники. Однако в ряде случаев их использование затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы - полупроводниковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.
Рис. 1.9. Структура (а), схемные обозначения (б - канал p-типа, в - канал n-типа) и стоковые характеристики (г) полевого транзистора с p-n- переходом
Рис. 1.10. Сужение канала полевого транзистора при приложении напряжений Полевые транзисторы подразделяются на два типа, отличающихся друг от друга принципом действия: а) с р-n переходом; б) МДП-типа. 1.6.1.
Полевые транзисторы с р-n переходом
Полевые транзисторы с р-n переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.9, а. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Слои с проводимостью типа п, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибору показано на рис. 1.9, а, на рис. 1.9, б показано схемное обозначение полевого транзистора с р-п переходом и каналом р-типа. Существуют также полевые транзисторы с каналом n-типа, их обозначение приведено на рис. 1.9, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и полярность приложенных напряжений противоположны. Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом р-типа. На рис. 1.9, г приведено семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибора При управляющем напряжении При приложении положительного напряжения к затвору В отличие от биполярных транзисторов полевые транзисторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток Ток стока полевого транзистора сильно зависит от температуры. Во-первых, как указано в § 1.1, с ростом температуры электропроводность примесных полупроводников в рабочем диапазоне температур уменьшается. Во-вторых, при нагреве ширина р-n перехода уменьшается, а канал расширяется. В результате воздействия этих двух факторов при нагреве ток стока при Предельные частоты, на которых могут работать полевые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничительным фактором здесь является емкость р-n перехода, площадь которого сравнительно велика. Выпускаемые промышленностью полевые транзисторы с р-n переходом способны работать в мегагерцевом диапазоне частот. 1.6.2.
Полевые транзисторы МДП-типа
Полевые транзисторы МДП-типа ("металл - диэлектрик-полупроводник") называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором. На рис. 1.11, а показан разрез МДП-транзистора. У поверхности кристалла полупроводника-подложки с проводимостью р-типа созданы две области с проводимостью p-типа и тонкая перемычка между ними, называемая каналом. Области n-типа имеют выводы во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Полупроводниковый кристалл покрыт окисной пленкой диэлектрика, на которой расположен металлический затвор 3, связанный с внешней цепью. Таким образом, затвор электрически изолирован от цепи исток-сток. Подключение источников
Рис. 1.11. Структура (а) и стоковые характеристики (б- со встроенным каналом, в - с индуцированным каналом) МДП-транзистров Рассмотрим принцип действия прибора. Его стоковые - (выходные) характеристики При приложении положительного напряжения к затвору электрическое поле притягивает электроны из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (см. характеристики на рис. 1.11, б при При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток Таким образом, при изменении управляющего напряжения Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, чрезвычайно малый ток затвора Аналогично функционирует и другая разновидность МДП-транзистора - с каналом р-типа. Такой полевой транзистор имеет подложку n-типа, направление токов и полярность напряжений противоположна показанным на рис. 1.11, а. Обозначение МДП-транзисторов с каналами n-типа и р-типа показано на рис. 1.12, а и б. Рассмотренные МДП-транзисторы являются приборами со встроенным каналом.
Рис. 1.12. Схемные обозначения МДП-транзисторов Помимо этого существуют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа (рис. 1.12, в) и р-типа (рис. 1.12, г). При изготовлении этих приборов специальный канал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается и при напряжении Наличие четырех типов МДП-транзисторов дает большие возможности разработчикам при реализации различных задач, в том числе путем комбинации полевых транзисторов различных типов (см. § 4.2). 1.7.
Тиристоры
Тиристорами называют управляемые полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) р-n структур, способные под действием сигнала управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее). Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной р-n-р-n структуре, ВАХ которой приведена на рис. 1.13, а. На рис. 1.13, б показано схемное обозначение рассматриваемого тиристора, который имеет три вывода во внешнюю цепь. Электроды прибора называются: А - анод, К - катод, УЭ - управляющий электрод.
Рис. 1.13. Вольт-амперная характеристика (а), схемное обозначение (б) и схема включения (в) однооперационного тиристора Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 1.13, в), то при нулевом сигнале на управляющем электроде ток в цепи будет отсутствовать. Это связано с тем, что при прямом закрытом состоянии (участок I на характеристике рис. 1.13, а) сопротивление тиристора очень велико. Если теперь на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор включается и через нагрузку
Включение тиристора может произойти и без сигнала управления, если увеличить ЭДС источника питания Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля или до отрицательного значения ( Какие физические процессы обусловливают указанные свойства тиристоров? Структура прибора приведена на рис. 1.14, а. При приложении к тиристору прямого напряжения (плюс на анод А, минус на катод К) оно будет прямым и отпирающим для р-n переходов Данную структуру можно представить состоящей из двух транзисторов -
отсюда
Рис. 1.14. Распределение токов в тиристоре (а) и двухтранзисторная схема замещения тиристора (б) Рассмотрим зависимость коэффициентов передачи по току обоих транзисторов При увеличении тока Процесс отпирания тиристора обусловлен наличием внутренней положительной обратной связи и протекает лавинообразно (регенеративный процесс). Рассмотрим процесс включения тиристора при подаче управляющего тока Если после отпирания тиристора уменьшить ток При приложении к тиристору обратного напряжения прибор все время находится в закрытом состоянии, поскольку переходы 1.8.
Параметры и разновидности тиристоров
Система параметров тиристора позволяет выбирать приборы при проектировании различных устройств. К числу параметров тиристора относятся показанные на рис. 1.13, а напряжение включения В паспортных данных тиристора имеются следующие параметры: максимально допустимый средний прямой ток, импульсное прямое напряжение и максимальный обратный ток, которые имеют тот же смысл, что и для диодов (см. § 1.3). В современных мощных тиристорах допустимый средний прямой ток достигает 1000-2000 А. При уменьшении анодного тока до значения тока удержания тиристор может самопроизвольно перейти в запертое состояние. Ток удержания, приводимый в справочнике, определяется при Для расчета параметров сигнала, который необходимо подать на управляющий электрод, пользуются параметрами управляющий ток отпирания и управляющее напряжение отпирания. При таких значениях тока и напряжения в управляющей цепи обеспечивается надежное отпирание тиристора даже при малых (5-10 В) напряжениях К важнейшим динамическим параметрам тиристора относится величина К параметрам тиристоров относится время выключения - временной интервал, спустя который после прекращения протекания анодного тока к прибору можно приложить прямое напряжение и при этом не произойдет его повторного включения. Время выключения у низкочастотных тиристоров 100-500 мкс, у быстродействующих 10- 100 мкс. Параметр
Рис. 1.15. Вольт-амперная характеристика симистора (а) и встречно - паралельное включение двух тиристоров (б) Главная область применения однооперационных тиристоров - энергетическая электроника, в области высоких мощностей тиристор является основным силовым управляемым прибором. Маломощные тиристоры используются и в импульсных схемах информационной электроники. Помимо рассмотренного основного типа тиристоров, работа которых описана выше, промышленность выпускает ряд разновидностей тиристоров: 1. Динистор - это тиристор без управляющего электрода. Он аналогичен обычному тиристору, у которого не подается сигнал на управляющий электрод. Для включения динистора к нему необходимо приложить напряжение 2. Симистор - многослойный переключающий прибор с симметричной ВАХ для прямого и обратного напряжений (ВАХ приведена на рис. 1.15, а). Симистор может коммутировать ток любого направления и заменяет собой цепь из двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно (рис. 1.15, б). 3. Двухоперационные (запираемые) тиристоры появились в конце 60-х годов. В этих приборах при подаче отрицательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. При разработке двухоперационных тиристоров встретились многочисленные трудности, однако в последние годы наметился большой прогресс в этой области и разработаны двухоперационные тиристоры на токи до 200-500 А и напряжения до 1000- 2000 В. При этом их применение в энергетической электронике в области малых и средних мощностей становится все более широким. 1.9.
Интегральные микросхемы
Интегральная микросхема (ИМС) - это изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рассматриваться как единое целое, выполнены в едином технологическом процессе и заключены в герметизированный корпус. Электронная аппаратура на ИМС обладает следующими большими преимуществами: 1. Высокой надежностью и технологичностью, поскольку ИМС изготовляют на специализированных предприятиях на основе хорошо автоматизированной современной технологии. При создании аппаратуры на ИМС резко снижаются затраты труда на сборку и монтаж аппаратуры, уменьшается число паяных соединений, которые являются одним из наименее надежных элементов электронных узлов. Поэтому аппаратура на ИМС намного надежнее, чем аппаратура на дискретных элементах, меньше вероятность ошибок при монтаже. Только ИМС обеспечили высокую надежность, необходимую для создания систем управления космическими аппаратами и современных больших вычислительных систем. 2. Аппаратура на ИМС обладает малыми массой и габаритами. 3. При создании аппаратуры из готовых ИМС резко сокращается время на разработку изделия, так как используются готовые узлы и блоки, упрощается внедрение в производство. 4. Применение аппаратуры на ИМС массового выпуска снижает стоимость изделия, так как уменьшаются расходы на монтаж и наладку устройства, да и сами микросхемы стоят дешевле заменяемых ими схем на дискретных компонентах, так как выпускаются по наиболее совершенной и производительной технологии. 5. Создание аппаратуры на ИМС упрощает организацию производства за счет уменьшения числа операций и сокращения числа комплектующих изделий. В силу этих преимуществ практически все современные устройства информационной электроники создаются с применением ИМС. Можно отождествить современную информационную электронику и микросхемотехнику. В последние годы наметилась тенденция внедрения достижений микроэлектроники и в энергетическую электронику. Интегральные микросхемы делятся на два сильно отличающихся друг от друга класса: 1) полупроводниковые ИМС; 2) гибридные ИМС. Полупроводниковая ИМС - полупроводниковый кристалл, в толще которого выполняются все компоненты схемы: полупроводниковые приборы и полупроводниковые резисторы. Поверхность полупроводника покрывается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий соединения между элементами схемы. На рис. 1.16, а показана часть схемы, состоящая из резистора, диода и транзистора, а на рис. 1.16, б - разрез полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены указанные схемные элементы. Изоляция элементов друг от друга осуществляется с помощью р-п переходов, смещенных в обратном направлении. Для этого к подложке р-типа прикладывается наиболее отрицательный потенциал. После создания слоя окисла на поверхности и нанесения соединений кристаллы полупроводника помещают в герметизированный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.
Рис. 1.16. Фрагмент схемы и ее реализация в виде полупроводниковой ИМС Полупроводниковые ИМС обладают следующими особенностями: 1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, полевые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В качестве конденсаторов с емкостью до 200-400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обратном направлении. Наиболее предпочтительными элементами являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа, затем другие полупроводниковые приборы. Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы. 2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элементы на одном кристалле имеют практически идентичные параметры. 3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном предприятии. 4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС велики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями ( 5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы. Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС составляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверхности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра (рис. 1.17, а), что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротивление таких резисторов может достигать
Рис. 1.17. Компоненты пленочных ИМС: а - резистор; б - конденсатор; в - индуктивность Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами: 1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда. 2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возможна подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (например, путем соскабливания части пленки). 3. Технология гибридных ИМС значительно проще технологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом термовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопленочных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка. 4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибридных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому экономически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми сериями (сотни и даже десятки экземпляров). 5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков. Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т. е. выпускаются в виде типовых элементов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их высокий тираж. Гибридная технология особенно предпочтительна при разработке ИМС частного применения, т. е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае тираж ИМС обычно невысок, и экономически выгоднее выпуск гибридных ИМС. Число компонентов, заключенных в одном корпусе ИМС, называют степенью интеграции N. На рис. 1.18 показаны зависимости стоимости полупроводниковой ИМС С, отнесенной к степени интеграции N, от N. Эти зависимости приведены для различных годов выпуска ИМС. Кривые показывают, что имеется область На рис. 1.19, а показана пластина полупроводника, на которой изготавливаются девять ИМС малого или среднего-уровня интеграции. На рис. 1.19, б показана такая же пластина, на которой расположена только одна большая ИМС (БИС). Если на пластине имеется локальный дефект (показан на рис. 1.19, а и б крестиком), то в первом случае придется забраковать 1/9 часть изготовленных ИМС, а в случае БИС негодным окажется 100% изделий. Поэтому оптимальное значение N зависит от уровня технологии изготовления ИМС и по мере совершенствования технологических процессов повышается, в настоящее время для выпускаемых БИС N
Рис. 1.18. Зависимость относительной стоимости C/N от степени интеграции N для ИМС различных годов выпуска
Рис. 1.19. Воздействие дефекторов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции Большим достижением современной электроники в последние годы стало преодоление упомянутого препятствия на пути увеличения N: найдены способы создания сложных БИС, которые при этом не теряют своей универсальности. Это программируемые ИМС. Потребитель может по-разному использовать ИМС, запрограммировав ее функции. Подобные ИМС будут рассмотрены в дальнейшем: это постоянные запоминающие устройства (§ 4.6) и микропроцессоры (§ 4.12, 4.13). Современный этап развития электроники характеризуется все усиливающимся применением БИС вплоть до создания однокристальных ЭВМ. Эта тенденция обусловлена повышением основных технико-экономических показателей электронных устройств управления при использовании БИС (см. гл. 4). 1.10.
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы
Оптоэлектроника - это раздел науки и техники, в котором изучаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения информации на основе совместного использования электрических и оптических явлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе электромагнитное излучение оптического диапазона. Современная микроэлектроника не решила проблему всеобщей микроминиатюризации электронной аппаратуры. Такие традиционные элементы, как трансформаторы, разъемные контакты, конденсаторы большой емкости плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за больших габаритов. Особые трудности вызывает обеспечение электрической изоляции при связи двух систем: высоковольтной и низковольтной. В частности, такая задача возникает при создании устройств управления высоковольтными установками большой электроэнергии. Здесь на помощь приходит оптоэлектроника. Применение оптического канала связи позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию любых систем, исключить громоздкие реактивные и контактные компоненты, повысить надежность работы оборудования. Элементная база оптоэлектроники включает в себя: 1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в световую; 2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники) - преобразователи световой энергии в электрическую; 3) приборы для электрической изоляции при передаче энергии и информации по световому каналу - оптоэлектронные приборы (оптопары); 4) световоды. Ограничимся рассмотрением наиболее часто применяющихся в промышленной электронике полупроводниковых оптопар, источников или приемников некогерентного излучения. Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т. е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи р-n перехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например фосфид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происходит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конструкция прибора обеспечивает передачу света от р-n перехода без значительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германиевых диодов. Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначение светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 1,20, а.
Рис. 1. 20. Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода, (б) фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д) К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. В § 1.1 было упомянуто явление термогенерации, т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону проводимости при нагреве. Аналогичный переход может произойти, если на слой полупроводника воздействовать светом. В результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (появление фотопроводимости). При облучении светом р-n перехода увеличивается ток неосновных носителей, т. е. увеличивается обратный ток этого перехода: Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости, В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т. е. при
При облучении базы или области коллекторного перехода изменяется ток неосновных носителей Принцип действия фототиристора (схемное обозначение приведено на рис. 1.20, г) также основан на изменении тока
В фототиристоре Таким образом, управляемые полупроводниковые приборы (транзистор и тиристор) в качестве сигнала управления могут использовать световое излучение. Оптопара состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод, фототранзистор или фототиристор), между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. Обозначение диодной оптопары, состоящей из светодиода и фотодиода, приведено на рис. 1.20, д. В оптопарах, полностью отсутствует электрическая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электрическая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позволяет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником в несколько тысяч вольт. При этом полностью исключаются паразитные каналы передачи информации через собственные емкости, магнитное поле рассеяния и т. п. Недостатком диодной оптопары является малый коэффициент передачи по току При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока. Общим недостатком оптопар является линейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар. Передача информации от излучателя к фотоприемнику может проводиться с помощью световодов: гибких шлангов, состоящих из отражающей оболочки и сердцевины из органического или неорганического стекла. Передача информации по световодам обеспечивает полную защищенность от электромагнитных помех. Оптоэлектронные приборы находят все более широкое применение информационной и энергетической электрхшике, в различных устройствах для передачи и отображения информации. 1.11.
Контрольные вопросы и задачи
1. Перечислите подвижные и неподвижные заряды в примесных полупроводниках, укажите их происхождение и зависимость концентрации от температуры. 2. Почему при анализе электропроводности металлов не учитывают дырочную составляющую тока? 3. Почему вне запирающего слоя р-n перехода слои полупроводника нейтральны? Какими зарядами создается запирающий слой и внутреннее электрическое поле перехода? 4. Объясните зависимость ширины запирающего слоя р-п перехода от приложенного напряжения. 5. Укажите напряжения, приложенные к р-п переходам транзистора на пологом ( 6. Объясните (без формул), почему при постоянном 7. Объясните процессы в транзисторе при 8. Как изменится эмиттерный ток транзистора при увеличении 9. Укажите случаи, когда ток стока полевых транзисторов изменяется из-за расширения р-п переходов. 10. На основании стоковых характеристик рис. 1.9, г и рис. 1.11,б, в постройте стокозатворные характеристики 11. Объясните распределение токов в тиристоре. Какую роль в его работе играет зависимость коэффициентов передачи 12. Почему процесс отпирания тиристора при подаче тока управления протекает лавинообразно? 13. Почему в однооперационном тиристоре уменьшение управляющего тока не приводит к запиранию прибора? 14. Назовите преимущества ИМС. Объясните зависимость стоимости ИМС от степени интеграции. 15. Сформулируйте отличительные особенности полупроводниковых и гибридных ИМС. 16. Объясните принцип действия светоизлучающего диода, фотодиода, фототранзистора и фототиристора. В чем преимущество оптронов перед приборами с электрической связью? |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
© Центр дистанционного образования МГУП |