Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Порядок построения энергетической диаграм-мы МДП-структуры. Для построения энергетической диаграммы МДП-структуры в режиме сильной инверсии необходимо определить следующие электрофизические характеристики:

концентрацию примесей в полупроводнике;

величину объемного потенциала (φобn, φобp), позволяющего определить положение уровня Ферми в полупроводнике, используя формулы (1.5 а), (1.5 б) и, считая, что концентрация основных носителей заряда равна концентрации донорной или (в зависимости от типа проводимости полупроводника) акцепторной примеси (атомы примеси полностью ионизированы), т.е.  и ;

величину изгиба энергетических зон в приповерхностной области полупроводника, в которой локализован пространственный заряд, соответствующего режиму сильной инверсии ;

величину ширины области пространственного заряда в приповерхностной области полупроводника Wm в режиме сильной инверсии;

значение толщины диэлектрического слоя;

величину порогового напряжения.

По полученным и исходным данным строится энергетическая диаграмма.

1. Выбирается масштаб: по вертикали в эВ, по горизонтали в мкм или в нм (см. п. 1.2.8. Порядок построения энергетической диаграммы p–n-перехода).

2. Проводятся вертикальные пунктирные линии, обозначающие границы "затвор-диэлектрик" и "диэлектрик-полупроводник". Проводится (произвольно) горизонтальная линия – линия уровня Ферми в полупроводнике, обозначается Efn (или Efp).

3. Проводится вертикальная пунктирная линия, обозначающая границу области пространственного заряда в приповерхностной области полупроводника, расстояние от нее до границы с диэлектриком равно рассчитанному значению Wm.

4. На расстоянии, равном величине рассчитанного объемного потенциала, выше (в случае, если полупроводник р-типа) или ниже (в случае, если полупроводник n-типа) от уровня Ферми проводится горизонтальная линия, соответствующая уровню середины запрещенной зоны полупроводника, обозначается Ei.

5. Параллельно линии Ei на расстояниях, равных половине величины запрещенной зоны полупроводника Eg/2, проводятся горизонтальные линии:

- выше Ei – линия уровня дна зоны проводимости, обозначаемая Ec,

- ниже Ei – линия уровня потолка валентной зоны, обозначаемая Ev.

6. В пределах 0 ¸ Wm линии, соответствующие Ec, Ev и Ei, представляются изогнутыми относительно нейтральной области полупроводника по параболическому закону. Величина (по вертикали) изгиба энергетических уровней на поверхности полупроводника в точке x = 0 (граница раздела "диэлектрик-полупроводник") равна удвоенному значению объемного потенциала, т.е. qs = 2qоб.

7. В ОПЗ через точку пересечения линий уровня Ферми и середины запрещенной зоны полупроводника проводится вертикальная пунктирная линия, обозначающая границу слоя инверсной проводимости.

8. Отрезками горизонтальных линий отображается область диэлектрика, указывается толщина диэлектрика d.

9. Проводится горизонтальная линия, соответствующая уровню Ферми в затворе, таким образом, чтобы она располагалась выше (или ниже) линии уровня Ферми в полупроводнике (подложке) на величину порогового напряжения (qUпор ), обозначается EfМ.

2. Состав индивидуального задания

Индивидуальное задание (ИЗ) составляется преподавателем и выдается студентам в начале семестра.

Объектом ИЗ являются полупроводниковые структуры: "металл-диэлектрик-полупроводник", p-n-переход, контакт "металл-полупроводник". Таким образом, в ИЗ должны быть рассмотрены физические процессы в полупроводниковой структуре и выполнен расчет ее электрофизических характеристик.

Задание, как правило, должно содержать:

– наименование темы ИЗ;

– вид полупроводниковой структуры;

– исходные данные для выполнения расчетов электрофизических характеристик;

– перечень решаемых при выполнении ИЗ вопросов.

Кроме того, ИЗ для студентов, обучающихся по специальности 210202 «Проектирование и технология электронно-вычислительных средств», может быть выполнено в виде реферата по определенной проблеме физических процессов и явлений современной микро- и наноэлектроники. Примерные темы рефератов приведены в прил. 9.

Студенты, выполнившие ИЗ в виде реферата и выступившие с докладом по его теме на ежегодной студенческой научно-технической конференции ТТИ ЮФУ, поощряются дополнительными рейтинговыми баллами по дисциплине.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Общие принципы работы

Биполярные транзисторы - это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры. Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода. Существуют еще полевые транзисторы, имеющие другие структуры.

Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К-Э является управляемой цепью. С помощью тока через переход Б-Э можно управлять током через переход К-Э.

Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к плюсу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток.

Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинирует с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб. Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе зарядов, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.

Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор.

Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера a=Iк/Iэ. Обычно a=0,9…0.995. Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы в рассматриваемой схеме включения транзистора (она называется схемой с общим эмиттером). Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10…300.

Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным.

При рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан тем, что область эмиттера n-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое количество свободных электронов. В тоже время область базы легируется очень слабо, что дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер.

Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно составляет всего лишь 6В, поэтому в практических схемах всегда необходимо беспокоится о том, чтобы обратные напряжения база-эмиттер не превышали это значение. 

Таким образом, транзистор является усилительным прибором. В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности.


На главную