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

Лабораторные работы по электронике

 Электрофизические свойства различных полупроводниковых структур определяют принципы действия подавляющего большинства интегральных микросхем (ИМС).

На границе раздела между двумя различными по типу электропроводности полупроводниками или между полупроводником и металлом возникают потенциальные барьеры, что является следствием перераспределения концентрации подвижных носителей заряда между контактирующими материалами. Электрические свойства граничного слоя зависят как от значения, так и от полярности приложенного внешнего напряжения. Если граничные слои в полупроводниковых структурах обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками, т.е. если их электрическое сопротивление при одной полярности напряжения больше, чем при другой, то такие слои называются выпрямляющими переходами.

Процессы, протекающие на поверхности полупроводника, оказывают существенное влияние на электрические параметры элементов интегральных схем. Наличие локальных поверхностных энергетических уровней вызывает образование поверхностного электрического заряда. При этом в приповерхностной области полупроводника появляется равный по значению и противоположный по знаку индуцированный заряд, т. е. появляются обогащенные, обедненные или инверсионные приповерхностные слои. Возникновением инверсионных слоев в значительной степени определяется эффект поверхностной проводимости и образование так называемых каналов. Каналы могут формироваться и под действием поперечного внешнего электрического поля. Модулируя величину электропроводности канала, управляют величиной тока в полевых транзисторах на основе МДП-структур.

Таким образом, целью анализа физических процессов в заданной полупроводниковой структуре является детальное обсуждение перечисленных в данном пункте проблем применительно к ИЗ, а также выбор и обоснование детерминированных моделей для последующего выполнения необходимых расчетов.

3.2.2. Цель расчета электрофизических характе-ристик. Целью расчета является получение необходимых теоретических зависимостей или значений отдельных свойств полупроводниковой структуры, оговоренных в задании.

Прежде чем выполнять те или иные расчеты, надо понять их сущность, смысл заданных величин, вспомнить физические процессы, основные законы и соотношения, относящиеся к данному вопросу.

Все аналитические расчеты следует производить по общеизвестным правилам. Вначале необходимо написать исходные соотношения, сделать, если это необходимо, соответствующие преобразования, получить конечные формулы, а затем подставить в эти формулы числовые значения и вычислить искомый результат. Однако, если решение задачи в общем виде связано с громоздкими выражениями, то его можно производить поэтапно.

Ход всех преобразований и вычислений должен быть четко показан в решении задачи. Вычисления, как правило, достаточно делать с точностью до второго знака, а в ряде отдельных случаев – до третьего. Нет никакого смысла доводить точность решения до четвертого или пятого знака, так как исходные данные обычно бывают известны с меньшей точностью. Например, характеристики и параметры полупроводниковых материалов, приборов, емкости конденсаторов, сопротивления резисторов всегда известны с точностью, редко превышающей 5–20%.

При выполнении расчетов очень полезно пользоваться некоторыми приемами приближенных вычислений и простыми правилами, упрощающими вычисления.

Полученный в виде числового ответа результат расчета надо всегда стараться проверить каким-либо способом. Иногда в вычислениях бывает допущена ошибка и порядок величин в ответе получается неправильным. Полезно оценить результат, вычислив его весьма приближенно путем округления значений, с которыми производятся действия, до удобных для выполнения оценочного расчета.

Необходимо внимательно следить за размерностью величин и не допускать таких грубых ошибок, как, например, получение сопротивления в «омах» при делении по закону Ома напряжения в «вольтах» на ток в «миллиамперах». При таком делении сопротивление получается в «килоомах».

Результаты расчетов электрофизических характеристик полупроводниковых структур необходимо оформить в виде графиков и диаграмм. При этом на осях координат обязательно надо показать, какие величины отложены и в каких единицах. Вдоль оси указывают значения этих величин в соответствующем масштабе.

3.2.3. Третий раздел пояснительной записки. Третий раздел должен быть посвящен описанию одного из методов формирования полупроводниковой структуры в соответствии с вариантом задания. При этом следует руководствоваться следующими соображениями.

Как уже отмечалось, различные полупроводниковые структуры (p-n-переход, контакт "металл-полупроводник", МДП) составляют основу полупроводниковых интегральных микросхем. Такие ИМС представляют собой функциональные устройства, изготовленные в кристалле полупроводника и содержащие соединенные между собой активные и пассивные элементы (транзисторы, диоды, резисторы и конденсаторы). Для изготовления полупроводниковых ИМС используются такие технологические процессы, как окисление полупроводника, диффузия, ионное внедрение примесей в полупроводник, эпитаксиальное наращивание, вакуумное напыление и др. Для получения микрогеометрии элементов наиболее широко применяется метод фотолитографии, а также метод локальной обработки материала остросфокусированными или каким-либо образом локализованными управляемыми электронными, ионными и лазерными лучами. С помощью этих процессов как активные, так и пассивные элементы изготавливаются в объеме или на поверхности кристалла полупроводника. В качестве активных элементов в ИМС используются биполярные (p-n-p и n-p-n) транзисторы, а также полевые транзисторы с изоляцией затвора диэлектрическим слоем, диоды на основе p-n-перехода или барьера Шоттки и другие структуры. Резисторами в ИМС являются отдельные участки полупроводника, имеющие соответствующую конфигурацию. Конденсаторами служат p-n-переходы или структуры типа МДП. Изоляция между элементами осуществляется либо p-n-переходом, либо диэлектрическим слоем. Следует отметить, что диффузионные резисторы и конденсаторы на основе p-n-переходов имеют узкий диапазон исследуемых номиналов, низкую точность изготовления, сильную температурную зависимость номиналов и являются нелинейными элементами.

В целом полупроводниковые интегральные микросхемы продолжают оставаться одним из основных направлений развития современной твердотельной электроники, так как они позволяют создавать надежные, сравнительно дешевые и достаточно сложные в функциональном отношении электронные устройства малых размеров.

Заключение

Заключение является неотъемлемой структурной частью пояснительной записки. Оно должно содержать краткие выводы по результатам выполнения индивидуального задания и предложения по совершенствованию методики расчета электрофизических характеристик полупроводниковых структур.

Библиографический список и

требования к нему

Оформление списка использованных источников должно соответствовать требованиям действующих стандартов.

В списке должны быть указаны лишь источники, которые действительно были использованы в процессе выполнения индивидуального задания и на которые в тексте пояснительной записки имеются ссылки.

Примером оформления может служить список использованных источников, приведенный в данном учебно-методическом пособии.

Основные параметры транзистора

Коэффициент усиления по току.

Обычно используется коэффициент усиления h21Э в схеме с общим эмиттером:

h21Э=Iк/Iб>>1,

где Iб - ток базы; Iк - ток коллектора.

Транзистор является как бы узлом, поэтому

Iэ=Iб+Iк.

токи коллектора и эмиттера связаны соотношением:

Iк/Iэ=a<1.

Найдем связь a и h21Э.

 a=Iк/(Iб+Iк)=1/(Iб/Iк+1)=1/(1/h21Э+1)=h21Э/(1+h21Э)

-это очень близко к 1. Аналогично находим:

h21Э=Iк/Iб=a/(1-a).

Иногда для получения большого коэффициента усиления используется схема составного транзистора, которая получается, если два транзистора соединить по схеме:

Коэффициент усиления составного транзистора:

Iк1= b1×Iб1;

Iк2=b2×Iб2;

Iб2=Iэ1=(1+b1)×Iб1;

Iк=Iк1+Iк2.

Из этих уравнений:

 Iк=[b1+(1+b1)×b2]×Iб1»b1×b2×Iб1.

 Коэффициент усиления транзистора h21э зависит от частоты, на которой работает транзистор, и от тока коллектора. С увеличением частоты h21Э падает. Это связано с проявлением его инерционных свойств в основном из-за наличия емкости коллекторного перехода. Для большинства транзисторов указывается граничная частота, при которой коэффициент усиления равен единице.

Любое включение, отличное от нормального, называется инверсным. Инверсия - изменение знака. При инверсном включении h21Э сильно падает и прибор перестает быть усилителем, хотя и остается управляемым.


На главную