Всё для Учёбы — студенческий файлообменник
бесплатно
doc

Реферат «Полупроводниковые приборы» по Общей электротехнике и электронике (Михайлова О. М.)

Электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов (см. ниже). К числу таких компонентов относятся транзисторы, интегральные схемы, оптоэлектронные приборы, сверхвысокочастотные (СВЧ) приборы и выпрямители.

Полупроводниковые материалы. Полупроводник – это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. См. также ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ; ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ТРАНЗИСТОР.

Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как «донор»). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал p-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем «дырки», которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.

p-n-Переходы. Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа, а другая – из полупроводника n-типа. Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область (рис. 1).

Рис. 1. СХЕМАТИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ p-n-ПЕРЕХОДА. Это переходная область между полупроводниковыми материалами p-типа и n-типа. Кружками со знаками изображены подвижные носители заряда: электроны (-) и дырки (+), а квадратами – неподвижные ионы в области перехода.

Если p-область p-n-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а n-область – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из p-области в направлении n-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области n-типа к области p-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.

Диоды с p-n-переходом. Диоды – это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный.

Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется «лавина» новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает.

Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами.

Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами.

Резкие p-n-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут «туннелировать» сквозь переход. Туннелирование – это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от p-области к n-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств.

p-n-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает p-n-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от n-области в p-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света.

В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов.

Полученную от p-n-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле.

Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением.

Транзисторы. p-n-Переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах – интегральных схемах.

В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем самым три отдельных слоя p-n-p- либо n-p-n-структуры. В p-n-p-транзисторе p-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная n-область является базой; p-область, служащая выводом, называется коллектором. В n-p-n-транзисторе p- и n-области меняются местами. В p-n-p-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в n-p-n-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения малого тока, подаваемого в область базы.

Полевой транзистор представляет собой униполярный прибор; это означает, что только основной тип носителей заряда – либо электроны в областях с проводимостью n-типа, либо дырки в областях с проводимостью p-типа – проходят через проводящий канал прибора. Ток в канале изменяется посредством электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к переходу (с обратным смещением) или к изолирующему слою на поверхности прибора.

Биполярный транзистор – это, по существу, прибор, управляемый током, а полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением. Оба типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники.

p-n-p-n-Приборы. На рис. 2 представлена четырехслойная структура, называемая триодным тиристором (SCR). Это наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n. Другие приборы с этой структурой – двухвыводной и двусторонний диоды.

Рис. 2. ТРИОДНЫЙ ТИРИСТОР – полупроводниковый прибор, позволяющий преобразовать переменный ток в постоянный.

Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При прямом напряжении на тиристоре переход B имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе B развивается лавинный процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области N и P, вызывая диффузию дырок на переходе A p-n-p-структуры и диффузию электронов на переходе C n-p-n-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым. Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении, инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя p управляющего электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и других применениях.

Сверхвысокочастотные приборы. Транзисторы находят широкое применение в СВЧ-технике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода, но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.

В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n-переходе возникают избыточные носители в области дрейфа, т.е. в области, где носители заряда движутся под влиянием приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.

Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении напряженностью электрического поля некоторого критического уровня электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде, здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний. См. также СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.

Другие приборы. Полупроводники находят применение во многих других электронных приборах; постоянно разрабатываются все новые и новые приборы и устройства. В качестве примера можно привести диод Шоттки, диод со сплавным переходом, полевой транзистор с p-n-переходом и прибор с зарядовой связью (ПЗС).

Название ПЗС — прибор с зарядовой связью — отражает способ считывания электрического потенциала методом сдвига заряда от элемента к элементу.

ПЗС устройство состоит из поликремния, отделённого от кремниевой подложки, у которой при подаче напряжения через поликремневые затворы изменяются электрические потенциалы вблизи электродов. Один элемент ПЗС-матрицы формируется тремя или четырьмя электродами. Положительное напряжение на одном из электродов создаёт потенциальную яму, куда устремляются электроны из соседней зоны. Последовательное переключение напряжения на электродах перемещает потенциальную яму, а следовательно, и находящиеся в ней электроны, в определённом направлении. Так происходит перемещение по одной строке матрицы.

Если речь идёт о ПЗС-линейке, то заряд в её единственной строке «перетекает» к выходным каскадам усиления и там преобразуется в уровень напряжения на выходе микросхемы.

У матрицы же, состоящей из многих видеострок, заряд из выходных элементов каждой строки оказывается в ячейке ещё одного сдвигового устройства, устроенного обычно точно таким же образом, но работающего на более высокой частоте сдвига.

Для использования ПЗС в качестве светочувствительного устройства часть электродов изготавливается прозрачной.

История

Прибор с зарядовой связью был изобретен в 1969 Уиллардом Бойлом (Willard Boyle) и Джорджем Смитом (George E. Smith) в Лабораториях Белла (AT&T Bell Labs). Лаборатории работали над видеотелефонией (picture phone и развитием «полупроводниковой пузырьковой памяти» (semiconductor bubble memory). Объединив эти два направления, Бойл и Смит занялись тем, что они назвали их «устройствами с зарядовыми пузырьками». Смысл проекта состоял в перемещении заряда по поверхности полупроводника. Так как приборы с зарядовой связью начали свою жизнь как устройства памяти, можно было только поместить заряд во входной регистр устройства. Но стало ясно, что прибор способен получить заряд благодаря фотоэлектрическому эффекту, то есть могут создаваться изображения при помощи электронов.

В 1970 году исследователи Bell Labs научились фиксировать изображения с помощью ПЗС-линеек (в них воспринимающие свет элементы расположены в одну или несколько линий). Таким образом впервые был создан фотоэлектрический прибор с зарядовой связью.

Впоследствии под руководством Кадзуо Ивама (Kazuo Iwama) компания Sony стала активно заниматься ПЗС, вложив в это крупные средства, и сумела наладить массовое производство ПЗС для своих видеокамер. Ивама умер в августе 1982. Микросхема ПЗС была установлена на его надгробной плите для увековечения его вклада.

С 1975 года начинается активное внедрение телевизионных ПЗС-матриц. А в 1989 году они применялись уже почти в 97 % всех телекамер.

В январе 2006 за работы над ПЗС У.Бойл и Дж. Смит были удостоены награды Национальной Инженерной Академии США.

Блуминг

Блуминг (или блюминг) (от англ. bloom — цветок) в ПЗС — это эффект «растекания» избыточного заряда от пересвеченных областей матрицы ПЗС в соседние ячейки. Основная причина возникновения — ограниченная ёмкость потенциальной ямы для фотоэлектронов в ячейке. Блуминг имеет характерную симметричную форму, определяемую геометрией расположения элементов на матрице. В настоящее время (приблизительно с 2006 года) в любительских устройствах блуминг обычно не проявляется, так как в них используются специальные антиблуминговые цепи, которые отводят избыточные электроны из ячеек. Однако, отвод электронов по мере заполнения потенциальной ямы приводит к нелинейности характеристики ПЗС и затрудняет измерения. Поэтому в научных целях по-прежнему применяются ПЗС без антиблуминговых цепей, и блуминг часто может быть замечен, например, на спутниковых фотографиях и снимках межпланетных зондов.

Сисок используемой литературы:

Кацман Ю.А. Теория, основы расчета и проектирования электронных приборов. М., 1973

Рагозин Ю.Д. и др. Основы применения электронных приборов. М., 1975

Денискин Ю.Д. и др. Электронные приборы. М., 1980

Показать полностью…
Похожие документы в приложении