§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы). Плоскостные и точечные диоды

2.2. Прямое включение p-n перехода

Если источник напряжения подключить знаком «+» к р - области, а знаком «–» к области n-типа, то получим включение, которое называют прямым (рис.2.2).

Электрическое поле источника напряженностью Еи направлено навстречу полю p-n перехода напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего электрического поля Е1=Е-Еи. Уменьшение напряженности электрического поля в переходе вызовет снижение высоты потенциального барьера на значение прямого понижения U источника:

∆φκ1=∆φκ-U.

Рис. 2.2. Прямое включение

p-n перехода

меньшение высоты потенциального барьера приводит к тому, что увеличивается число основных носителей заряда черезp-n переход, т.е. увеличивается диффузионный ток. На дрейфовый ток изменение высоты потенциального барьера не влияет, так как этот ток определяется только количеством неосновным носителей заряда, переносимых через p-n переход в единицу времени в результате хаотического теплового движения. Диффузионный и дрейфовый токи направлены в p-n переходе в противоположные стороны, поэтому результирующий (прямой) ток будет:

Iпр= Iдиф – Io.

2.3. Обратное включение p-n перехода

Рис. 2.3. Обратное включение

p-n перехода

При обратном включении p-n перехода электрическое поле источника напряжения напряженностью Еи направлено в ту же сторону, что и контактное поле перехода напряженностью Е, поэтому напряженность результирующего поля в переходе Е2 = Е+Еи (рис.2.3 ).

Увеличение напряженности электрического поля в p-n переходе повышает потенциальный барьер на значение обратного напряжения источника:

∆φκ1=∆φκ+U.

Это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, т.е. к снижению диффузионного тока.

Поскольку дрейфовый ток не зависит от высоты потенциального барьера, он равен току I0 .

Ток при обратном включении называют обратным током. При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равным нулю. Для неосновных носителей заряда поле p-n перехода является ускоряющим, поэтому дырки области n из прилегающих к переходу слоев дрейфуют в область р - типа, а электроны области р – в область n-типа. Таким образом, через p-n переход протекает только дрейфовый ток. Он мал, поскольку мала концентрация неосновных носителей в обеих областях и высоко сопротивление p-n перехода.

3. Структура диодов . Точечные и плоскостные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя омическими контактами (омическими называют контакт металла с полупроводником, не обладающий выпрямляющим свойством), к которым присоединяются два вывода.

Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (p- или n- типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода и условное обозначение в схемах выпрямительного диода показаны на рис. 3.1.

Иногда электрический переход образуется между полупроводникомp- или n-типа и металлом, такой переход называют контактом металл-полупроводник.

Рис. 3.1. Структура и обозна -

чение диода

лассифицируют диоды по различным признакам:по основному полупроводниковому материалу - кремниевые, германиевые из арсенида галлия; по физической природе процессов, обусловливающих их работу, - туннельные, фотодиоды, светодиоды и др.; по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.; по технологии изготовления электрического перехода – сплавные, диффузионные и др.; по типу электрического перехода – точечные и плоскостные.

Основными являются классификации по типу электрического перехода и названию диода.

studfiles.net

Кафедра информационных систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Полупроводниковые приборы,

логические элементы, узлы ЭВМ

Методические указания по дисциплине "Аппаратные средства вычислительных комплексов" для студентов специальности 351400 "Прикладная информатика (в экономике)"

ТВЕРЬ 2003

УДК 681.3

Содержится перечень основных учебных тем дисциплины, теоретический материал по некоторым темам. При изучении дисциплины, кроме книг, указанных в библиографическом списке, могут бать использованы другие учебники, учебные пособия с названиями, аналогичными указанным.

Составитель Вегера Ю . А.

Рекомендовано к изданию на заседании кафедры ИС (протокол

№ 10 от 28.04. 2003 г.).

Содержание

Основные учебные темы дисциплины " Аппаратные средства ПЭВМ и систем телекоммуникации" 5

Полупроводниковые приборы, логические элементы, узлы ЭВМ 7

1.Особенности полупроводниковых материалов 7

1.1. Собственная электропроводность полупроводниковых материалов 7

1.2. Примесная электропроводность 8

2.Электронно-дырочный переход и его свойства 9

2.1. Токи в р-n переходе и их характеристики 10

2.2. Прямое включение p-n перехода 11

3. Структура диодов . Точечные и плоскостные диоды 13

3.1. Точечные диоды 13

3.2. Плоскостные диоды 15

3.3. Выпрямительные диоды 15

4. Транзисторы 15

4.1. Биполярные транзисторы 15

4.2. Схемы включения биполярного транзистора и режимы его работы 18

4.3. Работа биполярного транзистора в активном режиме 19

4.4. Токи биполярного транзистора 19

4.5. Усилительные свойства биполярного транзистора 21

5 . Логические элементы в интегральном исполнении 22

5.1. Логический элемент И - НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ) 22

5. 2. Логический элемент И – НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) 23

5.3. Логический элемент ИЛИ - НЕ n-канальной МОП-транзисторной логики ( МОПТЛ ) 24

5.4. Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) 24

6. Триггеры в интегральном исполнении 25

6.1. RS-триггер 25

6.2. D-триггер 26

6.3. Т-триггер 27

7. Регистры 27

7. 1. Параллельный регистр 27

7.2. Последовательный регистр 28

8. Счетчики 29

8.1. Суммирующие двоичные счетчики 29

9. Сумматоры 31

Библиографический список 32

Основные учебные темы дисциплины " Аппаратные средства пэвм и систем телекоммуникации"

Тема 1. Некоторые вопросы электротехники цепей постоянного и переменного тока

Электрическое поле. Напряженность и потенциал поля. Цепи постоянного тока, законы Ома и Кирхгофа. Цепи переменного синусоидального тока. Основные параметры. Мгновенное, действующее и среднее значение переменного тока. Резистивный и емкостной элементы в цепи переменного тока.

Тема 2. Особенности полупроводниковых материалов

Собственная и примесная электропроводность полупроводников. Электронно-дырочный ( pn- переход ) и его свойства. Токи в p-n переходе . Прямое и обратное включение перехода, его вольт-амперная характеристика.

Тема 3. Полупроводниковые диоды

Конструкция и принцип действия выпрямительного диода. Точечные и плоскостные диоды. Назначение, конструкция, принцип действия, характеристики, параметры. Светодиоды, фотодиоды.

Тема 4. Транзисторы

Биполярные транзисторы. Конструкция, принцип действия. Режимы работы и основные токи транзистора. Параметры и характеристики. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом, с изолированным затвором. Усилительное свойство транзисторов.

Тема 5. Усилители электрических сигналов

Определение и классификация. Принцип действия усилителя. Свойства усилительных схем. Режимы работы усилительных каскадов.

Тема 6. Основы цифровой схемотехники

Транзисторные ключи. Логические элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ .Схемы элементов ДТЛ, ТТЛ ,МДП типов , принцип действия. Таблицы истинности.

Тема 7.Узлы цифровых вычислительных устройств

Основные типы триггеров RS, D, T, JK-триггеры. Регистры. Основные типы регистров, схемы, временные диаграммы работы. Счетчики импульсов. Классификация. Примеры схем счетчиков. Временные диаграммы работы. Шифраторы и дешифраторы. Назначение, схемы, принцип действия, примеры применения. Сумматоры. Основные типы сумматоров. Схемы сумматоров. Временные диаграммы работы.

Тема 8. Запоминающие устройства

Схемы, принцип действия и основные характеристики полупроводниковых запоминающих устройств. Запоминающие устройства на жестких и гибких магнитных дисках. Конструкция, принципы записи и чтения.

Тема 9. Принтеры

Матричные, струйные, лазерные принтеры. Примеры конструкций и принципы действия принтеров.

Тема 10. Дисплеи ЭВМ

Мониторы. Устройство, связь с процессором. Блок клавиатуры.

Тема 11. Процессоры ЭВМ

Общая структура микропроцессора, назначение основных элементов структуры. Последовательность операций при обработке команд.

Полупроводниковые приборы, логические элементы, узлы ЭВМ

Особенности полупроводниковых материалов

Полупроводниковые приборы, обладающие рядом свойств, которые делают их применение предпочтительным , все более широко используются в электронной технике.

К полупроводникам относят многие химические элементы, такие как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов .Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. Обычно к ним относят вещества, по удельной электрической проводимости занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками (отсюда происхождение их названия). При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 См/м (для металлов – 106-108 См/м, для диэлектриков – 10-8-10-13 См/м).

Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). Электропроводность полупроводников зависит от внешних воздействий: нагревания, облучения, электрического и магнитного полей, давления, ускорения, а также от содержания даже незначительного количества примесей.

studfiles.net

2.2.2 Устройство полупроводниковых диодов.

В зависимости от структуры различают точечные и плоскостные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь n–р-перехода, такие же, как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость n –р-перехода (обычно менее 1 пФ) и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад. Поэтому их применяют на частотах не выше десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер.

Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 2.8. Тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси, которые создают область с другим типом электропроводности. Этот процесс называется формовкой диода (смотри пункт 1.5). Таким образом, около иглы образуется миниатюрный n-р-переход полусферической формы. Следовательно, разница между точечными и плоскостными диодами заключается в площади n – р перехода.

Рисунок 2.8 – Принцип устройства точечного диода

Германиевые точечные диоды обычно изготовляются из германия n-типа со сравнительно большим удельным сопротивлением. К пластинке германия приваривают проволочку из вольфрама, покрытого индием. Индий является для германия акцептором. Полученная область германия р-типа работает в качестве эмиттера. Для изготовления кремниевых точечных диодов используются кремний n-типа и игла, покрытая алюминием, который служит акцептором для кремния.

Плоскостные диоды изготовляются главным образом методами сплавления (вплавления) или диффузии (рисунке 3.17). В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 °С каплю индия, которая, сплавляясь с германием, образует слой германия р-типа. Область с электропроводностью р-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмиттером. К основной пластинке германия и к индию припаивают выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий р-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмиттерная область n-типа.

Комбинированием методов элекрохимического осаждения и сплавления изготавливаются (смотри пункт 1.5) микро – сплавные диоды.

Рисунок 2.9 – Принцип устройства плоскостных германиевых диодов, изготовленных сплавным (а) и диффузионным (б) методом

Диффузионный метод изготовления n–р-перехода основан на том, что атомы примеси диффундируют в основной полупроводник (смотри пункт 1.5). Примесное вещество при этом обычно находится в газообразном состоянии. Для того чтобы диффузия была интенсивной, основной полупроводник нагревают до более высокой температуры, чем при методе сплавления. Например, пластинку германия n-типа нагревают до 900 °С и помещают в пары индия. Тогда на поверхности пластинки образуется слой германия р-типа. Изменяя длительность диффузии, можно довольно точно получать слой нужной толщины. После охлаждения его удаляют путем травления со всех частей пластинки, кроме одной грани. Диффузионный слой играет роль эмиттера. От него и от основной пластинки делают выводы. При диффузионном методе атомы примеси проникают на относительно большую глубину в основной полупроводник, и поэтому n–р-переход получается плавным, т. е. в нем толщина области изменения концентрации примеси сравнима с толщиной области объемных зарядов.

Современные полупроводниковые кремниевые диоды создаются на планарной и планарно – эпитаксиальной технологии. Название «планарный» дано от английского слова Planag – плоский. Основу планарной технологии составляет метод фотолитографии, рассмотренный в разделе 1.5.

Последовательность операций для получения его представлена на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 - Последовательность операций планарной технологии:

а – окисление, нанесение фоторезиста; б - засвечивание; в – вскрытие окон; г – локальная диффузия.

На исходной полупроводниковой пластине кремния n-типа получают плёнку окисла SiO2 методом оксидного массирования (смотри пункт 5.2), которую затем покрывают слоем свёточувствительного вещества — фоторезиста (рисунок 2.10 а). После этого поверхность через специальную маску (фотошаблон) засвечивается ультрафиолетовым светом (рисунок 2.10 б). Затем слой фоторезиста проявляется с помощью специальных проявителей. При этом облученные участки фоторезиста задубливаются и переходят в нерастворимое состояние, а необлученные растворяются. Далее осуществляется травление пленки окисла, и получается "окно" для диффузии примесей. После этого специальным составом удаляют слой фоторезиста (рисунок 2.10 в). Через образовавшееся с помощью фотолитографии "окно" проводят локальную диффузию примесей в исходную пластинку кремния и получают p-n-переход (рисунок 2.10 г).

После этого через маску наносят выводы в виде металлических слоёв.

Для создания планарно-эпитаксиальных диодов дополнительно используется метод эпитаксии, рассмотренный ранее в подразделе 1.5. Т.е. наисходный полупроводниковый низкоомной пластине кремния, например n+-типа выращивается высокоомный слой n, сохраняющий структуру пластины, но имеющий иную удельную проводимость.

Затем планарным методом создаётся область р-типа.

На рисунке 2.11 показан принцип устройства планарно-эпитаксиального диода.

Рисунок 2.11 – Принцип устройства планарно-эпитаксиального диода

Планарно-эпитаксиальные диоды позволяют увеличить пробивное напряжение и получить при этом небольшую ёмкость p-n переходе.

В технике высоких частот часто используется диод Шотки, полученный на основе контакта металл-полупроводник. Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная плёнка с электропроводностью того же тока. На поверхность плёнки вакуумным напылением нанесён слой металла (рисунок 2.12)

Рисунок 2.12 - Принцип устройства диода Шотки

1 – пластина низкоомного кремния

2 – высокоомная эпитаксиальная плёнка

3 – слой металла

При работе диода в импульсном режиме, когда длительность импульсов небольшие, часто применяются так называемые мезадиоды (от латинского слова «меза - стол»).

Сначала на пластине основного полупроводника диффузионным методом создаётся слой с другим типом электропроводности. Далее эта пластинка покрывается специальной маской и подвергается травлению. Маска защищает от травления много небольших участков. Именно в этих защищённых областях остаются n-p-переходы малого размера, которые возвышаются над поверхностью пластинки в виде «столиков» рисунок 2.13

Затем пластинка срезается на отдельные части – диоды. Особенностью мезадиодов является уменьшенный объём базовой области. За счёт этого сокращается время накопление и рассасывания носителей в базе. Одновременное изготовление большого числа диодов из одной пластинки обеспечивает также сравнительно малый разброс их характеристик и параметров.

Рисунок 2.13 - Принцип устройства мезадиода

1 – слой с электропроводностью n-типа, полученный диффузией

2 – вывод от n-области

3 – участок, удаляемый травлением

4 – основная пластинка полупроводникового p-типа

Слой n-типа получить не только методом диффузии, но и сплавным методом (мезасплавные диоды). Для создания мезадиодов используется планарная технология (меза-планарные диоды) и эпитаксиальная технология (меза-эпитаксиальные диоды).

Дл выпрямления высоких напряжений выпускаются кремниевые столбы в прямоугольных пластмассовых корпусах, залитых изолирующей смолой. Они бывают рассчитаны на ток до нескольких киловольт. Для более удобной сборки различных выпрямительных схем, например мостовых или удвоительных, служат кремниевых выпрямительные блоки. В них имеется несколько столбов, от которых сделаны отдельные выводы. Мощные кремниевые диоды выпускаются на выпрямленный ток от 10 до 500 А и обратные напряжение от 50 до 1000 В.

В выпрямительных диодах применяются также и p-i-переходы, использование которых позволяет снизить напряженность электрического поля в p-n-переходе и повысить значение обратного напряжения, при котором начинается пробой. Для этой же цели иногда используют р + -р- или n + -n-переходы. Для их получения методом эпитаксии на поверхности исходного полупроводника наращивают тонкую высокоомную пленку. На ней методом вплавления или диффузии создают p-n переходы, в результате чего получается структура р+-р-n или n+-n-р-гипа. В таких диодах успешно разрешаются противоречивые требования, состоящие в том, что, во-первых, для получения малых обратных токов, малого падения напряжения в открытом состоянии и температурной стабильности характеристик необходимо применять материал с возможно малым удельным сопротивлением; во-вторых, для получения высокого напряжения пробоя и малой емкости p-n-перехода необходимо применять полупроводник с высоким удельным сопротивлением.

Эпитаксиальные диоды обычно имеют малое падение напряжения в открытом состоянии и высокое пробивное напряжение.

Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии и позволяют пропускать большие токи. Барьерная емкость их из-за большой площади p-n-переходов велика и достигает значений десятков пикофарад.

На рисунке 2.14 приведена вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) выпрямительных диодов малой мощности.

Здесь показано условное графическое обозначение выпрямительного диода (в). Вершина треугольника «стрелка» показывает направление прямого тока протекающего от большого потенциала «+» к меньшему потенциалу «-» (катоду).

Рисунок 2.14 - Вольт-амперная характеристики германиевого (а) и кремниевого (б) диодов

Из приведенных ВАХ видно, что для кремниевых диодов по сравнению с германиевым прямые ветви характеристик, построенных при одних и тез же температурах, смещены в право. Т.е для получения одинаковых прямых токов необходимо к кремниевым диодам прикладывать большее прямое напряжение, чем к германиевым.

При увеличении температуры прямая ветвь характеристик становится более крутой. Обратный ток в кремниевых диодах меньше, чем у германиевых.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

1. Максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр max — значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности (десятки — тысячи В).

2. Средний выпрямленный ток диода Iвп ср — среднее за период значение выпрямленного постоянного тока, протекающего через диод (сотни мА — десятки А).

3. Импульсный прямой ток диода Iпри— пиковое значение импульса тока при заданной максимальной длительности, скважности и формы импульса.

4. Средний обратный ток диода Ioбр ср — среднее за период значение обратного тока (доли мкА — несколько мА).

5. Среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока Uпр ср (доли В).

6. Средняя рассеиваемая мощность диода Рсрд — средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях (сотни мВт—десятки и более Вт).

7. Дифференциальное сопротивление диода rдиф — отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока (единицы — сотни Ом).

В скобках указаны значения соответствующих параметров для маломощных диодов.

Система параметров не допускает работу выпрямительных диодов области электрического пробоя. Разновидностью выпрямительных диодов, допускающих в течение длительного интервала времени работу в области электрического лавинного пробоя на обратной ветви ВАХ, являются лавинные диоды. Эта особенность лавинных диодов позволяет эффективно применять их в качестве элементов закрытых цепей аппаратуры от импульсных перегрузок по напряжению.

На рисунке 2.15 показана конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В.

Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 50кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе с жёсткими выводами. Тип диода и схема соединения диодов с выводами приводятся на корпусе. Масса диодов не более 6г.

На рисунке 2.16 показана конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А, 2Д245Б,В. Диоды предназначены для преобразования переменного напряжения частотой до 200 кГц во вторичных источниках электропитания. Выпускаются в металлопластмассовом корпусе с гибкими выводами. Положительный электрод соединён с металлическим основанием корпуса. Тип диода приводится на корпусе. Масса диода не более 4г.

Рисунок 2.15 - Конструкция кремниевых диффузионных выпрямительных диодов 2Д204А,Б,В, КД204А,Б,В

Рисунок 2.16 - Конструкция кремниевых, эпитаксиально-диффузионных диодов 2Д245А,Б,В

На рисунке 2.17 показана конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др. Диоды предназначены для работы в цепях статических преобразователей электроэнергии постоянного и переменного токов на частотах до 1,5 кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе прямой (без знака Х) и обратной (со знаком Х) полярностей. Обозначение типа материала и полярность выводов приводятся на корпусе. Масса диода не более 6г.

Рисунок 2.17 - Конструкция кремниевых, диффузионных силовых диодов Д112-10 и др.

studfiles.net

II. Некоторые виды диодов, их назначение и основные характеристики

В зависимости от основного назначения и вида используемого явления в р-n– переходе, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов (см. п. Классификация). Каждый тип диода содержит ряд типономиналов, регламентированных соответствующим ГОСТом.

Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более.

Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.

Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния. Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, медно-закисные (купоросные) и титановые. Принцип устройства точечного диода показан на рисунке (6а). В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс называется формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. В последнее время появились еще так называемые микро плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(6б).

Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 7а показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германияn-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.

К плоскостным диодам относятся селеновые выпрямители (рис.8). Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая, с одной стороны слоем селена, который является полупроводником с дырочной проводимостью. Поверхность селена покрыта слоем кадмия, вследствие чего образуется переход, выпрямляющий ток. Чем больше площадь, тем больше выпрямляемый ток.

Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые p-n переходы, в которых толщина области изменения концентрации примесей значительно меньше толщины области объёмных зарядов, существующих в переходе.

studfiles.net

§ 250. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы)

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы — диода (см. § 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один p-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные.

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия Аl в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий p-проводимостью.

На границе этого слоя образуется p-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Cu2O, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Си20, прилегающая к Cu обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Cu2O, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Cu2O к Cu (pn).

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в §249 (см. рис. 325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от -70 до +120°С). p-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести

405

обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50—80 °С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-n-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-n-р, т. е. триода на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх, а усиленное — снимается с выходного сопротивления Rвых.

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» — инжекцией — в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств р-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Бк. Обычно Rвых>>Rвх, поэтому Uвых значительно превышает входное напряжение Uвх (усиление может достигать 10000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в Rвых, может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора n-р-n-тнпа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные

406

размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода (поэтому потребление меньшей мощности), отсутствие необходимости в вакууме и т. д.)

транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?

• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?

• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?

• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?

• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?

• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?

• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.

• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?

• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?

• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?

• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?

• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?

• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?

• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником p-типа? Объясните механизм его образования.

• Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17 °С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.

* Дж. Стокс (1819—1903) — английский физик и математик.

studfiles.net

Точечный полупроводниковый диод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Точечный полупроводниковый диод

Cтраница 1

Точечный полупроводниковый диод представляет собой пластинку германия с электронной проводимостью; к ней приварен конец вольфрамовой пружинки. [2]

Точечные полупроводниковые диоды, предназначенные для работы в диапазоне СВЧ, имеют некоторые конструктивные особенности, сводящие до минимума паразитные индуктивность и проходную емкость. [4]

Точечные полупроводниковые диоды применяют в качестве детекторов, кольцевых модуляторов, преобразователей частоты, в счетных схемах, а также в схемах маломощных выпрямителей и измерительной аппаратуре. [5]

Основными параметрами точечных полупроводниковых диодов являются: наименьший прямой ток, наибольший обратный ток, выпрямленный ток, наибольшая амплитуда обратного напряжения и наименьшее обратное пробивное напряжение. [7]

Почему для детектирования применяются точечные полупроводниковые диоды. [8]

В качестве детектора применяется только точечный полупроводниковый диод, так как плоскостные диоды обладают значительной междуэлектродной емкостью и не могут нормально работать на высоких частотах. [9]

Для выпрямления слабых высокочастотных токов применяют точечные полупроводниковые диоды. Схематическое устройство точечного германиевого диода дано на рис. 17.6. Внутри керамической трубки / на металлических втулках укреплена пластинка германия 2 и контактная металлическая проволочка 3, упирающаяся в германиевую пластинку. В месте контакта металлической проволоки с кристаллом полупроводника образуется р-га-переход. [10]

В зависимости от оформления / 7-и-перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. Плоскостные можно получить методами вплавления, диффузии и выращивания. При изготовлении точечных диодов в хорошо отполированную пластину полупроводникового материала упирают металлическую иглу. В месте соприкосновения иглы с полупроводником образуется выпрямляющий переход. [12]

В зависимости от оформления / - л-перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. Плоскостные можно получить методами вплавления, диффузии и выращивания. При изготовлении, точечных диодов в хорошо отполированную пластину полупроводникового материала упирают металлическую иглу. В месте соприкосновения иглы с полупроводником образуется выпрямляющий переход. [14]

Наряду с плоскостными полупроводниковыми диодами в радиоэлектронике широко применяются точечные полупроводниковые диоды. [15]

Страницы: 1 2 3

www.ngpedia.ru

Плоскостной диод - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 3

Плоскостной диод

Cтраница 3

Плоскостные диоды, как и точечные, могут быть выполнены с контактом металл - полупроводник. [31]

Плоскостные диоды применяются в основном в выпрямительных устройствах. Диоды с выпрямленными токами в несколько ампер называют иногда силовыми. В связи с большой собственной емкостью ( до 20 пф и более) они предназначены для работы на частотах не более 50 кгц. [32]

Плоскостной диод состоит из электронно-дырочного перехода, двух нейтральных ( или квазинейтральных) слоев и омических контактов. Поскольку процессы в нейтральных полупроводниках были детально изучены в гл. Свойства омических контактов будут описаны позднее. [33]

Плоскостные диоды ДГ-Ц24-ДГ-Ц27; Д7Г - Д7Ж; Д203 - Д205 и Д208 - Д210 могут проверяться без добавочного сопротивления, однако при включенном сопротивлении замеры проводить удобнее, так как стрелка прибора дает более устойчивые показания. [34]

Новые плоскостные диоды типа Д7 отличаются от ДГ - Ц21 цельнометаллической сварной конструкцией и высокой влаго-устойчивостью. [35]

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p - n - переходом. Сплавной р: п-переход в германиевых диодах получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента ( индия) в кристалл германия п-типа. [36]

Плоскостными диодами и соответственно плоскостными переходами называют такие диоды и переходы, у которых граница между слоями плоская, а площади обоих слоев одинаковы. Эти условия не всегда соблюдаются на практике, однако они облегчают анализ и в то же время позволяют получить правильное представление о процессах в реальном диоде и его характеристиках. [37]

Эти плоскостные диоды, иначе называемые параметрическими, работают при обратном напряжении, от которого зависит барьерная емкость. [38]

Сравнив высокоэффективные диффузионные плоскостные диоды со сплавными плоскостными типа 1N252, Гут [39] установил факт повышенной радиационной стойкости кремниевых диффузионно-плоскостных диодов и приближенно оценил, что предельно допустимая доза облучения для них более чем в 5 раз выше, чем для соответствующих сплавных приборов. [40]

Изготовляются точечные и плоскостные диоды. В точечных диодах игла из вольфрама касается пластинки германия с п проводимостью. В месте контакта образуется область германия с р проводимостью. Наличие р-п перехода обусловливает одностороннюю проводимость диода. [42]

У плоскостных диодов, как и у точечных, параметры очень резко меняются с изменением температуры. Работа многих типов диодов при температуре окружающей среды, превышающей 70 С, может привести к выходу их из строя. [43]

Основой плоскостного диода является тонкая пластинка кристалла германия или кремния, одна часть объема которой обладает проводимостью р-типа, а другая - проводимостью п-типа. Небольшой кусочек такой пластинки полупроводника, увеличенный до огромных размеров, схематически изображен на рис. 129, а. На нем дырки, преобладающие в области р-типа, условно обозначены кружками, а электроны, преобладающие в области п-типа, - черными точками такого же размера. [44]

Для плоскостных диодов основными параметрами также являются наибольший обратный ток, наибольшая амплитуда обратного напряжения, выпрямленный ток и наименьшее обратное пробивное падение напряжения. [45]

Страницы: 1 2 3 4 5