Шпаргалка по электротехнике и электронике

 

1. Основные сведения из истории развития электроники.

1873г — Максвел —  создание основ электродинамики.

1874г — Браун —  Открыл одностороннюю проводимость  контактов разных материалов.

1895 — Ренгенн —  Открыл ренгеновское излучение

1895 — Попов — создание  радиосвязи

1897 — Томпсон —  открытие электрона

1896-1899 — Лоренц —  соднание электронной теории.

1904 — Флеминг — создание диода

1904 — Столетов —  создание фотоэлемента

1907 — Форекс — троид

1910-1914 — Коваленков, Папалексин  — создание диодов, триодов

Развитие электроники

1907 — триоды

1945 — первые вычеслительные  устройства

1948 — первые транзисторы

1952 — интегральные  схемы (ИС)

1959 — Чипы

1968 — компьютер на  ИС

1971 — микропроцессоры  (Inlel 41004)

1974 — Intel 8008

1981 — Персональные  компьютеры

2. Электропроводность полупроводников.

Полупроводником называют материал, удельное сопротивление которого при комнатной температуре в  пределах 10^-5 – 10^10 Ом/см.

ПП занимают промежеточное положение  между металлами и диэлектриками.

Теория ПП основана на неории электропроводности, согластно которой атом в-в состоят из ядра окруженного оболочками — траекториями электронов. Электрон находится в движении на растоянии от ядра в пределах слоев (оболочек). Определяется энергией каждых из слоев, можно поставить энергетический уровень, чем дальше электрон тем выше уровень. Согласно энергетическому спектру, если электрон переходит с одного уровня на другой то выделяется либо поглощается квант энергии.

Для ПП характкрно наличие кристалической решетки с ковалентной связью.

Классификация по уровням РЗ и ЗЗ

1. Металл |ЗП | ВЗ|
2. ПП |ЗП | ЗЗ(0.1 — 0.6 эВ) | ВЗ|
3. Диэлектрик |ЗП |      ЗЗ(>6 эВ)     | ВЗ|

Зона проводимости (ЗП) совокупность уровней куда могут  перходить элекнроны в процессе взаимодействия атомов.

У ПП при некотором значении температур часть электроной приобретают энергию тепла и они оказываются в ЗП, а если электрон покинет валентную зону (ВЗ), то образуетмся свободный энергетический уровень — вакантное место (дырка).

И так в ПП имеются свободные  электроны и дырки и соответсвующая электропроводность, обуславливающая движение электронов - электронная.

А электропроводность обуславливающая  движение дырок — дырочная.

У ПП при температуре не равной  0 К образуется парное движение электронов и дырок.

Движение зарядов обуславливается тепловой энергией.

В теле ПП происходит генерация и  рекомбинация зарядов, при чем промежуточное  время между генерацией и рекомбинацией  называют временем жизни носителей  заряда, а расстояние пройденое носителем  за время жизни длинной.

3. Удельная проводимость ПП

Под действием внешнего поля в ПП по закону электродинамики  начитается движение зарядов (отриц.- к  полож контакту; полож -к отриц  контакту.)(изобр рисунок).

Плотность токов определяется величиной  заряда, удельной концентрацией и  проводимостью

Jn b Jp – плотность электронов и дырок

Мю_n и мю_p — подвижность электронов и дирок

n  и p – концентрация электронов и дырок

qn — -1.6x10^-19 Кл и qp — +1.6x10^-19 Кл

 - ток дрейфа

Удельная проводимость.

E – напряженность.

4. Примесная проводимость

Установлено, что электропроводность существенно зависит от примесей (акцепторной и донорной). Название этих примесей определяется каким образом замещаются атомы кристаллической решетки.

1. Валентность примеси меньше, чем у основного материала (Ge + In). В этом случае, чтобы образовать кристаллическую решетку индий «отбирает» электрон у германия. Отметим, что индий отбитая электрон связывает германий в ковалентную связь и образуется дырка, те положительно заряженный германий. Такой вид примеси называется акцепторный. Электропроводность — дырочная, а ПП p- типа.
2. Валентность примеси больше валентности основного материала (Ge + Сурьма). В этом случае появляется свободный электрон, связи ковалентные. Донорная примесь. Электропроводность — электронная, а ПП n- типа.

5. Зонная диаграмма ПП с донорной примесью

Валентность примеси  больше валентности основного материала (Ge + Сурьма). В этом случае появляется свободный электрон, связи ковалентные. Донорная примесь. Электропроводность — электронная, а ПП n- типа.

 

Eс — уровень энергии дна зоны проводимости

Еv — уровень энергии потолка зоны проводимости

Ед — уровнь энергии  донорной примеси.

6. Зонная диаграмма ПП с акцепторной примесью

Валентность примеси  меньше, чем у основного манериала (Ge + In). В этом случае, чтобы образовать кристаллическую решетку индий «отбирает» электрон у германия. Отметим, что индий отбитая электрон связивает германий в ковалентную связь и образуется дырка, те положительно заряженый германий. Такой вид примеси называется акцепторный. Электропроводность — дырочная, а ПП p- типа.

 

Eс — уровень энергии дна зоны проводимости

Еv — уровень энергии потолка зоны проводимости

Еа — уровнь энергии  акцепторной примеси.

7. Понятие о потенциале и уровне Ферми для ПП материалов.

В теории ПП взаимодействия и св-ва зарядов характеризуется  не самой энергией, а потенциалом . В расчетах появляется температурный потенциал , где k — постоянная Больцмана; T — абсолютная температура.

n*p = const при T=const и зависит от ширины ЗЗ

обычно используется потенциал уровня Ферми.

Nd – концентрация донорной примеси

ni — собственная концентрация зарядов.

Na — концентрация акцепторной примеси

pi — собственная концентрация дырок

phi_p — электростатический потенциал (в середине ЗЗ)

Уровень энергии зависит  от концентрации примеси и собственной  концентрации.

8. Электрические переходы между двумя различными материалами

Это граничный слой между  двумя областями материалов физические характеристики которых различны.

Переходы могут быть pn- переходы (электронно-дырочные); n+n- переходы (электронно-электронные, с различными концентрациями); p+p (гетеропереходы имеют различную ширину ЗЗ); p-i (проводимость в одной зоне собственная а в другой примесная); n-i; p-i-n; металл-ПП.

Электрические переходы образуются не механическим соединением, а по специальным технологиям

9. Электрические переходы между металлом и ПП.

Это граничный слой между  двумя областями материалов физические характеристики которых различны.

При образовании перехода металл-ПП происходит процесс выравнивания уровня Ферми за счет того, что потенциал электроны переходят в область проводимости, там рекомбинируют с дырками и образуют слой положительных ионов.

Процесс будет идти до тех пор пока не уровняются уровни Ферми и установится динамическое равновесие, результирующий ток равен  нуню.

Отметим, что образовавшиеся электрическое поле препятствует прохождению основных зарядов.

В ПП  в области перехода концентрация дырок уменьшится, а следовательно этот элемент имеет повышенное сопротивление.

Два варианта включения  в цепь: прямое и обратное.

1. Внешнее электрическое поле направленно на встречу внутреннему, происходит ослабление преграды ток в цепи увеличивается.
2. Внешнее поле складывается со внутренним увеличивается преграда тог падает.

В результате анализа  опыта можно обнаружить, что в  первом случае ток проходит беспрепятственно,  а во втором ток не будет проходить, т.е. обнаружена односторонняя проводимость.

Для практики особенно важно  когда уровень Ферми металла  меньше уровня Ферми ПП p- типа, или выше ПП n- типа. В этом случае наружный заряд обогащается и сопротивление понижается.

10. Процессы в p-n-переходе.

Это электронной переход ПП имеющих различный тип проводимости, (если концентрации зарядов p и n равны то переход симметричный).

В виду того что концентрации дырок больше, то дырки попадают из n в p область рекомбинируют и создают в приграничной области повышенное концентрацию положительных зарядов. Электроны при переходе рекомбинируют с дырками, создавая повышенную концентрацию отрицательных зарядов.

В результате на границе раздела образуется система 2 зарядов в области n- система положительных зарядов, а в области p- систему отрицательных зарядов.

Область образовавшихся зарядов называют областью pn-переход. В этой области концентрация основных носителей заряда понижена, следовательно удельное сопротивление в pn области выше, чем в других областях. Результирующий ток равен нулю.

Поле созданное в области pn перехода препятствует проходу основных зарядов и не препятствует проходу других зарядов.

Uk — контактная разность потенциалов. Принято: Ge – Uk=(0.32-0.4) В; Si – Uk=0.7 B.

11. Прямое смещение pn перехода.

Смещением называется подача на переход постоянного напряжения.

Если подать + на р- область, а «—» на n- область, то получим прямое смещение.

(рисунок)

Если подать прямое смещение, то потенциальный барьер уменьшиться  т.к. Внешнее поле противоположно внутреннему (Uk) и результирующая разность станет меньше. Условный размер перехода уменьшается.

Можно отметить, что до момента, когда Uk>U ток возрастает незначительно. Если Uk<=U то исчезает барьер и возникает ток, обусловленный током дрейфа и диффузии.

В pn переходе проявляется явление инжекции: внесение заряда в зону, где он является основным.

Инжектируемый слой с  большой концентрацией зарядов называется эммитером, а с малой концентрацией — базой.

Прямой ток, возникающий за счет барьера, связан с приложенным напряжением выражением

It0 – ток через pn, ток насыщения.

phi_T – тепловой потенциал.

Так же присутствует ток  диффузии

12. Обратное смещение pn перехода.

Смещенеим называется подача на преход постоянного напряжения.

Если подать «-» на р- область, а «+» на n- область, то получим обратное смещение.

(рисунок)

Обратный ток насыщения  существенно зависти от температуры.в  случае обратного смещения потенциальный  барьер увеличивается. Ток такой  цепи обусловлен не основным зарядом.

Процесс вытягивания поля называется экстракцией

phi_T = 0.022 В

В обратном направлении течет малый  ток не зависящий от напрюжения, а зависит экспоненциально от температуры.

13. ВАХ pn-перехода

Нарисовать ВАХ.

14. Емкость pn- перхода

При рассмотрении pn- перехода устанавливается, что толщина перехода дулируется, при этом по обе стороня границы имеются электрические заряды, от сюда следует, что имеются границы pn перхода как обкладки конденсатора.

Различают 2 составляющих емкости:1) барьерная  — распределяется в pn перходе; 2) диффузионная — распространяется в близи пререхода.

При прямом смещении проявляется диффузионная емкость,  а при обратном - - барьерная.

n =(2..3)  в зависимости от вида перехода.