Электроника_presentation

1.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Сибирский федеральный университет
Красноярск, 2023

2.

Н. М. Егоров, А.А. Баскова
Физические основы
электроники

3. План лекционного курса

• Модуль 1
Материалы электронной техники
и их электрофизические свойства
• Модуль 2
Полупроводниковые приборы: физические
основы работы, характеристики, параметры,
модели, применение
• Модуль 3
Основы технологии микроэлектронных
изделий и элементы интегральных схем
• Модуль 4
Приборы вакуумной электроники
Перспективы развития электроники
3

4. Направления развития электроники

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Направления развития электроники
ЭЛЕКТРОНИКА
ВАКУУМНАЯ
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ
КВАНТОВАЯ
Электронные
лампы
Полупроводниковые
приборы
Лазеры
Электровакуумные
приборы СВЧ
Интегральные
микросхемы
Мазеры
Электронно–
лучевые приборы
Микропроцессоры
Голография
Фотоэлектронные
приборы
Микро–ЭВМ
Дальномеры
Рентгеновские
трубки
Функциональная
электроника
Оптическая
связь
Газоразрядные
приборы
Оптоэлектроника
Радиоастрон
омия
Вакуумная
микроэлектроника
Основные направления развития электроники
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
4

5. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Вещества по их способности проводить электрический ток можно разделить на:
1 –проводники;
2 – полупроводники;
3 – изоляторы
Хорошими проводниками являются металлы благодаря тому, что электроны
внешних оболочек их атомов могут свободно перемещаться внутри металла,
образуя так называемый «электронный газ».
Число
«свободных»
электронов,
которые
проводимости, в единице металла составляет
называют
электронами
У изоляторов концентрация свободных электронов очень мала
У проводников она сильно зависит от температуры
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
5

6.

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Для изготовления полупроводниковых приборов наиболее
широко применяются германий, кремний, а также арсенид галлия.
Кристаллическая решетка кремния и германия имеет объемную
структуру, но на рис. представлена плоской.
Ядра обладают положительным зарядом +4, который уравновешивается
отрицательными зарядами четырех электронов. Вместе с электронами
соседних атомов они образую ковалентные связи.
На внешней оболочке атома – 4 своих и 4 электрона, заимствованных у
четырех соседних атомов.
Рис. Кристаллическая
изображении
решетка
кремния
и
германия
в
плоскостном
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
6

7. Кристаллическая структура и типы межатомных связей полупроводников

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Кристаллическая структура
и типы межатомных связей полупроводников
а
б
Кристаллическая решетка (а) и структура связей (б)
между атомами кремния
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
7

8. Дефекты кристаллической решетки

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дефекты кристаллической решетки
Точечные дефекты кристалла:
а – дефект по Шоттки; б – дефект
по Френкелю; в – примесные
атомы
а
б
в
Дислокации в кристаллической
решетке: а – линейные;
б – винтовые
а
б
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
8

9.

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
При температуре, отличной от абсолютного нуля , атомы решетки
колеблются и некоторые электроны получают энергию, достаточную для того,
чтобы оторваться от своего атома. Образуется электрон проводимости и дырка –
разорванная связь.
За счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно- дырочная пара.
Движение свободного электрона вызывает движение дырки.
Рис. Движение свободного электрона и дырки в полупроводнике. Сплошная
– движение электрона, штриховая – движение дырки
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические
99

10. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
При температуре, отличной от абсолютного нуля , атомы решетки
колеблются и некоторые электроны получают энергию, достаточную для того,
чтобы оторваться от своего атома. Образуется электрон проводимости и дырка –
разорванная связь.
За счет тепловых колебаний решетки генерируется электронно- дырочная пара.
Движение свободного электрона вызывает движение дырки.
Рис. Движение свободного электрона и дырки в полупроводнике. Сплошная
– движение электрона, штриховая – движение дырки
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
10

11. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Полупроводник, который
собственным полупроводником.
не
имеет
примесей
называется
В собственно полупроводнике концентрация электронов ni и дырок
одинакова.
pi
11

12. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Способность электронов и дырок двигаться под воздействием
электрического тока называют подвижностью.
Удельная проводимость полупроводника
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
12

13. Примесные полупроводники

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Примесные полупроводники
При внесении в полупроводник примеси некоторые
кристаллической решетке замещаются атомами примеси
атомы
в
его
Рис. Кристаллическая решетка с донорной примесью, некоторые атомы
заменены атомами примеси. Концентрация электронов возрастает.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
13

14. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Рис. Кристаллическая решетка с акцепторной примесью,
возрастает концентрация дырок.
при
которой
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
14

15. Электронная и дырочные проводимости

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электронная и дырочные проводимости
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
15

16. Электропроводность металлов и диэлектриков – элементарное представление

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электропроводность металлов и диэлектриков –
элементарное представление
В металлах проводимость σ связывает плотность тока j [А/м2]
с напряженностью электрического поля Е [В/м] в виде соотношения,
известного как закон Ома в дифференциальной форме
j σE.
Металлы очень хорошо проводят электрический ток. При комнатной
температуре большинство металлов обладает электропроводностью
10 –6–10 –8 [Ом –1*м –1].
Проводимость диэлектриков (изоляторов) настолько мала, что составляет
величину порядка10 –16 [Ом –1*м –1].
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
16

17. Электропроводность полупроводников

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Электропроводность полупроводников
Проводимость
полупроводника σ определяется
суммой электронной σn
и дырочной σp компонент
nn σpp ,
проводимости: σ
. σ
Величина электронной и дырочной
компонент в полной проводимости
определяется классическим
соотношением:
σn μ n n0q; σ p μ p p0q,
где μn и μp – подвижности электронов
и дырок соответственно.
Зависимость относительной удельной
проводимости кремния от температуры:
1 – собственный кремний;
2, 3 – примесный кремний
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
17

18. Дрейф носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в полупроводниках
F eE,
a
E eE
,
m m
где е – заряд электрона;
Е – напряженность электрического поля;
т – масса носителя.
Двигаясь без столкновений, носитель за время t приобретает скорость
в направлении поля:
eE
at t ,
m
eτ0
E,
m
– средняя скорость, приобретаемая носителем;
τ 0 – среднее время между столкновениями.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
18

19. Дрейф носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в полупроводниках
Средняя скорость направленного движения свободных носителей заряда
в кристалле, или скорость дрейфа, пропорциональна напряженности
электрического поля. Коэффициент пропорциональности носит название
подвижность
μ
eτ 0
m
μE
| | = [м2/(В·с)]
Плотность дрейфового тока электронов:
jдр n en enμ n E, где n – концентрация свободных электронов.
Суммарная плотность дрейфового тока:
jдр jдр n jдр p enμ n E epμ p E.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
19

20. Диффузия носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Явление диффузии – от латинского diffusio (разлитие) – характерно не
только для жидкостей и газов, но и для твердых тел.
Рис. 1.22. Распределение молекул одеколона над каплей
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
20

21. Диффузия носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Диффузионный поток:
n
D ,
x
где n – концентрация носителей;
D – коэффициент диффузии.
|П| = 1/(м2·с)
|D| = м2/с
Коэффициент диффузии зависит от:
l – длина свободного пробега молекул,
T – тепловая скорость движения молекул,
τ 0 – время между столкновениями.
τ 0 l / T
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
21

22. Диффузия носителей заряда в полупроводниках (продолжение)

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
(продолжение)
D l T
Точный расчет дает следующее соотношение:
1
D l T .
3
Плотность диффузионного тока:
n
jдиф n e eD .
x
Чтобы вычислить диффузионный ток, необходимо знать
коэффициенты диффузии электронов и дырок Dn и Dp.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
22

23. Диффузия носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Коэффициенты диффузии электронов и дырок Dn и Dp
D
1 2
T τ 0
3
T
3kT
m
D
1 2
kT
T τ0
τ0
3
m
kT
D
μ
e
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
23

24. Диффузия носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Диффузия носителей заряда в полупроводниках
Для полупроводника, содержащего свободные электроны и дырки,
плотность суммарного диффузионного тока:
n
p
jдиф jдиф n jдиф p eDn
eDp
.
x
x
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
24

25. Плотность полного тока

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Плотность полного тока
В большинстве полупроводниковых приборов величины токов
обусловлены как дрейфовым, так и диффузионным
перемещением свободных носителей заряда – электронов
и дырок:
n
p
j jдр jдиф enμ n E epμ p E eDn
eD p .
x
x
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
25

26. Уравнение непрерывности

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
Закон сохранения количества заряда:
ρ
div j ,
t
Уравнения непрерывности:
p
p p0 1
div j p Gp
t
τp
q
n
n n0 1
div jn Gn
t
τn
q
где ρ – объемная плотность заряда.
Здесь первые члены в правых частях
характеризуют процесс рекомбинации
частиц (p и n – неравновесные
концентрации, p0 и n0 – равновесные
концентрации (концентрации акцепторов
и доноров);
τ р и τ п – времена жизни
неравновесных носителей заряда);
Gp и Gn характеризуют процессы
генерации дырок и электронов под
воздействием внешних факторов.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
26

27. Уравнение непрерывности (продолжение)

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
(продолжение)
1
1
p
E
2 p
div j p
( jдp p jдиф p ) μ p E μ p p
Dp 2
e
e x
x
x
x
1
1
n
E
2n
div jn
( jдp n jдиф n ) μ n E μ n n
Dn 2
e
e x
x
x
x
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
27

28. Уравнение непрерывности (продолжение)

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Уравнение непрерывности
(продолжение)
Уравнения непрерывности в общем виде:
p
p p0
p
E
2 p
μ pE
μp p
Dp 2 G p ,
t
τp
x
x
x
n
n n0
n
E
2n
μn E
μnn
Dn 2 Gn .
t
τn
x
x
x
Уравнения непрерывности преобразуются в уравнения диффузии:
p
p p0
2 p
Dp 2 ,
t
τp
x
n
n n0
2n
Dn 2 .
t
τn
x
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
28

29. Явления в сильных электрических полях

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Явления в сильных электрических полях
В слабых электрических полях, когда скорость направленного
движения мала по сравнению с тепловой, наличие или отсутствие
электрического поля не сказывается на характере столкновений
носителей заряда с кристаллической решеткой. При этом
подвижность является величиной форме: постоянной, не зависящей
от напряженности электрического поля Е. Произведение
представляет собой удельную электропроводность σ
и соответственно можно записать соотношение, известное как закон
Ома в дифференциальной форме:
j σE.
Во всех практически используемых полупроводниках при
комнатной температуре подвижность в сильных полях падает
с ростом напряженности электрического поля Е.
В очень сильных полях величина подвижности становится
обратно пропорциональной напряженности поля: μ~1/Е. Это
означает, что дрейфовая скорость носителей остается постоянной
υ = const.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
29

30. Дрейф носителей заряда в сильных электрических полях

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Дрейф носителей заряда
в сильных электрических полях
Зависимость скорости дрейфа носителей заряда
от напряженности электрического поля
в Ge (1), Si (2) и GaAs (3)
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
30

31. Статистика носителей заряда в полупроводниках

.
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Уровень Ферми
Заполнение энергетических уровней в твердом теле.
Любой разрешенный уровень энергии может быть занят электроном или
оставаться свободным (свободный уровень в валентной зоне - это дырка).
Если при данный условиях уровень обязательно заполнен, то вероятность
заполнения данного уровня равна единице, если он пуст - нулю.
Вероятность заполнения
уровня зависит от его
энергии, температуры, а,
для
примесного
полупроводника, также от
концентрации примеси.
На рис. 1 показан график
функции
F(E),
описывающей
зависимость вероятности
заполнения
уровня
от
соответствующей
ему
энергии.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
31

32. Статистика носителей заряда в полупроводниках

.
Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Уровень Ферми
F(E)< 1/2 соответствует уровням
слабо заполненным или пустым, а
F(E) > 1/2 сильно заполненным
уровням.
Величину
энергии,
соответствующую F(E)= 1/2, можно
использовать в качестве критерия
при
оценке
вероятности
заполнения
уровней.
Условно
можно
принять
существование
уровня с такой энергией, для
которой F(E) = 1/2, называемого
уровнем Ферми Ef.
Уровень энергии, вероятность заполнения которого электронами
равна 0,5 называется уровнем Ферми, по имени известного
итальянского физика.
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
32

33. Статистика носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Статистика носителей заряда в полупроводниках
Одно из фундаментальных положений в физике полупроводников
формулируется следующим образом: уровень Ферми одинаков во
всех частях равновесной системы, какой бы разнородной она
не была. Это положение можно записать в виде двух
равносильных выражений:
F = const,
grad ( F) = 0.
Из этих условий следует, что если концентрация электронов
изменяется с координатой, то возникает электрическое поле:
E T
n / x
.
n
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
33

34. Зонная структура собственных и примесных полупроводников

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура собственных
и примесных полупроводников
Значения собственных концентраций свободных носителей заряда
и ряд других важных параметров полупроводников
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
34

35. Зонная структура собственных и примесных полупроводников

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура собственных
и примесных полупроводников
Зонная диаграмма, функция
распределения Ферми – Дирака
и концентрация носителей
в собственном полупроводнике (а),
в полупроводнике n-типа (б)
и в полупроводнике p-типа (в)
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
35

36. Зонная структура металлов и диэлектриков

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Зонная структура металлов и диэлектриков
Зонная энергетическая структура
металла (а) и диэлектрика (б)
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
36

37. Генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках

Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
Генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводниках
Генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводнике
Предмет электроники. Материалы электронной техники и их электрофизические свойства
37

38.

38

39. p–n-переход

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
p–n-переход
Контакт двух полупроводников одного вида с разным типом
проводимости называется электронно-дырочным или p–n-переходом
Условное обозначение (а) и структура (б)
полупроводникового диода
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
39

40. Механизм образования p–n-перехода

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Механизм образования p–n-перехода
Зонная диаграмма полупроводников
и р–n-перехода в равновесном состоянии
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
40

41. Анализ неравновесного р–n-перехода

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Анализ неравновесного р–n-перехода
Избыточные концентрации
на границах перехода:
np np0 (eU / T 1)
U / T
pn pn0 (e
1)
Смещение перехода в прямом (а)
и обратном (б) направлениях
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
41

42. Вольт-амперная характеристика идеального диода (формула Шокли)

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Вольт-амперная характеристика
идеального диода (формула Шокли)
В общем случае ток через переход состоит из электронной и дырочной
составляющих, которые с учетом принятых упрощений являются чисто
диффузионными .
Структура тока в p–n-переходе
в диффузионном приближении
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
42

43. Вольт-амперная характеристика идеального диода (формула Шокли)

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Вольт-амперная характеристика
идеального диода (формула Шокли)
Статическая вольт-амперная характеристика
идеального диода
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
43

44. p–n-переход при прямом и обратном напряжении. Механизмы пробоя p–n-перехода (туннельный, лавинный, тепловой)

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
p–n-переход при прямом и обратном напряжении.
Механизмы пробоя p–n-перехода
(туннельный, лавинный, тепловой)
Зонная диаграмма туннельного пробоя
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
44

45. Разновидности полупроводниковых диодов

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Разновидности полупроводниковых диодов
Прибор, который имеет два электрода и один выпрямляющий
р–n-переход, называется полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды:
• выпрямительные
• импульсные
• обращенные
• туннельные
• лавинно-пролетные
• опорные или зенеровские (стабилитроны)
• с регулируемой емкостью (варикапы) и т. д.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
45

46. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямительные полупроводниковые диоды.
Характеристики и параметры. Влияние внешних
условий на характеристики и параметры
Зависимость тока через диод от
напряжения на диоде называется
вольт-амперной характеристикой
диода. Теоретическое описание
BAX идеального диода
с p–n-переходом, полученное
У. Шокли:
I I S eU / T 1 ,
где U – напряжение на
p–n-переходе диода;
IS – ток насыщения;
φТ = kT/q – тепловой потенциал
при T = 300 К, φТ = 25 мВ.
Статические вольт-амперные характеристики
идеального p–n-перехода (а)
и реального диода (б)
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
46

47. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямительные полупроводниковые диоды.
Характеристики и параметры. Влияние внешних
условий на характеристики и параметры
При положительных
и отрицательных напряжениях U,
больших по модулю 0,1 В, ВАХ
описывается упрощенным
выражением:
U / T
I ISe
.
При протекании большого прямого
тока через диод падение
напряжения возникает не только
на p–n-переходе, но и на
объемном сопротивлении
полупроводника R. Реальная ВАХ
описывается выражением
Статические вольт-амперные характеристики
идеального p–n-перехода (а)
и реального диода (б)
I I S e(U IR ) / T .
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
47

48. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямительные полупроводниковые диоды.
Характеристики и параметры. Влияние внешних
условий на характеристики и параметры
Параметры полупроводникового диода
• Коэффициент выпрямления Kв, который определяется как отношение прямого
тока к обратному при одинаковой (по модулю) величине прямого и обратного
напряжений (например: ±0,01; ±0,1; ±1 В).
Для идеального диода Кв = 1 при U = ±0,01 В. При U = ±1 В Кв = 2,8·1020
• Максимально допустимый прямой ток Iпр max, превышение которого приводит
к недопустимому разогреву и тепловому пробою. Iпр max справочное значение.
• Свойства полупроводниковых диодов сильно зависят от температуры.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
48

49. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямительные полупроводниковые диоды.
Характеристики и параметры. Влияние внешних
условий на характеристики и параметры
Параметры полупроводникового диода
(продолжение)
• Максимально допустимое обратное напряжение Uобр max – важный
предельный параметр выпрямительных диодов и составляет для диодов
малой мощности десятки-сотни вольт.
• Дифференциальное сопротивление диода: rд dU / dI .
• Статическое сопротивление диода (сопротивление постоянному току):
Rд.ст U / I .
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
49

50. Выпрямительные полупроводниковые диоды. Характеристики и параметры. Влияние внешних условий на характеристики и параметры

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Выпрямительные полупроводниковые диоды.
Характеристики и параметры. Влияние внешних
условий на характеристики и параметры
Зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402
от величины прямого тока
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
50

51. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
I = (Е – U)/Rн
Е = U + IRн
Схема включения диода с нагрузкой
и построение линии нагрузки
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
51

52. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Выпрямитель
Схема однополупериодного выпрямителя:
е – источник ЭДС, Тр – трансформатор, U1, U2 – напряжение
на первичной и вторичной обмотках трансформатора,
VD – выпрямительный диод, Rн – сопротивление нагрузки,
Uн – напряжение на нагрузке
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
52

53. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Выпрямитель
Форма напряжений на входе (а) и выходе (б)
однополупериодного выпрямителя
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
53

54. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Важным параметром, характеризующим работу выпрямителя,
является коэффициент пульсаций:
kп U m1 / U ср ,
где UM1 – амплитуда первой гармоники переменного напряжения
на нагрузке;
Uср – среднее значение напряжения на нагрузке.
Um1 = 0,5·Um = 1,57·Uср
– для однополупериодного выпрямителя
kп = 1,57
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
54

55. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Схема выпрямителя
со сглаживающим фильтром
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
55

56. Рабочий режим диода на постоянном токе. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Рабочий режим диода на постоянном токе.
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Рис. 2.14. Сглаживание пульсаций
с помощью конденсатора
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
56

57. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
57

58.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
58

59. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Диодный мост
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
59

60. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
60

61. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
Ток у нас на выходе с трансформатора переменный, а переменный ток, как
известно, в течение периода дважды меняет свое направление. Говоря другими
словам, конечно же упрощенно, при переменном токе с частотой 50 герц, ток у
нас 100 раз в секунду меняет свое направление. То есть сначала он течет от
вывода диодного моста под цифрой один, ко второму, потом в течение другой
полуволны он течет от вывода под номером два к первому.
Рассмотрим, что происходит с диодным мостом при подаче напряжения, мы
видим, на рисунке обозначен красным путь тока, напрямую пройти к выводу
диодного моста соединенного с переменным током не позволит диод, который
получается у нас включенный в обратном включении, а в обратном включении,
как мы помним, диоды не пропускают ток. Току остается только один путь
(выделено на рисунке синим), через нагрузку и через диод уйти в провод
соединенный с выводом переменного тока. Когда у нас ток меняет свое
направление, то вступает в действие вторая часть диодного моста, которая
действует аналогично той, что описал выше. В итоге у нас получается на выходе
такой же график напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со
средней точкой:
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
61

62. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
62

63. Применение диодов для выпрямления переменного тока

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Применение диодов для выпрямления
переменного тока
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
63

64. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Стабилитрон – это полупроводниковый диод, работающий в режиме
электрического пробоя. Такой режим возникает при смещении
р–n-перехода в обратном направлении
Схематическое изображение (а)
и вольт-амперная характеристика (б) стабилитрона
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
64

65. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
В качестве основного материала для полупроводниковых
стабилитронов используется кремний, обеспечивающий малую
величину обратного тока (тока насыщения). В отличие от
выпрямительных диодов, в стабилитроне p- и n-области сильно
легированы. Это приводит к тому, что p–n-переход имеет малую
ширину, а напряженность электрического поля в нем высокая и при
приложении даже небольшого обратного напряжения возникает
электрический пробой.
Механизм пробоя в полупроводниковых стабилитронах может
быть туннельным, лавинным или смешанным.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
65

66. p–n-переход при прямом и обратном напряжении. Механизмы пробоя p–n-перехода (туннельный, лавинный, тепловой)

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
p–n-переход при прямом и обратном напряжении.
Механизмы пробоя p–n-перехода
(туннельный, лавинный, тепловой)
Зонная диаграмма туннельного пробоя
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
66

67. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
К параметрам стабилитрона, определяемым по его ВАХ, относятся:
Uст nom – номинальное напряжение стабилизации, измеренное при
некотором среднем (номинальном) токе стабилитрона Iст nom;
Uст min – минимальное напряжение стабилизации, измеренное
в начале прямолинейного участка обратной ветви ВАХ;
I ст min – минимальный ток, при котором измеряется U ст min;
Uст max – максимальное напряжение стабилизации при токе I ст max;
I ст max – максимально допустимый обратный ток стабилитрона,
ограниченный предельно допустимой мощностью рассеяния
на стабилитроне Р ст max.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
67

68. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Один из важнейших параметров стабилитрона – дифференциальное
сопротивление – характеризует наклон его ВАХ в области пробоя:
rд dUст / dIст
при I ст const.
Влияние температуры на характеристики стабилитрона оценивается
температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН):
ТКН = ΔUст / (Uст ΔT).
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
68

69. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Схема включения стабилитрона:
Rб – балластное (ограничительное) сопротивление,
Евх – входное (нестабилизированное) напряжение,
Uст – выходное стабилизированное напряжение
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
69

70. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Эпюра изменения
входного напряжения (ЭДС) источника
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
70

71. Стабилитроны.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны.
Схема включения стабилитрона
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
71

72. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Балластное (ограничительное) сопротивление:
Rб ( Еср U ст ) /( I ср I н ),
где Еср = 0,5 (Еmin + Emax) – среднее значение напряжения источника;
Iср= 0,5(Imin + Imax) – средний ток стабилитрона; Iн = Uст /Rн – ток
через нагрузку.
Стабилизация возможна только при соблюдении условия
ΔЕ (Imax – Imin ) Rб.
Эффективность стабилизации напряжения характеризуется
коэффициентом стабилизации:
К ст
E/E
.
U ст /U ст
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
72

73. Стабилитроны. Характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Стабилитроны. Характеристики,
параметры, применение
Второй возможный режим стабилизации, когда входное напряжение
источника стабильно, а сопротивление нагрузки меняется от Rн min
до Rн mах. Для такого режима сопротивление балластного резистора Rб
можно определить по формуле
Rб ( Е U ст ) /( I ср I н.ср ).
Iн ср.= 0,5 (Iн min + Iн max),
Iн min = Uст /Rн max ,
Iн max = Uст /Rн min.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
73

74. Варикап. Принцип действия, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Варикап. Принцип действия, применение
Варикап — это полупроводниковый диод, в котором используется
зависимость барьерной емкости p -n -перехода от обратного напряжения.
Варикапы удобны тем, что, подавая на них постоянное напряжение
смещения, можно дистанционно и практически безынерционно менять их
емкость. Варикапы применяют для перестройки частоты колебательных
контуров и фильтров, усиления и генерации СВЧ сигналов или
автоподстройки частоты.
Принцип работы варикапа основан на свойствах барьерной емкости p n -перехода, причем при увеличении обратного напряжения на переходе
его емкость уменьшается. Эта емкость имеет относительно высокую
добротность, низкий уровень собственных шумов и не зависит от частоты
вплоть до миллиметрового диапазона. Теоретическое значение емкости
варикапа можно определить по формуле:
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
74

75. Варикап. Принцип действия, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Варикап. Принцип действия, применение
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
75

76. Варикап. Принцип действия, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Варикап. Принцип действия, применение
Варикапы – это плоскостные
диоды, иначе называемые
параметрическими, работающие
при обратном напряжении, от
которого зависит барьерная
емкость. Таким образом,
варикапы представляют собой
конденсаторы переменной
емкости, управляемые
не механически, а электрически,
т. е. изменением обратного
напряжения.
Схема включения варикапа
в колебательный контур
в качестве конденсатора переменной емкости
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
76

77. Варикап. Принцип действия, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Варикап. Принцип действия, применение
Варикапы делятся на подстроечные и умножительные (или
варакторы).
Подстроечные варикапы используются для изменения резонансной
частоты колебательных систем, например, в системах автоматической
настройки, в управляемых фильтрах и т.п.
Умножительные варикапы (варакторы) применяются в генераторах,
смесителях, частотных преобразователях и т.п. для умножения частоты
сигнала. При этом используется нелинейность вольт-фарадной
характеристики (при подаче на варикап гармонического напряжения
через него протекает ток, в котором проявляются высшие гармоники изза того, что емкость зависит от напряжения). Особенностью варакторов
является то, что повышенная нелинейность вольт-фарадной
характеристики является основным требованием, определяющим
характеристики устройств на их основе. Чем выше такая нелинейность,
тем выше амплитуда соответствующих гармоник в токе, проходящем
через варактор, а это основное условие повышения КПД частотного
преобразования.
p–n-переход. Полупроводниковые диоды
77

78. Тема 3 Биполярные транзисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 3
Биполярные транзисторы
Лекция 6
Лекция 7
Лекция 8
Лекция 9
Лекция 10
Выбор темы
78

79. Биполярные транзисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Биполярные транзисторы
Полупроводниковый прибор, имеющий три электрода и два
взаимодействующих между собой p–n-перехода, называется
биполярным транзистором.
Биполярные транзисторы
79

80. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Режимы работы биполярного транзистора
В зависимости от того, какие напряжения действуют на переходах,
различают 4 режима работы транзистора:
• активный режим работы или режим усиления, когда
эмиттерный переход смещен в прямом направлении,
а коллекторный в обратном;
• режим насыщения, когда оба перехода смещены в прямом
направлении;
• режим отсечки, когда оба перехода смещены в обратном
направлении.
• инверсный режим работы, когда эмиттерный переход смещен
в обратном направлении, а коллекторный в прямом
Биполярные транзисторы
80

81. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Конструкция первого биполярного
транзистора (а)
и первый промышленный образец (б)
Биполярные транзисторы
81

82. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Устройство, условное обозначение
и включение биполярных
транзисторов в активном режиме
Биполярные транзисторы
82

83. Структура и принцип действия биполярного транзистора.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Биполярные транзисторы
83

84. Структура и принцип действия биполярного транзистора.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Биполярные транзисторы
84

85. Структура и принцип действия биполярного транзистора.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что
незначительный по величине ток базы Iб, возникающий при подаче
прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер-база, вызывает
значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк.
Это обусловлено сильной инжекцией электронов из эмиттера, которые
втягиваются полем обратно смещенного коллекторного перехода.
Токи эмиттера, коллектора и базы транзистора связаны соотношением:
Iэ = Iк + Iб .
Биполярные транзисторы
85

86. Структура и принцип действия биполярного транзистора.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Взаимодействие между переходами обусловлено малой толщиной базы
(примерно 0,5 мкм), которая оказывается значительно меньше
диффузионной длины носителей, инжектированных в базу (примерно 10
мкм).
Инжектированные носители распространяются в базе по законам
диффузии и дрейфа, если в базе существует внутреннее электрическое
поле, достигают коллекторного перехода и втягиваются в область
коллектора под действием электрического поля, создаваемого
источником коллекторного питания.
Явление втягивания носителей в другую область p-n перехода под
действием электрического поля называется экстракцией.
Электрический ток через переход эмиттер-база обусловлен главным
образом инжекцией носителей из эмиттера в базу. Инжекция носителей
из базы в эмиттер незначительна, так как концентрация примесей в
области базы гораздо ниже, чем в эмиттере (на несколько порядков).
Биполярные транзисторы
86

87. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
87

88. Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические ВАХ и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
88

89. Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические ВАХ и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
89

90. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Схемы включения биполярных транзисторов р–n–р-типа:
а) ОБ; б) ОЭ; в) ОК
Биполярные транзисторы
90

91. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Включение
биполярного транзистора
n–р–n-типа по схеме с общей базой
Биполярные транзисторы
91

92. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Входные (а) и выходные (б) ВАХ
биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общей базой
Биполярные транзисторы
92

93. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Включение биполярного транзистора n–р–n-типа
по схеме с общим эмиттером
Биполярные транзисторы
93

94. Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические ВАХ и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
94

95. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Принцип работы биполярного транзистора заключается в том, что
незначительный по величине ток базы Iб, возникающий при подаче
прямого напряжения Uбэ на переход эмиттер-база, вызывает
значительные изменения тока эмиттера Iэ и тока коллектора Iк
Iк = βст·Iб
I к I к0 exp(U бэ / T ) 1
βст – статический
Iк0 – обратный ток
коэффициент
передачи тока базы
Iэ = Iк + I б
коллекторного перехода,
φТ – температурный
потенциал
Биполярные транзисторы
95

96. Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические ВАХ и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
96

97. Статические ВАХ и параметры для основных схем включения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Статические ВАХ и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
97

98. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Входные (а) и выходные (б) ВАХ
биполярного транзистора n-p-n-типа в схеме с общим эмиттером
При Uкэ=0, характеристика идет из начала координат, так как при
отсутствии напряжения, отсутствует ток. При Uкэ>0 характеристика
сдвигается вправо на величину порового напряжения.
Биполярные транзисторы
98

99.

Схемы включения БТ

100. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
h11 = (ΔUбэ/ΔIб)|Uкэ = const
kU = (ΔUкэ/ΔUбэ)
h12 = (ΔUбэ/ ΔUкэ)|Iб = const
h21 = (ΔIк/ΔIб)|Uкэ = const
h22 = (ΔIк/ΔUкэ)|Iб = const
Биполярные транзисторы
100

101. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
h11 = (ΔUбэ/ΔIб)|Uкэ = const
Параметр h11
в схеме с общим эмиттером имеет смысл
дифференциального входного сопротивления транзистора в
режиме малого сигнала.
h12 = (ΔUбэ/ ΔUкэ)|Iб = const
Параметр h12 в схеме с общим эмиттером характеризует влияние
выходной цепи транзистора на входную вследствие имеющейся
внутренней обратной связи между ними и называется
коэффициентом обратной связи по напряжению.
Биполярные транзисторы
101

102. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
h21 = (ΔIк/ΔIб)|Uкэ = const
Параметр h21
в схеме с общим эмиттером называется
дифференциальным коэффициентом усиления транзистора по
току или коэффициентом передачи по току.
h22 = (ΔIк/ΔUкэ)|Iб = const
Параметр h22 в схеме с общим эмиттером имеет смысл и
размерность
дифференциальной
выходной
проводимости,
обратной выходному сопротивлению транзистора в режиме
малого сигнала.
Биполярные транзисторы
102

103. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение.
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Коэффициент усиления по напряжению определяется как:
kU = (ΔUкэ/ΔUбэ)
Так как напряжение база-эмиттер не превышает десятых долей
вольта, а напряжение коллектор-эмиттер может достигать единиц
или десятков вольт, то коэффициент усиления принимать
значения от десятков до сотен.
Биполярные транзисторы
103

104. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
h11(об) = (ΔUэб/ΔIэ)|Uкб = const
h21(об) = (ΔIк/ΔIэ)|Uкб = const
h12(об) = (ΔUэб/ΔUкб)|Iэ = const
h22(об) = (ΔIк/ΔUкб)|Iэ = const
Биполярные транзисторы
104

105. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Включение
биполярного транзистора
n–р–n-типа по схеме
с общим коллектором
Малое входное сопротивление схем с ОБ
и ОЭ.
Особенность схемы с ОК является то,
что сопротивление нагрузки включено в
цепь эмиттера и падение напряжения,
возникающее
на
сопротивлении
нагрузки, полностью передается на вход.
Т.О. существует сильная отрицательная
обратная связь.
Поэтому часто данная схема называется
эмиттерный повторитель.
Входное напряжение схемы является
суммой напряжений база-эмиттер и
выходного напряжения.
Входное сопротивление схемы с ОК
достигает десятков – сотен килоом.
Биполярные транзисторы
105

106. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Rвх = Uвх/Iб = (Uбэ+Uвых) / Iб
Ki = Iэ/Iб
Включение
биполярного транзистора
n–р–n-типа по схеме с общим коллектором
Биполярные транзисторы
KU = Uвых/(Uбэ+Uвых) 1
106

107. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ и параметры для основных

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Схемы включения (ОЭ, ОБ, *ОК). Статические ВАХ
и параметры для основных схем включения
Биполярные транзисторы
107

108. Структура и принцип действия биполярного транзистора. Применение БТ

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия биполярного транзистора.
Применение БТ
Биполярные транзисторы – активные приборы, позволяющие
усиливать, генерировать и преобразовывать электрические
колебания в широком диапазоне частот и мощностей.
В соответствии с этим их можно разделить:
• на низкочастотные (до 3 МГц),
•среднечастотные (3–30 МГц),
•высокочастотные (30–300 МГц),
•сверхвысокочастотные (более 300 МГц).
По мощности их можно разделить:
• на маломощные (не более 0,3 Вт),
• cредней мощности (0,3–1,5 Вт),
• большой мощности (более 1,5 Вт).
Биполярные транзисторы
108

109. Режимы работы биполярных транзисторов

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Режимы работы биполярных транзисторов
Iк = (Ек – Uкэ)/Rк
Pвых = 0,5·Iк m ·Uкэ m
Pвх = 0,5·Iб m ·Uбэ m
Rвх = Uбэ m /Iб m
Rб = (Еб – Uбэ(0))/Iб(0)
KI = Iк m/Iб m
Типовая схема
усилительного каскада
с общим эмиттером
Биполярные транзисторы
KU = Uкэ m /Uбэ m
Kp = KI ·KU
109

110. Режимы работы биполярных транзисторов

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Режимы работы биполярных транзисторов
К графоаналитическому методу расчета
и анализу усилительного каскада на биполярном транзисторе
Биполярные транзисторы
110

111. Понятие о классах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Понятие о классах усиления.
Класс усиления А. Режим работы транзисторного каскада, при котором
ток в выходной цепи транзистора протекает в течение всего периода
изменения напряжения входного сигнала, называется режимом усиления
класса А. Характерной чертой этого режима является выполнение условия
∆Iк < Iкп, для обеспечения которого напряжение Uсм применительно к схеме
на рисунке должно быть положительным и превосходить максимальную
амплитуду напряжения Uс .
Ток покоя коллектора:
Iкп = (Iк min + Iк max)/2.
Максимальная амплитуда выходного тока:
∆Iк max = (Iк max – Iк min)/2.
Биполярные транзисторы
111

112. Понятие о классах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Понятие о классах усиления.
Класс усиления В. Режим работы транзисторного каскада, при котором
ток в выходной цепи транзистора протекает только в течение половины
периода изменения напряжения входного сигнала, называется режимом
усиления класса В. Данный режим соответствует выбору Uсм = 0. При этом
Iкп = Iк min ≈ 0 и Uкэ п = Uп – Iк min Rк ≈ Uп . Мощность, рассеиваемая в каскаде при
условии Uс = 0, практически также равна нулю, так как транзистор находится
в режиме отсечки.
Принципиальная схема
двухтактного усилителя
мощности (а) и временные
диаграммы (б), поясняющие ее
работу (VT1 – n–p–n,
VT2 – р–n–р)
Биполярные транзисторы
112

113. Понятие о классах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Понятие о классах усиления.
Класс усиления АВ. Режим работы транзисторного каскада,
при котором ток в выходной цепи транзистора протекает больше
половины периода изменения напряжения входного сигнала,
называется режимом усиления класса АВ.
Класс усиления С. Режим работы транзисторного каскада,
при котором ток в выходной цепи транзистора протекает на
интервале меньшем половины периода изменения напряжения
входного сигнала, называется режимом усиления класса С .
Класс усиления D. Режим работы транзисторного каскада,
при котором в установившемся режиме усилительный элемент
(биполярный транзистор) может находиться только в состоянии
«Включено» (режим насыщения биполярного транзистора) или
«Выключено» (режим отсечки биполярного транзистора),
называется ключевым режимом или режимом усиления класса D.
Биполярные транзисторы
113

114. Понятие о классах усиления. Работа БТ в ключевом режиме

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Понятие о классах усиления.
Работа БТ в ключевом режиме
Основные параметры усилителей различных классов усиления
Биполярные транзисторы
114

115. Влияние внешних условий на характеристики и параметры БТ. Проблема стабилизации рабочей точки и усиления

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Влияние внешних условий на характеристики
и параметры БТ. Проблема стабилизации
рабочей точки и усиления
Влияние температуры
на выходные характеристики
транзистора при включении
его по схеме ОБ (а) и ОЭ (б)
Биполярные транзисторы
115

116. Влияние внешних условий на характеристики и параметры БТ. Проблема стабилизации рабочей точки и усиления

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Влияние внешних условий на характеристики
и параметры БТ. Проблема стабилизации
рабочей точки и усиления
R1 (Eк – Uэ)/(Iб0 + Iд)
R2 Uэ/Iд
Rэ Uэ/Iэ0
Схемы стабилизации рабочего режима
усилительного каскада на биполярном транзисторе
Биполярные транзисторы
116

117. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Тиристоры являются переключающими приборами.
Их название происходит от греческого слова thyra (тира), означающего «дверь», «вход».
Для управления электрическими схемами необходимы мощные элементы коммутации. Эти
элементы должны отключать участки схем, включать их, производить переключения.
Часто в качестве коммутационных устройств используют тиристоры.
Структура диодного тиристора (а)
и его эквивалентная схема в виде двух транзисторов (б)
Тиристоры и симисторы
117

118. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Вольт-амперные характеристики
триодного тиристора
для разных управляющих токов
Тиристоры и симисторы
118

119. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Тиристоры и симисторы
119

120. Динистор

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Динистор
Такой тиристор называется динистором (диодный тиристор). Подобно диоду он имеет
два вывода и отпирается напряжением определенного уровня, приложенным в
прямом направлении к аноду и катоду.
Триодный тиристор – тринистор. Он имеет ту же структуру, но с дополнительным
выводом – управляющим электродом (УЭ). Все операции с тринистором производятся
посредством УЭ.
Динистор состоит этот полупроводниковый прибор из 4 слоев (областей)
полупроводника (в большинстве случаев – кремния) с различной проводимостью и
имеет структуру p-n-p-n.Т акой тиристор называется динистором (диодный тиристор).
Подобно диоду он имеет два вывода и отпирается напряжением определенного
уровня, приложенным в прямом направлении к аноду и катоду.
Тиристоры и симисторы
120

121. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Вольт-амперная характеристика
диодного тиристора - динистора
Тиристоры и симисторы
121

122. Динистор

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Динистор
Принцип действия тиристора наглядно демонстрирует
его ВАХ. Она, как и характеристика обычного диода,
расположена в I и III квадрантах и состоит из
положительной и отрицательной ветвей. Отрицательная
ветвь также подобна диодной и содержит участок, при
котором прибор заперт — от нуля до Uпробоя.
Вольт-амперная характеристика
диодного тиристора - динистора
При достижении порогового напряжения происходит
лавинный пробой. Положительная ветвь требует
внимательного рассмотрения. Если приложить к
тиристору прямое напряжение и начать его увеличивать,
то ток будет расти медленно – сопротивление закрытого
полупроводникового прибора высоко. Это красный
участок графика. При достижении определенного уровня
тиристор скачкообразно открывается, его
сопротивление уменьшается, падение напряжения также
уменьшается, ток растет – синий участок. Этот участок
характеризуются отрицательным сопротивлением, но
прибор ведет себя здесь неустойчиво, с выраженной
тенденцией перехода в открытое состояние.
Далее тиристор выходит в режим обычного диода –
зеленая ветвь графика. Так работает диодный тиристор,
а способность открываться при достижении
определенного уровня называется динисторным
эффектом.
Тиристоры и симисторы
122

123. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Выключить тиристор (диодный или триодный) сложнее. Для этого требуется, чтобы ток через
прибор снизился до определенного уровня (почти до нуля). В цепях переменного тока тиристор
может быть переведен в закрытое состояние после снятия управляющего воздействия
естественным путем – при ближайшем переходе напряжения через ноль. На самом деле,
запирание происходит раньше — когда при снижении напряжения ток снизится до порогового
значения. Это зависит от величины нагрузки.
В цепях постоянного тока приходится принимать более
сложные решения. Например, запирать тиристор можно
с помощью конденсатора, заряженного напряжением
обратной полярности. При включении коммутационного
устройства, он разряжается навстречу прямому току и
компенсирует его до нуля.Также существуют другие
способы создания встречного тока, но их устройство
еще сложнее. Например, использование колебательных
контуров и т.п. Все это усложняет использование
тринисторов и динисторов, поэтому относительно
недавно были созданы управляемые тиристоры (их
также называют двухоперационными). Их отличие в том,
что отпирание и запирание осуществляется посредством
воздействия на управляющий электрод. Это резко
расширяет
возможности
применения
данных
полупроводниковых приборов.
Тиристоры и симисторы
123

124. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Простейшая схема включения
триодного тиристора
с выводом от р-области
Тиристоры и симисторы
124

125. Симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Симисторы
Симисторы, триаки.
Они представляют собой два тринистора с общим управлением, включенные встречнопараллельно и размещенные в одном корпусе. При необходимости триак можно
заменить двумя отдельными приборами, подключив их по соответствующей схеме.
Симистор – пропускает токи в двух направлениях
Тиристоры и симисторы
125

126. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Вольт-амперная характеристика
симметричного тиристора
Тиристоры и симисторы
126

127. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Структура симметричного тиристора (а)
и замена симметричного тиристора
двумя диодными тиристорами (б)
Тиристоры и симисторы
127

128. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Условные графические обозначения различных тиристоров:
а – диодный тиристор, б и в – незапираемые триодные тиристоры
с выводом от р- и n-области, г и д – запираемые триодные тиристоры
с выводом от р- и n-области, е – симметричный тиристор
Тиристоры и симисторы
128

129. Виды тиристоров и схемы подключения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Виды тиристоров и схемы подключения
Виды тиристоров, их отличия и схемы подключения
Каждый из них имеет свою сферу использования.
Динисторы.
Динистор включается в схему подобно обычному диоду последовательно с нагрузкой.
Питание может быть постоянным или переменным.
В цепи переменного напряжения также работают симметричные динисторы
(двунаправленные динисторы, диаки), представляющие собой два обычных прибора,
включенных встречно. Они открываются от любой полуволны синусоидального
напряжения. Вольт-амперная характеристика диака симметрична – обратная ветвь также
расположена в III квадранте и зеркально повторяет прямую.
Тиристоры и симисторы
129

130. Виды тиристоров и схемы подключения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Виды тиристоров и схемы подключения
Тринисторы
Самый распространенный тип в данной категории полупроводниковых приборов. В
профессиональной среде триодные тиристоры называют просто тиристорами, хотя
принципиально это неверно. Включается в схему тринистор также подобно обычному
диоду (в цепь постоянного или переменного напряжения).
Отпирание происходит при подаче на УЭ положительного напряжения (совпадающего по
знаку с напряжением анода при прямом включении). У двухоперационных приборов
запирание осуществляется подачей на УЭ тока противоположного направления.
Тиристоры и симисторы
130

131. Виды тиристоров и схемы подключения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Виды тиристоров и схемы подключения
Симисторы.
Они представляют собой два тринистора с общим управлением, включенные встречнопараллельно и размещенные в одном корпусе. При необходимости триак можно
заменить двумя отдельными приборами, подключив их по соответствующей схеме.
В цепи переменного напряжения также работают симметричные динисторы
(двунаправленные динисторы, диаки), представляющие собой два обычных прибора,
включенных встречно. Они открываются от любой полуволны синусоидального
напряжения. Вольт-амперная характеристика диака симметрична – обратная ветвь также
расположена в III квадранте и зеркально повторяет прямую.
Тиристоры и симисторы
131

132. Виды тиристоров и схемы подключения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Виды тиристоров и схемы подключения
Где применяются тиристоры
Каждый полупроводниковый прибор предназначен для решения определенных задач:
Сфера применения динисторов невелика.
Они используются в качестве формирователей импульсов для отпирания тринисторов
посредством УЭ и в составе пускорегулирующей арматуры для люминесцентных ламп.
Также этот прибор применяется в любительских разработках в схемах с нестандартным
применением.
Триодные тиристоры широко применяются в качестве электронных ключей для
коммутации нагрузок, в схемах фазового регулирования напряжения. Раньше были
широко распространены в инверторах (для преобразования постоянного напряжения в
переменное), в частотных преобразователях (для регулировки частоты вращения
асинхронных электродвигателей) и в схемах плавного пуска.
Симисторы применяются в качестве коммутационных элементов в цепях переменного
тока. Ими удобно заменять обычные механические реле:
нет механических контактов;
повышенный ресурс;
уменьшенные габариты;
невысокая цена.
К минусам такого применения можно отнести проблему с высоким выделением тепла под
нагрузкой.
Тиристоры и симисторы
132

133. Тиристоры и симисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тиристоры и симисторы
Генератор пилообразного
напряжения с тиристором
Тиристоры и симисторы
133

134. Тема 5 Полевые транзисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 5
Полевые транзисторы
Лекция 12
Лекция 13
Лекция 14
Лекция 15
Выбор темы
134

135. Тема 5 Полевые транзисторы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 5
Полевые транзисторы
5.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия
полевого транзистора
5.2. Структура и принцип действия ПТ с управляющим
p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки.
Статические ВАХ и параметры в схеме с общим истоком
5.3. Структура и принцип действия МОП-транзистора
5.4. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых
транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме
5.5. Линейные и нелинейные модели ПТ для ВЧ и СВЧ
135

136. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Классификация полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора
Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор,
управление током которого основано на зависимости
электрического сопротивления токопроводящего слоя от
напряженности поперечного электрического поля
В настоящее время существуют три основных разновидности
полевых транзисторов:
• полевые транзисторы с управляющим p–n-переходом;
• полевые транзисторы со структурой металл – окисел – полупроводник
или МОП-транзисторы;
• полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).
Полевые транзисторы
136

137. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Классификация полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора
Конструкция прибора, запатентованного
Ю. Лилиенфельдом
Полевые транзисторы
137

138. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Классификация полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора
Условные обозначения различных типов полевых транзисторов
(И – исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим
p–n-переходом ( 1 – с n-каналом, 2 – с p-каналом); 3, 4 – МОП–транзисторы
со встроенным каналом ( 3 – с n-каналом, 4 – с p-каналом); 5, 6 – МОПтранзисторы с индуцированным каналом ( 5 – с n-каналом, 6 – с p-каналом);
7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки ( 7 – с n-каналом, 8 – с p-каналом)
Полевые транзисторы
138

139. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия полевого
транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Структура полевого транзистора
с управляющим p–n-переходом
Полевые транзисторы
Структура полевого транзистора
с барьером Шоттки
139

140. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия полевого
транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Выходные (а) и передаточные (б) характеристики транзистора
КП103М с каналом p-типа
Полевые транзисторы
140

141. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия полевого
транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Параметры полевого транзистора
Теоретическое описание ВАХ полевого транзистора
с управляющим p–n-переходом в области насыщения
получено Уильямом Шокли:
3/ 2
U зи
U зи
I c I c max 1 3
2
,
U отс
U отс
где Ic max – максимальный ток стока при Uзи = 0,
называемый также начальным током Ic.нач
Полевые транзисторы
141

142. Структура и принцип действия полевого транзистора с управляющим p–n-переходом и полевого транзистора с барьером Шоттки

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия полевого
транзистора с управляющим p–n-переходом
и полевого транзистора с барьером Шоттки
Параметры полевого транзистора
На практике используют более простое описание ВАХ в области
насыщения:
Ic = k(Uотс – Uзи)2,
где k = Ic.нач/U2отс – постоянный коэффициент, зависящий от
геометрических и электрофизических параметров транзистора.
В линейной области ВАХ ПТ описывается выражением
U 2си
I c 2k U отс U зи U си
.
2
Полевые транзисторы
142

143. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Классификация полевых транзисторов.
Принцип действия полевого транзистора
Параметры полевого транзистора
Основной параметр ПТ – крутизна – характеризует усилительные
свойства полевого транзистора в области насыщения и измеряется
в сименсах (Сим) или – как чаще принято называть – в миллиамперах
на вольт:
S = (дIc /дUзи)|Uси = const.
Выходное (внутреннее) сопротивление Ri , называемое также
дифференциальным сопротивлением, представляет сопротивление
канала ПТ переменному току:
Ri = (дUcи /дIc)|Uзи = const.
Входное сопротивление:
Rвх = (дUзи/дIз)|Uси = const.
Полевые транзисторы
143

144. Структура и принцип действия МОП-транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия
МОП-транзистора
Структура МДП-транзистора
со встроенным n-каналом
Выходные (а) и передаточные (б)
характеристики МОП-транзистора
со встроенным каналом
Полевые транзисторы
144

145. Структура и принцип действия МОП-транзистора

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Структура и принцип действия
МОП-транзистора
Структура МДП-транзистора
с индуцированным n-каналом
Выходные (а) и передаточные (б)
характеристики МОП-транзистора
с индуцированным каналом n-типа
Полевые транзисторы
145

146. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Работа ПТ в импульсном режиме
Схема усилительного каскада
с общим истоком на полевом транзисторе
Полевые транзисторы
146

147. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
К графоаналитическому расчету и анализу режима усиления
полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
Полевые транзисторы
147

148. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Динамическая выходная
характеристика, линия
нагрузки
Уравнение Кирхгофа
Ес = Uси + IcRс
Ic = (Ес – Uси)/Rс,
К графоаналитическому расчету и анализу режима усиления
полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
Полевые транзисторы
148

149. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления.

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Динамическая выходная
характеристика, линия
нагрузки
При Ic=0
Uси = Ес
При Uси = 0
Ic=Еc/Rc
Линия М и N – линия нагрузки.
Рабочий участок выбирается в области рабочих токов транзистора.
Пример. Участок для получения большой выходной мощности и малых
искажений – участок АБ
Полевые транзисторы
149

150. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Работа ПТ в импульсном режиме
Статические
состояния ключа
Семейство выходных ВАХ
Ключ на основе
и нагрузочная характеристика
МДП-транзистора
ключа
с индуцированым p-каналом
Полевые транзисторы
150

151. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Работа ПТ в импульсном режиме
Процесс включения транзистора
Схема ключа на МДП-транзисторе
с учетом паразитных емкостей
Полевые транзисторы
151

152. Основные схемы включения ПТ. Применение полевых транзисторов в схемах усиления. Работа ПТ в импульсном режиме

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Основные схемы включения ПТ. Применение
полевых транзисторов в схемах усиления.
Работа ПТ в импульсном режиме
Временные диаграммы
входного и выходного напряжений
Полевые транзисторы
152

153. Линейные и нелинейные модели полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Линейные и нелинейные модели
полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ
Малосигнальная
эквивалентная схема полевого транзистора
Полевые транзисторы
153

154. Линейные и нелинейные модели полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Линейные и нелинейные модели
полевых транзисторов для ВЧ и СВЧ
Нелинейная схема замещения
полевого транзистора с управляющим p–n-переходом
Полевые транзисторы
154

155. Тема 6 Фотоэлектрические и излучательные приборы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 6
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Лекция 16
Лекция 17
Выбор темы
155

156. Тема 6 Фотоэлектрические и излучательные приборы

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Тема 6
Фотоэлектрические и излучательные приборы
6.1. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда
в полупроводниках под действием излучения
6.2. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы,
фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение
6.3. Гетеропереходы. Зонная модель и инжекционные свойства
гетеропереходов
6.4. *Приборы на основе гетеропереходов: светодиоды,
полупроводниковые лазеры, фотоэлектрические приемники
156

157. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Излучательная генерация и рекомбинация
носителей заряда в полупроводниках
под действием излучения
E
Зона
проводимости
Запрещенная
зона
hv
Eg
Валентная
зона
Излучение при рекомбинации
Фотоэлектрические и излучательные приборы
157

158. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
Ф
3
2
1
а
R
I
Uвых
I
Ф=
const
U = const
н
Е
б
Устройство и схема
включения фоторезистора
а
U
б
Ф
Вольт-амперная (а) и энергетическая (б)
характеристики фоторезистора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
158

159. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
I
I
Ф3 > Ф2
Rн
Е
U = 50 B
Ф2 > Ф1
U = 10 B
Ф1 > 0
I0
Ф=0
Схема включения
фотодиода для работы
в фотодиодном режиме
Ф
U
Вольт-амперные характеристики
фотодиода
для фотодиодного режима
Энергетические
характеристики фотодиода
Фотоэлектрические и излучательные приборы
159

160. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
400
Еф,
мкВ
300
n
p
200
I
R
ф
н
100
Разделение возбужденных
светом носителей полем
p–n-перехода
0,2 0,4 0,6 0,8 Ф,
лм
Зависимость фотоЭДС
от светового потока
Фотоэлектрические и излучательные приборы
Схема включения
фотоэлемента
160

161. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
К
р
Rн
Ф
Б
n
iк
–
Е
+
р
Ф3 > Ф2
Ф2 > Ф1
Ф1 > 0
Э
Ф=0
Uкэ
Структура и схема включения
фототранзистора со «свободной» базой
Выходные характеристики
фототранзистора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
161

162. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
Ф
p1
n1
П1
i
П2
Rн
Ф3 > Ф 2
n2
П3
Ф2 > 0
Ф1 =
0
p2
– E
+
Структура и схема
включения фототиристора
Uвкл3
Uвкл2 Uвкл1 U
. Вольт-амперная
характеристика
фототиристора
Фотоэлектрические и излучательные приборы
162

163. Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы, фототранзисторы, фототиристоры, оптроны: характеристики, параметры, применение

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Фотосопротивления, фотодиоды, фотоэлементы,
фототранзисторы, фототиристоры, оптроны:
характеристики, параметры, применение
1
2
1
2
3
Оптопары с открытым оптическим каналом:
1 – излучатель; 2 – фотоприемник; 3 – объект
Различные типы оптопар
Фотоэлектрические и излучательные приборы
163

164. Зонная модель и инжекционные свойства гетеропереходов

Полупроводниковые приборы: физические основы работы, характеристики, параметры, модели, применение
Зонная модель и инжекционные свойства гетеропереходов
n – GaAs
p – Ge
ΔEc
Ec
Ef
Ev
ΔEv
Инжекция электронов
Прямое смещение
Фотоэлектрические и излучательные приборы
164

165. Тема 7 Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Тема 7
Основы технологии микроэлектронных изделий.
Базовые ячейки аналоговых
и цифровых интегральных схем
Лекция 18
Лекция 19
Выбор темы
165

166. Тема 7 Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Тема 7
Основы технологии микроэлектронных
изделий. Базовые ячейки аналоговых
и цифровых интегральных схем
7.1. Предмет микроэлектроники. Классификация интегральных схем
7.2. Технология полупроводниковых интегральных схем
7.2.1. Подготовительные операции
7.2.2. Эпитаксия
7.2.3. Термическое окисление
7.2.4. Легирование
7.2.5. Травление
7.2.6. Техника масок
7.2.7. Нанесение тонких пленок
7.2.8. Металлизация
7.2.9. Сборочные операции
7.3. Технология тонкопленочных гибридных интегральных схем
7.4. Технология толстопленочных гибридных интегральных схем
166

167. Подготовительные операции

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Подготовительные операции
Схема выращивания монокристаллов
методом Чохральского: 1 – тигель;
2 – расплав полупроводника;
3 – монокристалл выращиваемого
полупроводника; 4 – затравка;
5 – катушка высокочастотного индуктора
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
167

168. Подготовительные операции

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Подготовительные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
168

169. Эпитаксия

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Эпитаксия
Эпитаксией называют процесс наращивания монокристаллических слоев
на подложку, при котором кристаллографическая ориентация наращиваемого
слоя повторяет кристаллографическую ориентацию подложки.
Схема хлоридного процесса эпитаксии: 1 – кварцевая труба;
2 – катушка ВЧ-нагрева; 3 – тигель с пластинами; 4 – пластина кремния;
5 – вентиль для перекрытия соответствующего газа; 6 – измеритель скорости потока
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
169

170.

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Примеры эпитаксиальных структур:
а – пленка n-типа на n+-подложке;
б – пленка р+-типа на n-подложке;
в – пленка n-типа на p-подложке
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
170

171. Термическое окисление

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Термическое окисление
Окисление кремния – один из самых характерных процессов
в технологии современных ИС. Получаемая при этом пленка двуокиси
кремния (Si02) выполняет несколько важных функций, в том числе:
• функцию защиты – пассивации поверхности и, в частности, защиты
вертикальных участков p-n-переходов, выходящих на поверхность;
• функцию маски, через окна которой вводятся необходимые примеси;
• функцию диэлектрика под затвором МОП-транзистора.
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
171

172. Термическое окисление

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Термическое окисление
Функции двуокисной пленки кремния:
а – пассивация поверхности; б – маска для локального
легирования; в – тонкий подзатворный окисел
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
172

173. Легирование

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Легирование
Внедрение примесей в исходную пластину (или в эпитаксиальный
слой) путем диффузии при высокой температуре является исходным
и до сих пор основным способом легирования полупроводников с целью
создания диодных и транзисторных структур.
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
173

174. Легирование

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Легирование
Схема двухзонной диффузионной печи:
1 – кварцевая труба; 2 – поток газа-носителя; 3 – источник диффузанта;
4 – пары источника диффузанта; 5 – тигель с пластинами;
6 – пластина кремния; 7 – первая высокотемпературная зона;
8 – вторая высокотемпературная зона
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
174

175. Травление

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Травление
Локальное травление кремния: а – изотропное; б – анизотропное
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
175

176. Техника масок

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Техника масок
Фотолитография
Фрагмент
фотошаблона
Этапы процесса фотолитографии:
а – экспозиция фоторезиста через фотошаблон; б – локальное
травление двуокиси кремния через фоторезистную маску;
в – окисная маска после удаления фоторезиста
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
176

177. Нанесение тонких пленок

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Нанесение тонких пленок
Схема установки
термического напыления
Схема установки
катодного напыления
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
177

178. Нанесение тонких пленок

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Нанесение тонких пленок
Схема установки ионноплазменного напыления
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
178

179. Металлизация

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Металлизация
Получение металлической разводки
методом фотолитографии
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
179

180. Металлизация

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Металлизация
Многослойная металлическая
разводка
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
180

181. Сборочные операции

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Сборочные операции
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
181

182. Сборочные операции

Основы технологии микроэлектронных изделий и элементы интегральных схем
Сборочные операции
Монтаж кристалла
на ножке корпуса
Основы технологии микроэлектронных изделий. Базовые ячейки аналоговых и цифровых интегральных схем
182

183. Тема 8 Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Тема 8
Основные типы электровакуумных приборов,
их принципы работы и применение
Лекция 24
Лекция 25
Выбор темы
183

184. Тема 8 Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Тема 8
Основные типы электровакуумных приборов,
их принципы работы и применение
8.1. Электровакуумные приборы – общие сведения, классификация
8.2. Физические основы работы электровакуумных приборов
8.3. Приборы на основе термоэлектронной эмиссии
8.4. Приборы на основе автоэлектронной эмиссии
184

185. Электровакуумные приборы: общие сведения, классификация

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Электровакуумные приборы:
общие сведения, классификация
Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы,
в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой
оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено
специальной средой (пары или газы) и действие которых основано
на использовании электрических явлений в вакууме или газе.
Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
185

186. Электровакуумные приборы: общие сведения, классификация

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Электровакуумные приборы:
общие сведения, классификация
Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
186

187. Физические основы работы электровакуумных приборов

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Физические основы работы
электровакуумных приборов
Потенциальный барьер на
границе металл–вакуум:
1 – потенциал сил зеркального
изображения,
2 – потенциальный барьер
в сильном электрическом
поле.
Уровень Ферми – энергия,
соответствующая
максимальной энергии
электрона в металле при
температуре абсолютного нуля
Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
187

188. Приборы на основе автоэлектронной эмиссии

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Приборы на основе
автоэлектронной эмиссии
Схематическое изображение
автоэмиссионного катода Спиндта
Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
188

189. Приборы на основе автоэлектронной эмиссии

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Приборы на основе
автоэлектронной эмиссии
Конструкция
полевого эмиссионного дисплея
с катодами острийного типа
Конструкция
полевого эмиссионного дисплея
с катодами планарного типа
Основные типы электровакуумных приборов, их принципы работы и применение
189

190. Тема 9 Перспективы развития электроники. Наноэлектроника – исторический этап развития электроники

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Тема 9
Перспективы развития электроники.
Наноэлектроника – исторический
этап развития электроники
Лекция 26
Выбор темы
190

191. Тема 9 Перспективы развития электроники. Наноэлектроника – исторический этап развития электроники

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Тема 9
Перспективы развития электроники.
Наноэлектроника – исторический
этап развития электроники
9.1. Перспективы развития электроники
9.2. Квантовые основы наноэлектроники
9.3. Технологические особенности формирования
наноструктур и элементы наноэлектроники
191

192. Перспективы развития электроники

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники.
Перспективы развития электроники
Эволюция элементной базы электроники
Перспективы развития электроники
192

193. Квантовые основы наноэлектроники

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Квантовые основы наноэлектроники
Туннелирование электрона через
потенциальный барьер
Одноэлектронное туннелирование
в условиях кулоновской блокады
Перспективы развития электроники
193

194. Технологические особенности формирования наноструктур

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Технологические особенности
формирования наноструктур
Нанотехнологическая установка:
а – схема нанотехнологической
установки на основе туннельного
микроскопа; 1 – подложка, 2 – зонд,
З – источник питания, 4 – зазор
между зондом и подложкой,
5 – усилитель туннельного тока,
6 – динамический регулятор зазора
на основе пьезоманипуляторов,
7 – приспособление для напуска
газообразных и жидких реактивов,
8 – система прецизионного
позиционирования подложки
Перспективы развития электроники
194

195. Применение СТМ для формирования наноразмерных структур

Приборы вакуумной электроники. Перспективы развития электроники
Применение СТМ
для формирования наноразмерных структур
Перспективы развития электроники
195