- •Оглавление
- •Предисловие
- •1. Лабораторные работы Лабораторная работа № 1 Изучение полупроводниковых приборов с одним р-n переходом (диодов)
- •1. Электронно-дырочный переход (p-n переход)
- •2. Элементы зонной теории
- •3. Вольт-амперная характеристика р-n перехода
- •4. Пробой р-n перехода
- •5. Стабилитроны
- •6. Туннельные диоды
- •Лабораторная работа № 2 Транзистор
- •2. Схема с общим эмиттером (оэ)
- •3. Схема с общим коллектором (ок)
- •Лабораторная работа № 3 Изучение вынужденных колебаний и явления резонанса в последовательном и параллельном колебательных контурах
- •1. Последовательный колебательный контур
- •2. Параллельный колебательный контур
- •Лабораторная работа № 4 Параметры приемника супергетеродинного типа
- •1. Основные понятия
- •2. Основные функции радиоприемников
- •3.Приемник прямого усиления
- •4.Приемник супергетеродинного типа
- •Лабораторная работа № 5 Изучение характеристик усилителя низкой частоты на сопротивлениях
- •1. Основные понятия
- •2. Усилительный каскад на сопротивлениях
- •3. Типы коррекции частотной характеристики
- •Лабораторная работа № 6 Тиратронный генератор релаксационных колебаний
- •1.Основные понятия
- •2.Тиратроны с холодным катодом
- •3.Тиратроны с накаленным катодом
- •Лабораторная работа № 7 Мультивибратор
- •1. Основные понятия
- •2. Транзисторный симметричный мультивибратор
- •Лабораторная работа № 8 Детектирование
- •1. Основные понятия
- •2. Амплитудная модуляция
- •3.Детектирование ам колебаний
- •Лабораторная работа № 9 Изучение электронных стабилизаторов напряжения
- •2. Параметрические методы стабилизации
- •2. Смешанные стабилизаторы напряжения.
- •Лабораторная работа № 10 Генераторы гармонических колебаний
- •1. Незатухающие колебания в транзисторном генераторе
- •2. Линейная теория самовозбуждения
- •3. Генераторы гармонических колебаний типа rc
- •4. Определение частоты колебаний с помощью фигур Лиссажу
- •Лабораторная работа № 11 Электронные лампы
- •Лабораторная работа № 12 Полевые транзисторы
- •1. Транзисторы с управляющим р-n переходом
- •2. Транзисторы с изолированным затвором
- •3. Применение полевых транзисторов.
- •Лабораторная работа № 13 Изучение элементной базы, топологии и конструкции полупроводниковых интегральных микросхем
- •1. Основные понятия
- •2. Конструкция и топология элементной базы полупроводниковых имс
- •3. Фигуры совмещения
- •Лабораторная работа № 14 Гибридные интегральные микросхемы
- •1. Подложки гис
- •2. Элементы гис
- •3. Компоненты гис
- •Лабораторная работа № 15 Цифровые микросхемы
- •1. Элементарные логические операции и типы логических элементов
- •2. Методы реализации логических элементов
- •3. Интегральные логические элементы
- •4. Параметры логических микросхем
- •Лабораторная работа № 16 Изучение дифференцирующих и интегрирующих цепей
- •1. Дифференцирующие цепи
- •2. Интегрирующие цепи
- •3. Описание экспериментальной установки
- •Лабораторная работа № 17 Гармонический анализ
- •1. Спектр периодических эдс. Ряд Фурье
- •2. Спектр непериодической эдс. Интеграл Фурье.
- •2. Анализ вычисления погрешностей и обработка результатов
- •2.1 Погрешность однократного измерения
- •2.2 Обработка результатов многократных измерений одной и той же величины
- •2.3 Погрешности косвенных измерений
- •Литература
1. Электронно-дырочный переход (p-n переход)
Если привести в тесный контакт два куска полупроводника с основными носителями р и n типа, то в зоне контакта происходят следующие процессы (рис. 1).
Рис. 1.
Электроны из n области под действием значительной разности концентраций диффундируют в р область (диффузионный ток ), оставляя после себя нескомпенсированный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Попав в р область, электроны рекомбинируют с имеющимися там дырками, тем самым в р области появляется нескомпенсированный отрицательный заряд решетки. Аналогично ведут себя и дырки (диффузионный ток). В результате в тонком приграничном слое образуется область с пространственным зарядом (р-n переход), возникает электрическое поле с напряженностью. Оно препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Толщина перехода зависит от концентрации основных носителей: чем больше носителей, тем тоньше переход. Величиназависит от толщины перехода и от материала полупроводника.
Кроме диффузионных токов, через переход протекают токи проводимости, связанные с движением собственных (неосновных) носителей, для которых поле перехода является ускоряющим – соответственно и– токи электронов и дырок. Суммарный диффузионный ток становится равным суммарному току проводимости, и на переходе устанавливается динамическое равновесие – результирующий ток равен.
2. Элементы зонной теории
Электроны в атоме могут иметь только определенные (квантованные) значения энергии. На каждом энергетическом уровне, согласно принципу Паули, может находиться не более двух электронов. Т.к. атомы в кристалле взаимодействуют, энергетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны – зоны разрешенной энергии:
Рис. 2.
Они разделены областями энергии, которые электрон иметь не может - запрещенные зоны. Число уровней в зоне определяется числом атомов в кристалле, ширина запрещенной зоны - материалом кристалла.
Связанные валентные электроны имеют энергии, соответствующие уровням валентной зоны, свободные - уровням свободной зоны (зоны проводимости). У металлов ширина запрещенной зоны равна , у диэлектриков, у полупроводникови меньше. У полупроводников привсе уровни валентной зоны заняты, все уровни зоны проводимости – свободны, т.е. проводимость равна. Чтобы попасть в зону проводимости, электрон должен получить энергию, превышающую ширину запрещенной зоны, например, в результате тепловых колебаний. На месте ушедшего в зону проводимости электрона остается вакансия, которую может занять другой электрон валентной зоны. Определить вероятность нахождения электрона (или дырки) на том или ином энергетическом уровне при определенной температуре можно с помощью распределения Ферми-Дирака:
, (1)
где – постоянная Больцмана,– абсолютная температура,– энергия данного уровня,– уровень Ферми – энергия, соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которого при любойравна, а при– все электроны расположены ниже этого уровня. Т.к. на энергетических уровнях в запрещенной зоне электроны находиться не могут, распределение Ферми-Дирака там не работает. Вид функцииприипоказан на рис. 3:
Рис. 3.
Уровень Ферми в собственном полупроводнике располагается почти посередине запрещенной зоны. В полупроводниках n-типа в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости создается разрешенный (донорный) энергетический уровень, а уровень Ферми смещается от середины в сторону дна зоны проводимости тем сильнее, чем выше концентрация примеси. В полупроводниках р-типа акцепторный уровень располагается вблизи потолка валентной зоны, туда же смещается уровень Ферми.
Рис. 4.
При контакте р и n полупроводников образуется единая система с общим уровнем Ферми, причем на границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (рис. 4). Вследствие этого энергетические зоны в области р-n перехода смещаются относительно друг друга и образуется потенциальный барьер
, (2)
где – минимальная энергия, необходимая электрону (или дырке), для перехода в смежную область,– заряд электрона. Для германия, для кремния.