Промышленная электроника. Конспект, 200 часов.

Введение Занятие 1

1. Почему отдельный предмет? отличит. Особенности: а) промышленность (не Р./Т)

б)другие частоты; в)много пост. тока; г)логические устройства- большая часть, ЭВМ, контроль, информ.-измер. системы, д) работа в произв. средах—цеха, поля, и т.д., е) обл. больших токов—преобразователи, индукц. нагрев, сварка, закалка, ультразвук и т.д. МНОГО общего, но и особенности.

2 Пром.электроника—техническая основа автоматизации производства. Три направлен. автоматиз.: 1)информац. электроника; 2) энергетич. электрон.;3) электронная технология.

1) –логич. устройства, микросхемы, информ.-измерит. схемы,--датчики, ЭВМ—микроконтроллеры—слаботочные устройства.

2) --преобразов. энергии и токов, проч.—большие токи, мощные электрон. приборы—тиристоры, транзисторы и т.д.

3) –Электронные лучи, плазма, вч-нагрев, лазерная технология …

В предмете невозможно описать все возможности. Они расширяются.

3. Полупроводники –в основе. Электровак. и ионные приборы --меньше и меньше.

4 Связь с другими науками: автоматика, электропривод и гидропривод, электрон. техника, измерит. техника, приборостроение …--везде!

ВАЖНОСТЬ науки!

Раздел 1.Физические основы полупроводников—12 ч.

1.1 Проводимость полупроводников—Занятие 2

Электропроводность—разница между проводниками и диэлектриками.

Удельное электрическое сопротивление (Ом м)

Металлы: ρ =10^-8—10^-6

Диэлектрики: ρ >10⁸ Полупроводники: 10^-6< ρ<10⁸

Проводимость п\п резко увеличив. с увеличен. темпер.

Механизм проводимости похож с металлами, но в металле это свободные электроны, в полупров.—электроны за счет внешней энергии!

В алентная связь. Ковалентная связь.( Ge, Si, алмаз). Электрич. нейтральность. Свободных электронов нет.

Энергия активации (за счет внешней энергии—тепло, свет). Чем больше температура, тем больше свободных электронов.

Зонная теория. ЗП—зона проводимости (электроны оторвавшиеся от атомов). ВЗ—валентная зона (энергия валентных электронов мала; все электроны около своих ядер). ЗАП—запрещенная зона—та энергия, которую надо сообщить электронам, чтобы они оторвались от своих атомов. В этой зоне не может быть электронов, т.к. они переходят либо в ВЗ, либо в ЗП.

Металлы: легкая ионизация (за счет температуры), свободные электроны, запрещенной зоны практически нет. Вблизи абс. нуля тепловое движение атомов почти отсутствует, мало соударений, сверхпроводимость.

Изоляторы: ЗАП очень велика (>2эВ), свободных электронов мало, вбизи абс. нуля проводимость отсутствует.

Полупроводники: вбизи абс. нуля энергии активации недостаточно, полупроводники становятся изоляторами.

Дырки. Заполнение дырок. Перемещение заряда при внешнем поле: электронная проводимость (как в металле) n- типа, заполнением дырок (дырочная проводимость) p –типа.

Идеальный кристалл (нет примесей) –концентрация электронов и дырок одинаковая. Генерация и рекомбинация свободных электронов и дырок. Во время рекомбинации выделяется энергия (в виде квантов света). Собственная проводимость (за счет электронов и дырок). Время жизни носителей заряда.

Примесные полупроводники- легированные с преобладанием электронной либо дырочной проводимости (примеси—1 атом на 10⁸ атомов- сурьма, мышьяк, фосфор, висмут ). В примесных п/п число электронов в атоме на 1 больше, либо меньше, чем в основном. Образуются либо свободные электроны, либо свободные дырки.

Доноры (сурьма, мышьяк, фосфор, висмут) обусловливают электронную проводимость.

Акцепторы (индий, галлий, бор, алюминий)- дырочная проводимость.

Основные носители полупроводника—те, которые обеспечивают ток. В n-полупроводнике это электроны, в p –полупроводнике это дырки.

В обоих случаях-- оба вида проводимости, но концентрация электронов дырок может отличаться на несколько порядков! Электронная проводимость (n-типа). Дырочная проводимость (р-типа). Диффузия зарядов. Дрейфовый ток—под действием внешнего поля дырки в одном, электроны в другом направлении.

1.2 Электронно-дырочный переход— Занятие 3.

ЭДП лежит в основе большинства ЭП. Образуется при контакте полупроводниковых слоев с противоположным типом проводимости. Применяются плоскостные переходы (линейные размеры значительно превышают их толщину, которая не превышает нескольких мкм). С одной стороны перехода (например, слева) —полупроводник n-типа, с другой—p-типа. Слева –избыток электронов, справа—дырок. Электроны диффундируют вправо, дырки –влево. Если раньше суммарный заряд ЭДП с каждой стороны был равен нулю, то теперь в результате диффузии в n-области недостаток электронов, в p- области недостаток дырок. В приконтактном слое n-область заряжена положительно, p-область отрицательно. Заряды в приконтактном слое называются объемными зарядами, область приконтактного слоя –областью объёмного заряда или обедненным слоем. Создается диффузионный ток за счет перемещения электронов и дырок из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

В p-области создается объёмный отрицательный заряд, в n-области--положительный. Между ними возникает разность потенциалов, и ток противоположного направления, который называется дрейфовый ток. В конце концов возникнет динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным дрейфовому. В области ЭДП создастся потенциальный барьер. Для германия разность потенциалов равна 0,25…0,45В, для кремния 0,5…0,9 В. Преодолеть такое напряжение может заряд, имеющий достаточно большую энергию.

Несимметричный ЭДП: концентрация основных носителей заряда с одной стороны перехода в100…1000 раз превышает концентрацию основных носителей заряда с другой стороны. Это достигается легированием монокристалла примесными полупроводниками с n и p проводимостью.

1.3 ЭДП при внешнем смещении. Характеристики перехода – Занятие 4

Подключение к переходу внешнего напряжения называется смещением. Если "+" ис-

точника подать на p-область, а "-" на n-область, смещение называется прямым (наоборот—обратным). При прямом смещении внешнее напряжение действует против потенциального барьера, понижая его напряжение. Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный--увеличивается. Электроны и дырки, пройдя через переход, становятся неосновными носителями, т.е. в p-области, где основными носителями являются дырки, в результате диффузии появляются электроны, которые движутся к плюсу. То же в n-области. Явление называется инжекцией неосновных носителей, а ток, протекающий через ЭДП, током инжекции или прямым током. Прямой ток имеет большую величину, т.е. ЭДП при прямом смещении имеет малое сопротивление.

П ри обратном смещении внешнее напряжение усиливает напряжение потенциального барьера. Число основных носителей, преодолевающих барьер, уменьшается. При определенном внешнем напряжении ток через барьер будет определяться только дрейфовой составляющей. Ток называется обратным. Он очень мал и во многих случаях им можно пренебречь.

Графическая зависимость тока через ЭДП называется Вольт-Амперной характеристикой (ВАХ). ВАХ имеет прямую и обратную ветви. При небольшом увеличении внешнего напряжения в прямом направлении ток через ЭДП увеличивается по экспоненциальному закону. Увеличение обратного напряжения не производит значительного увеличения тока. Поэтому ЭДП можно использовать в качестве выпрямительного элемента (диод).

Повышение температуры увеличивает энергию основных носителей. Это влияет на ход обеих ветвей ВАХ: при повышении температуры меньшие напряжения вызывают больший ток.

1.4 Переход металл-полупроводник—.Занятие 5

Чтобы вырвать электрон из вещества, необходимо затратить определённую энергию, которая называется работой выхода. В контакте металл-полупроводник работа выхода может играть важную роль.

Если работа выхода металла W_м меньше работы выхода W_p полупроводника p-типа, то из металла в полупроводник будут поступать электроны. В полупроводнике на границе с металлом появится избыток электронов, которые будут рекомбинировать с дырками. Вблизи контакта возникнут отрицательные ионы, создастся область отрицательного заряда. Со стороны металла появится положительный заряд. В области границы возникнет объемный заряд. Создастся контактная разность потенциалов, препятствующая переходу электронов из металла в полупроводник и способствующая переходу электронов из полупроводника в металл. Когда потоки уравняются, наступит равновесие.

Если к контакту металл-полупроводник подать напряжение плюсом к полупроводнику и минусом к металлу, контактная разность потенциалов уменьшится, электроны будут переходить в полупроводник, в цепи потечет электрический ток, величина которого зависит от величины внешнего напряжения.

Если внешнее напряжение подключить плюсом к металлу, электронам будет сложнее выходить из металла, ток уменьшится и будет происходить только за счет электронов полупроводника (неосновных носителей). Этот ток по малости можно во многих случаях не учитывать. Металл-полупроводник называется барьером Шоттки. Он обладает выпрямляющими свойствами. В работе барьера Шоттки участвуют только электроны. Нет инжекции неосновных носителей и накапливания зарядов. Поэтому он обладает малым временем переключения, высоким быстродействием.

Полупроводник необходимо соединять с металлическими частями п/п приборов. Соединения не должны влиять на работу прибора, т.е. иметь малое электрическое сопротивление, проводить токи обоих направлений, не обладать явлением инжекции. Такие контакты называются омическими. Создаются они по принципу диодов Шоттки путем введения между металлом и полупроводником дополнительной примеси, с повышенной концентрацией.

1.5 Пробой p-n перехода. Занятие 6

П ри достижении обратным напряжением критической величины происходит пробой p-n перехода, который заключается в сильном увеличении обратного тока. Различают электрический и тепловой пробои. Электрический пробой разделяется на лавинный и туннельный (полевой).

Лавинный пробой (кривая 1) происходит в слаболегированных, но достаточно широких областях объемного заряда. В них длина свободного пробега электронов, которые являются неосновными носителями, достаточно велика. Электрон успевает приобрести достаточно большую энергию. Соударяясь с нейтральными атомами, они ионизируют их, создавая новые ионы и электроны. Эти носители заряда в электрическом поле приобретают энергию, достаточную для ионизации других атомов. Лавинный эффект. При увеличении напряжения на небольшую величину, ток возрастает сильно. При снижении напряжения переход восстанавливается.

Туннельный пробой (кривая 2) происходит в сильнолегированных областях с узким переходом при обратных напряжениях 5…6 В. На переходе имеется высокий потенциальный барьер, который основные носители преодолеть не должны. Это происходит не за счет большой энергии основных носителей, а за счет смещения энергетических уровней зоны проводимости n-области и валентной зоны p-области в сторону сближения. Энергия электронов зоны проводимости становится такой же, как энергия электронов валентной зоны. Беспрепятственное перемещение электронов (как бы по туннелю). Название –полевой: за счет поля смещение энергетических уровней.

Тепловой пробой возникает за счет выделения энергии при протекании тока через структуры перехода. Если отводится тепла меньше, чем выделяется, переход нагревается. Это вызывает еще больший ток, что может вызвать оплавление материала и создание токопроводящих мостиков. Явление необратимо. Наиболее часто встречается в германиевых структурах, где не удается обеспечить одинаковую плотность тока по всей токопроводящей поверхности.

Если лавинный и туннельный пробои не приводят к тепловому, они обратимы! Иначе они переходят к тепловому пробою.