Физические законы функционирования электронных приборов (стр. 1 из 3)
Содержание
Принцип работы биполярных транзисторов
Поверхностные явления в полупроводниках
Введение
В настоящее время невозможно найти какую-либо oтрасль промышленности, в которой не использовались бы электронные приборы или электронные устройства измерительной техники, автоматики и вычислительной техники. Причем тенденция развития такова, что доля электронных информационных устройств и устройств автоматики непрерывно увеличивается. Поэтому современный специалист в области электроники должен знать основные физические принципы и законы, составляющие теоретический фундамент функционирования приборов, устройств и систем, т.е. той техники, творцом которой он призван быть.
Цель контрольной работы - рассмотреть теоретические вопросы, в основном связанные с физическими принципами функционирования электронных приборов и рассмотреть практическое применение теоретических вопросов.
Дефекты реальных кристаллов
Реальные кристаллы всегда имеют всевозможные дефекты, нарушающие строгую периодичность их структуры и оказывающие сильное влияние практически на все их свойства - электрические, механические, оптические и др. Рассмотрим кратко наиболее важные дефекты кристаллов.
Примеси. Твердые тела сколь угодно высокой степени чистоты всегда содержат примеси. В зависимости от их природы и количества они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде более или менее крупных включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла (рис.1.1, а) или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки (рис.1.1, б). В первом случае твердый раствор называется раствором внедрения, во втором - раствором замещения. Так как чужеродные атомы по своей физической природе и размерам отличаются от атомов основного кристалла, то их присутствие вызывает искажение решетки.
Рис.1.1 Искажение кристаллической решетки в твердых растворах внедрения (а) и замещения (б)
Дефекты по Френкелю и по Шоттки. Распределение энергии между атомами твердого тела, как и между молекулами газа и жидкости, является неравномерным. При любой температуре в кристалле имеются атомы, энергия которых во много раз больше или меньше среднего значения, определяемого температурой кристалла. Атомы, обладающие в данный момент достаточно высокой энергией, могут не только удаляться на значительные расстояния от положений равновесия, но и преодолевать потенциальный барьер, созданный соседними атомами, и переходить в новое окружение, в новую ячейку. Такие атомы приобретают способность как бы "испаряться" из своих узлов и "конденсироваться" в междоузлиях (рис.1.2, а). Этот процесс сопровождается возникновением вакантного узла (вакансии) и атома в междоузлии (дислоцированного атома). Такого рода дефекты решетки называются дефектами по Френкелю.
Помимо внутреннего испарения, возможно полное или частичное испарение атомов с поверхности кристалла. При полном испарении атом покидает поверхность кристалла и переходит в пар, при частичном испарении он с поверхности переходит в положение над поверхностью (рис.1.2, б). В обоих случаях в поверхностном слое кристалла образуется вакансия. Путем замещения глубже лежащим атомом вакансия втягивается внутрь кристалла. Такое образование вакансий не сопровождается одновременным внедрением атомов в междоузлия, т.е. появлением дислоцированных атомов. Такого рода вакансии называют дефектами по Шоттки. Их источником могут быть и всевозможные несовершенства кристалла: недостроенные атомные плоскости, границы блоков и зерен, микроскопические трещины и др.
Рис.1.2 Дефекты по Френкелю (а) и по Шоттки (б)
Равновесная концентрация дефектов в кристалле зависит прежде всего от температуры, так как с ростом температуры увеличивается число атомов, энергия которых оказывается достаточной для преодоления связи с соседями и образования дефекта. В соответствии с законом Больцмана число таких атомов прямо пропорционально ехр ( - U/kT),
где U - энергия образования дефекта;
Т - абсолютная температура кристалла.
Для дефектов по Френкелю число их в кристалле, содержащем N узлов, равно
Nф = ANехр (-Uф/kT), (1.1)
для дефектов по Шоттки
NШ = Nexp (-Uui/kT), (1.2)
где Uф, Uш - энергия образования дефектов по Френкелю и Шоттки; соответственно;
А - число одинаковых междоузлий, приходящееся на один атом решетки.
При образовании дефектов по Френкелю атому, переходящему из узла в междоузлие, необходимо не только разрывать связи с соседними атомами, но и раздвигать их, внедряясь между ними. Это требует затраты значительной энергии и может происходить практически лишь в кристаллах, состоящих из атомов двух сортов, сильно различающихся своими размерами, например в ионных кристаллах NaCl, AgCl, NaBr и др. (ионный радиус Na+ равен 0,095 нм, Ag+ 0,11 нм; ионный же радиус Br - равен 0, 195 нм, С1 - 0,181 нм), а также в твердых растворах внедрения, например в сталях (rFе = 0,126нм, rс = 0,077 нм). В кристаллах же с плотной упаковкой однотипных атомов, например в металлических, дефекты по Френкелю возникать практически не могут и основными являются дефекты по Шоттки. Расчет показывает, что в кристалле меди при Т = 1000° С концентрация вакансий Nm/N≈10-4, концентрация дефектов по Френкелю Nф /N≈ 10-39.
Принцип работы биполярных транзисторов
Для рассмотрения принципа работы биполярного транзистора воспользуемся схемой, приведенной на рис.2.1 Из рисунка видно, что транзистор представляет собой по существу два полупроводниковых диода, имеющих одну общую область - базу, причем к эмиттерному р-п переходу приложено напряжение Е1 в прямом (пропускном) направлении, а к коллекторному переходу приложено напряжение Е2 в обратном направлении. Обычно |Е2| " |Е1|. При замыкании выключателей SA1 и SA2 через эмиттерный р-п переход осуществляется инжекция дырок из эмиттера в область базы. Одновременно электроны базы будут проходить в область эмиттера. Следовательно, через эмиттерный переход пойдет ток по следующему пути: + Е1, миллиамперметр РА1, эмиттер, база, миллиамперметр РА2, выключатели SA2 и SA1, - E1.
Рис.2.1 К пояснению принципа работы транзистора
Если выключатель SA1 разомкнуть, а выключатели SA2 и SA3 замкнуть, то в коллекторной цепи пройдет незначительный обратный ток, вызываемый направленным движением не основных носителей заряда - дырок базы и электронов коллектора. Путь тока: +Е2, выключатели SA3 и SA2, миллиамперметр РА2, база, коллектор, миллиамперметр РАЗ, - Е2.
Таким образом, каждый из р-п переходов в отдельности подчиняется тем закономерностям, которые были установлены ранее.
Рассмотрим теперь прохождение токов в цепях транзистора при замыкании всех трех ключей. Как видно из рис.2.2, подключение транзистора к внешним источникам питания приводит к изменению высоты потенциальных барьеров р-п переходов. Потенциальный барьер эмиттерного перехода понижается, а коллекторного - увеличивается.
Рис.2.2 Энергетическая диаграмма включенного транзистора
Ток, проходящий через эмиттерный переход, получил название эмиттерного тока (Iэ). Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих
Iэ = IэР + Iэn. (2.1)
Если бы концентрация дырок и электронов в базе и эмиттере была одинаковой, то прямой ток через эмиттерный переход создавался бы перемещением одинакового числа дырок и электронов в противоположных направлениях. Но в транзисторах, как было сказано выше, концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении. Следовательно, почти весь ток через эмиттерный р-п переход обусловлен дырками. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ,который для транзисторов типа р-п-р равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера:
γ =
= 
= 
(7.2)В современных транзисторах коэффициент γ обычно мало отличается от единицы (γ ≈ 0,999).
Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы. В зависимости от механизма прохождения носителей заряда в области базы отличают бездрейфовыеи дрейфовые транзисторы. В бездрейфовых транзисторах перенос неосновных носителей заряда через базовую область осуществляется в основном за счет диффузии. Такие транзисторы обычно получают описанным выше методом сплавления. В дрейфовых транзисторах в области базы путем соответствующего распределения примесей создается внутреннее электрическое поле и перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется в основном за счет дрейфа. Такие транзисторы, как уже отмечалось, обычно получают методом диффузии примесей.