Elektronikos medžiaga egzaminui

1.1. Pagrindinės sąvokos ir apibrėžimai Elektronika tiria kietuosiuose kūnuose, skysčiuose, dujose ir vakuume elektronų generavimą, judėjimą ir rekombinaciją ,elektromagnetinių laukų ryšį.Elektroninis komponentas įtaisas kurio laidumas susidaro iš elektronų ir jonų.Mikroelektronika - aprėpia mikrograndynų tyrimą, konstravimą, gamybą ir taikymą. Mikrograndynas- gaminys, kurio komponentai ir laidūs takeliai padaryti vienu technologinių procesų ciklu ir yra nedalomi. Komponento elektrinį režimą apibūdina prie komponento išvadų prijungti šaltiniai(nuolat kint įt). Jei nuolatinė rezimas vadinamas statiniu, parametrai laikui bėgant nesikeičia. Jei nors vienas parametras laikui bėgant keičiasi, dmaminis. Jei keičiasi labai lėtai, laikysime kvazistatiniu. Yra tipinis ir leistinas režimai. Tipinis-kuris atitinka komponento techninės dokumentaciją.. Leistinąji režimą apibūdina leistinieji parametrai: didžiausia leistinoji srovė, didžiausia leistinoji įtampa, didžiausia leistinoji tam tikro elektrodo arba viso komponento galia. 1.2. Elektroninių komponentų tipai, klasifikavimas Elektroniniai komponentai: elektrovakuuminiai ir puslaidininkiniai. Pgl fizikinius reiškinius elektrovakuuminiai komponentai: elektroniniai elektrovakuuminiai, srovę sąlygoja elektronai, ir joniniai elektrovalaiuminiai, kuriuose sąlygoja elektrinė iškrova dujose arba garuose. Puslaidininkiniai komponentai: diskretieji ir mikrograndynus.Pagal naudojamą medžiagą: germanio, silicio, galio arsenido ir kt. Pgl struktūrą pvz., PN sandūrų skaičių. Elektroniniai komp: pagal galią: mažos galios, vidutinės galios, galingi; pagal darbo dažnį: žemųjų dažnių, vidutinių dažnių, aukštų dažnių, mikrobangų. Puslaid diodai pagal paskirtį: lygintuvmiai, aukštadažniai. Tranzistoriai pagal veikimo principą: dvikrūviai ir lauko. Lauko tranz skirstomi į valdančiosios PN sandūros ir MDP arba MOP lauko tranzistorius. 2.1. ELektrinis laidumas Kietųjų kūnų elektrinis laidumas priklauso nuo krūvininkų skaičiaus.Elektronai atome juda tam tikromis tiksliai apibrėžtomis orbitomis. Išorinėse orbitose -valentiniais elektronais. Valentinių elektronų ryšys su branduoliu yra silpniausias, nes jie toliausiai nutolę nuo branduolio.Dėl vidinio arba išorinio poveikio tik valentiniai elektronai gali atsiskirti nuo atomo ir tapti laisvmsiais elektronais. Jie juda chaotiškai įvairiomis kryptimis ir skirtingais greičiais. Elektros srovė - tai kryptingas elektronų judėjimas. Jį sukelia sukurtas išorinis laukas, kadangi elektronui gali būti suteiktas tam tikras energijos kiekis, elektronas gali pereiti į kitą, tolimesnę skridimo trajektoriją. Grįždamas atgal, elektronas atiduoda. 2.2. Puslaidininkių ypatybės Puslaidmmkiai-elementai arba junginiai, kurių specifinės varžos reikšmės tarp laidininkų ir izoliatorių.Tai: (Ge),(Si),(B),(P), (As),Sb),(S),(Se),(Te),cheminiai junginiai: (GaAs),(InP). Tinkamumą komponentų gamybai lemia: medžiaga turi būti kietas kūnas, temperatūrų diapazone medžiaga turi turėti tam tikrą specifinę varžą. Naudojami išgryninti puslaidininkiai. Žemoje temperaturoje išgryninti puslaidininkiai ir dielektrikai turi mažai laisvųjų elektronų. Keliant temperatūrą, vis daugiau valentinių elektronų atsiskiria nuo atomo ir tampa laisvaisiais. Išgrynintų puslaidininkių laidumas didėja,varža mažėja.Tai galima vadinti neigiamu temperatūriniu koeficientu. 2.3. Puslaidininkio kristalinės gardelės struktūra Silicio atomo branduolys sudarytas iš teigiamų dalelių protonų ir neutralių dalelių neutronų. Todėl atomo branduolys turi teigiamą krūvį. Apie branduolį uždaromis trajektorijomis sukasi elektronai, kurie turi neigiamą krūvį. Pagal Mendelejevo lentelę silicis turi 14 elektronų trijose sluoksniuose.Išorinio sluoksnio elektronai - valentimais elektronais ir parodo valentingumą. Silicio valentingumas yra 4. Tokį pat valentingumą turi ir germanis. Silicio ir germanio kristalinės gardelės struktūra yra- tetraedrinė. Kristalas, kurio visi atomai susieti dviem valentiniais ryšiais-idealus kristalas. Jie gali būti sukurti tik taikant specialias technologįjas. Siliciui gaminti paprastai naudojamas silicio dioksidas randamas gamtoje. 2.4. Puslaidininkio energijos juostų diagrama Pagal kvantinės mechanikos dėsnius elektronas pasiekia tik tam tikrą energijos lygmenį, jis įgyja nustatytą energijos kvantą. Puslaidininkio elektronų sluoksnis gali egzistuoti tik valentinėje arba laidumo energijų srityje, tarp kurių yra draudžiamoji energijų sritis. Elektronų perejimas vyksta keičiant jų energiją. Mažiausią jonizacijos energiją pas valentinius elektronus. Jie lemia grynojo puslaidininkio laidumą.Elektronui išlaisvinti reikia suteikti nustatyto dydžio energiją. Laisvi elektronai turi didžiausią energijos lygmenį. Puslaidininkio energijos juostų diagrama gali būti pavaizduota žymint tris ypatingas juostas arba sritis. Valentmių elektronų energijų sritis-valentine juosta. Esant absoliutinio nulio temp elektronai būna valentinėje juostoje.Virš valentinės srities ir nutolusi per draudžiamosios juostos plotį, yra vadinama laidumo juosta. Draudžiamoji juosta, kurią elektronai turi peršokti, kad patektų į laidumo juostą, yra vienas iš svarbiausių medžiagos parametrų. Tam, kad elektronas patektų į laidumo juostą, jis turi gauti papildomos energijos, didesnė už draudžiamosios juostos energįją. Draudžiamosios juostos plotis nusako medžiagos elektrines savybes.Dielektrikai turi labai plačią draudžiamą juostą. 2.5. Grynieji puslaidininkiai irjų krūvininkai Grynieji-puslaidininkiai be priemaišų.Pagal energijų juostinį modelį absoliučiojo nulio temperatūroje visi valentmiai elektronai yra valentinėje juostoje. Visi valentinės juostos lygmenys užimti, laidumo juosta tuščia. Kylant temperatūrai,elektronai gali įgyti papildomos energijos. Kai valentinio elektrono energija didesnė už kovalentinio lyšio energiją, elektronas tampa laisvuoju elektronu - laidumo elektronu. Jis gali laisvai judėti erdvėje atomų. Ten, kur elektronas nutraukia kovalentinį lyšį, lieka vakansija ir teigiamas nesukompensuotas krūvis, valentinis ryšys neužpildytas. Tokia būsena vadinama skyle.Atomas, praradęs elektroną ir įgijęs skylę, tampa teigiamu jonu. Vakansiją, arba skylę, gali užimti gretimo atomo elektronas. Elektroną atidavęs atomas tampa teigiamu jonu. Toks valentinių elektronų judėjimas tolygus teigiamą krūvį turinčios vakansijos - teigiamos skylės judėjimui.Pagal juostinį modelį mažiausia energija, kurios reilda elektronui, kad jis išsilaisvintų iš valentinio ryšio ir taptų laisvuoju elektronu, lygi draudžiamosios juostos pločiui.Kuo ji siauresnė, tuo žemesnėje temperatūroje jame atsiranda laisvųjų laidumo elektronų. 2.6. Krūvininkų generacija ir rekombinacija Laisvųįų krūvininkų atsiradimas vadinamas laisvųjų kruvminkų generacija. Laisvųjų krūvinuikų generacijai sukelti reikalinga energija.Skiriami šie tipai: šiluminė generacija (energįja suteildama šildant), smūginė generacija (kristalui suteildama kinetmė energija), generacija lauku (panaudojama elektrinio lauko energija), šviesos generacija (panaudojama fotonų energija arba spinduliuojama šviesa). Generavimą visada lydi priešingas procesas -rekombinacija, t.y. laisvųjų knįvminkų grįžimas į susieties būseną. Juostinėje diagramoje tai atitinka laisvojo elektrono grįžimą iš laidumo juostos į valentinę juostą. Laisvasis elektronas užima vakansiją kovalentiniame ryšyje. Abu laisvieji krūvininkai išnyksta, išsiskiria energija. Rekombinacija: spinduliuojamoji ir nespinduliuojamoji.Rekombinacija gali vykti tarp juostų, kai elektronas iš laidumo juostos peršoka į valentmę juostą, ir per rekombinacijų centrus, kurių energijų lygmenys yra draudžiamojoje juostoje. 2,7 savasis laidumas Kai T>0 K, dėl šiluminės energijos elektronai pradeda judėti apie savo ramybės padėtį. Kristalinės gardelės mechaninės jėgos nebepajėgia išlaikyti elektronų. Jei kristalinei gardelei suteikta šiluminė energija yra didesnė už vidinę ryšio energiją, kai kurie elektronai nutraukia kovalentinį ryšį ir pasidaro laisvi. Išsilaisvinę elektronai chaotiškai juda puslaidininkio kristalinėse gardelėse, jų judesys neturi nustatytos krypties. Paveikus išoriniam laukui, puslaidininkyje laisvieji neigiamo krūvio elektronai keliauja prieš lauko linijų kryptį. Šalia elektronų judėjimo yra matomas teigiamo krūvio skylių judėjimas - skylės juda išormio pridėto lauko kryptmi. Elektronų judėjimas tam tikra apibrėžta kryptimi atitinka elektrinio krūvio pemešimą ir reiškia elektroninę srovę. Tačiau elektronų dreifo greitis yra gerokai mažesnis negu šiluminis greitis, nes elektronai visą laiką atsimuša į kristalinės gardelės mazgus ir yra jų stabdomi. Laisvieji elektronai taip pat gali būti įtraukti į kovalentinį ryšį. Kiekvienas elektronas, kuris persikelia iš valentinės juostos į laidumo juostą, valentmėje juostoje palieka skylę. Jei kristalui prijungiama įtampa, elektronai juda link anodo. Šalia skylių sužadinti elektronai gali peršokti į skylės vietą - tuo galima paaiškinti skylės judėjimą katodo link. Srovę puslaidininkyje galima užrašyti kaip elektronų ir skylių srovių sumą:i=in+ip krūvininkų tankiai:n=p=n,; čia n - laidumo elektronų tankis; p - skylių tankis; ni - grynojo puslaidininkio laisvųjų krūvminkų tankis. Vienodo skaičiaus laidumo elektronų ir skylių judėjimas puslaidininkyje yra vadinamas savuoju laidumu. Krūvininkų tankiai n ir p gali būti apskaičiuoti naudojant Fermio ir Dirako funkciją kuri parodo tikimybę užimti elektronui tam tikrą energijos lygmenį: čia Wy - Fermio lygmens energija; k - Bolcmano konstanta; T - absoliutinė temperatūra. Grynojo puslaidininkio laisvųjų krūvininkų tankis yra labai mažas ir priklauso nuo temperatūros: čia NL - laidumo juostos būsenų tankis; Nv -valentinės juostos būsenų tankis; /\W- draudžiamosios juostos plotis.Grynojo puslaidininkio savąjį laidumą galima padidinti stiprinant išorinį lauką arba kaitinant puslaidininkį. 2.8. Priemaišinis laidumas Dažniausiai naudojamos puslaidininkinės medžiagos, kuriose vyraųja vieni iš dviejų - elektronų arba skylių-krūvininkai. Tam į gryną puslaidininkinę medžiagą įvedama specialių priemaišų - puslaidininkis legimojamas. Priemaišiniai arba legiruotieji puslaidinmkiai gaunami įvairiais būdais: difuzijos, jonų implantavimo, epitaksijos ir t.t. Įterpiant į puslaidininkio kristalinę gardelę priemaišinių atomų, susidaro nauji energijų lygmenys, kurių kiekis priklauso nuo jų atomų stniktūros. Papildomi energijų lygmenys yra išsidėstę puslaidininkio draudžiamojoje juostoje. 2.9. N puslaidininkis Papildomi energijų lygmenys draudžiamojoje juostoje susiformuoja į keturvalenčio silicio kristalinę gardelę įterpus penkiavalentę medžiagą iš periodinės lentelės penktosios gmpės. Tai galėtų būti (P),(As),(Sb). Stibio atomas užima silicio atomo vietą ir su keturiais silicio atomais sudaro kovalentinius ryšius. Šitame darinyje penktasis stibio elektronas kovalentiniuose ryšiuose nedalyvauja. Jo ryšys su atomu silpnas. Įgijęs nedaug papildomos energijos, penktasis elektronas atitrūksta nuo priemaišos atomo ir tampa laidnmo elektronu. Teigiamas stibio jonas lieka kristalinėje gardelėje. Įterpiant į silicį stibio, puslaidininkyje atsiranda donorinių elektronų. Energįja, kuri reikalinga donoriniams elektronams išlaisvinti, yra kur kas mažiau negu puslaidiiunkio draudžiamosios juostos plotis. Donorinių priemaišų energijos lygmuo yra draudžiamojoje juostoje šalia laidumo juostos dugno. Donorinių elektronų išlaisvinimo energija yra gerokai mažesnė už savųjų puslaidminkio elektronų išlaisvinimo energiją. Puslaidininldai, kurių priemaišos yra penktosios grupės elementai, yra vadinami donoriniais arba N puslaidimnkiais. N puslaidininkyje elektronai yra pagrindmiai krūvminkai, skylės - šalutiniai krūvininkai.N puslaidininkio Femiio lygmuo priklauso nuo temperatūros ir priemaišų tankio. Absoliutinio nulio temperatūroje donomuo puslaidininkio Fenriio lygmuo yra tarp laidumo juostos dugno ir donorinio lygmens. Kylant temperatūrai, Fennio lygmuo leidžiasi žemyn. Aukštų temperatūrų srityje Fermio lygmuo yra draudžiamosios juostos viduryje. Didėjant priemaišų tankiui, Fermio lygmuo artėja link laidumo juostos dugno. Kai priemaišų tankis viršija 1018 cnT3, puslaidininkis išsigimsta. Išsigimusio donorinio puslaidininkio Fermio lygmuo yra laidumo juostoje. 2.10. P puslaidininkis Įterpus į silicio kristalinę gardelę trivalenčių priemaišų, pvz.,(B),Ga), gaunamas akceptorinis energijų lygmuo. Akceptoriaus atomas užima silicio atomo vietą ir sudaro kovalentmius ryšius tik su trimis gretimais silicio atomais. Pradeda trūkti vieno valentinio elektrono ir galima sakyti, kad toje vietoje yra skylė. Gretimas elektronas, būdamas valentinėje srityje, dėl kristalinės gardelės šiluminių virpesių gali palikti savo vietą ir užimti trūkstamą ryšį. Šitaip keliauja skylė valentinėje srityje ir kaip laisvas krūvminkas gali dalyvauti pemešant krūvį. Elektrinis laidumas čia susijęs pirmiausia su teigiamu krūviu - skylėmis, todėl čia kalbama apie P laidumą, akceptorinį arba P puslaidinmkį. P puslaidininkyje skylės yra pagrindmiai krūvininkai, elektronai - šalutiniai krūvininkai. 2.11. Pertekliniai krūvininkai Puslaidininkyje tuo pat metu vyksta du procesai: krūvininkų generacija ir rekombinacija. Esant tam tikrai temperatūrai, krūvininkų tankiai nekinta, nes generacijos ir rekombinacijos greičiai yra vienodi. Kintant temperatūrai, šiluminės generacijos ir rekombinacijos procesai spėja pasidaryti pusiausviri. Puslaidininkį gali veikti pasalinis išorinis poveikis, kuris apibrėžtame puslaidininkio tūryje sukels intensyvią laisvųjų krūvininkų arba perteklmių krūvinmkiį generaciją. Susidarant pertekliniams elektronams, išormio žadmimo energija perduodama valentiniams elektronams, kristalinės gardelės energija prakdškai nepakinta.Pertekliniai krūvininkai atsiranda yrant kovalentmiams ryšiams. Pertekliiuų elektronų ir skylių tankiai būna vienodi.Perteklmiai kruvininkai pakeis bendrą puslaidinmkio krūvininkų tankį Pasibaigus išoriniam poveikiui, prasidės pusiausvyros atgavimo procesas. Dėl perteklinių krūvinmkų rekombinacijos, jų tankis mažės pagal eksponentinį dėsnį: čia tau - perteklinių krūvminkų gyvavimo trukmė. Per trukmę tau perteklmių krūvininkų tankis sumažėja e karto.Jei analizuojamas priemaišinis N tipo puslaidininkis, tai elektronų tankis pasikeičia mažai, nes skylių tankis labai pasikeičia. Taigi puslaidininkio elektmuų savybių kitimą lemia šalutinių krūvininkų tankio kitimas. Todėl dydis t vadinamas salutinių_ krūvininki{ gyvavimo trukme. Nuo šalutinių krūvminkų gyvavimo tmkmės priklauso puslaidmmkinių komponentų veikimo sparta. Krūvininko gyvavimo trukme vadinamas statistmis laikas, kurį krūvininkas yra laisvos būsenos. Skylėms ir elektronams galima užrašyti: Gyvavimo trukmė sąlygojama tikimybės, kad krūvininkas sutiks priešingo ženklo krūvTnmką. Krūvminkų gyvavimo trukmė labai priklauso nuo rekombinacijos būdo. Rekombinacija gali būti: tarp juostų, per priemaišų energinius lygmenis, paviršinė.Tarpjuostinė rekombmacija vyksta, kai elektronas iš laidumo juostos peršoka į valentinę juostą. Jei puslaidinmkyje vyrautų tarpjuostmė rekombmacija, tai krūvininkų gyvavimo tmkmė būtų didelė. Puslaidininkyje vyraujanti rekombinacija yra priemaiSinė rekombinacija. Kai kurios priemaišos gali sudaryti energijos lygmenis arti draudžiamosios juostos vidurio. Tokių priemaišų atomai atheka rekombinacijos centrų vaidmenį. Rekombinacijos centrų reikšmė didelė: į gryną gennanį įterpus 1*10 % nikelio arba aukso atomų, krūvininkų gyvavimo trukmė sumažėja penldomis eilėmis. PavirSinė rekombmacija vyksta dėl kristalinės struktūros defektų puslaidminkio paviršiuje. Paviršinių būsenų energiniai lygmenys yra draudžiamojoje juostoje. 2.12. Krūvininkų dreifas Jei T>0 K ir puslaidminkyje sukurtas laukas E, tai atsiras kryptingas kruvininkų judėjimas. Elektronai judės priešinga lauko vektoriaus E kryptimi, skylės judės lauko jėgų kryptmi.Tvarkingas krūvminkų judėjimas, sukeltas elektrinio lauko, vadinamas krūvmmkų dreifu. Šis judėjimas sąlygoja krūvio pemešimą. Krūvminkų dreifo sukelta elektros srovė vadinama dreifo srove. Priklauso nuo elektrinio lauko stiprio E:vn(p)=mn(p)E Čia mn(p)-elektronų(skylių) judrumas. Kai elektrinio lauko stipris lygus vienetui, krūvinįnkų judrumo skaitinė reikšmė lygi dreifo greičio skaitinei reikšmei. Krūvininkų judrumas išreiškiamas fonnule m=qTaur/m*;čia Taur - krūvininko greičio relaksacijos trukmė; m* - efektinė krūvininko masė. Per trukmę Taur krūvininkų dreifo greitis sumažėja e karto. Puslaidininkių krūvminkų judrumas priklauso nuo priemaišų tankio ir temperatūros. Kylant temperatūrai, krūvininkų judrumas grynajame puslaidininkyje mažėja. Priemaišiniame puslaidininkyje, kylant temperatūrai, žemų temperatūrų srityje krūvinmkų judrumas didėja, o aukštų temperatūrų srityje - mažėja. Didėjant priemaišų tankiui, krūvminkų judrumas mažėja. Elektronų ir skylių judrumas nevienodas. Silicio elektronų judmmas beveik tris kartus didesnis už skylių judmmą. Puslaidininkio savitasis laidumas išreiškiamas formule Priemaišmio puslaidininkio savitąjį laidumą lemia pagrindinių krūvmmkų judrumas, tankis ir temperatūra. 2.13. Krūvininkų difuzija Krūvminkų difuzija - kryptingas krūvininkų judėjimas, sąlygojamas tankių skirtumo. Dėl šilummio judėjimo krūvininkai slenka iš srities, kur jų tankis didesnis, į mažesnio tankio sritį. Krūvminkų difuzįjos sukelta elektros srovė vadinama difiizijos srove. Elektronų difazijos srovės tankis proporcingas elektronų tankių gradientui: čia Dn - elektronų difuzijos koeficientas. Analogiškai užrašomas skylių difuzijos srovės tankis: čia Dp - skylių difuzįjos koeficientas. Formulėje minuso ženklas rašomas dėl to, kad skylių srovės tankio vektorius nukreiptas į priešingąpusę negu tankių gradientas. Elektronų ir skylių difiizijos koeficientai čia Dn - elektronųjudrumas; Dp – skylių judrumas.Difuzijos koeficientai lemia krūvininkų difuzijos nuotolį. Krūvininkų difuzijos nuotolis - tai vidutinis kelias, kurį krūvininkas nueina per kmvininko gyvavimo trukmę: cia Ln - elektronų difuzijos nuotolis; Taun - elektronų gyvavimo trukmė; Lp - skylių difazijos nuotolis; Taup - skylių gyvavimo trukmė. 2.14. PN sandūra Sudaroma sulietus P ir N legiruotas sritis. P srityje vyrauja teigiami krūvininkai - skylės, ir jos šioje srityje yra pagrindiniai krūvininkai. N srityje vyrauja neigiami krūvininkai - elektronai. Jeigu tokios dvi P ir N legiruotos sritys yra suliečiamos, tokia struktūra vadinama PN dariniu, o pereinamojo sluoksnio sritis tarp dviejų legiruotų sričių vadinama PN sandūra. PN sandura Būna staigios arba tolydžios, simetrmės arba nesimetrinės. Staigiojoje sandūroje priemaišų tankis kinta šuoliu, tolydžiojoje - palaipsniui. Simetrinės PN sandūros P srityje akceptorinių priemaišų tankis yra toks pat kaip donorinių priemaišų tankis N srityje. Nesimetrinėje PN sandūroje priemaišų tankiai skirtingi.Norint išsiaiškintį kokie procesai vyksta PN sandūroje, tikslinga nagrinėti tokią struktūrą nesant išorinės įtampos irją prijungus. 2.15. PN sandūra nesant išorinės įtampos Abiejose PN darinio pusėse koncentmojasi atitinkami kmvininkai. N srityje vyrauja laisvieji elektronai, P srityje - laisvosios skylės. Tarp priešingai legiruotų sričių susidaro tankių sldrtumas.Laisvieji krūvininkai siekia tą tankių skirtumą išlyginti. Laisvieji elektronai juda į P sritį. Ten susiduria su skylėmis ir vyksta krūvinmkų rekombinacija. Iš P srities laisvieji krūvininkai skylės keliauja į N sritį, ten susiduria su laisvaisiais kriivininkais elektronais ir su jais rekombinuoja. Elektronas, palikęs N sritį, pemeša į P sritį savo neigiama krūvį, o N srityje lieka nekompensuotas teigiamas jonas; ten, kur elektronas rekombinuoja iš neutralaus akceptorinio atomo, susidaro neigiamai įkrautas jonas. Erdvmių krūvių tankio pasiskirstymas parodytas. Dėl krūvininkų persikėlimo iš vienos srities į kitą ribinėje PN darinio srityje susiformuoja elektrmis laukas. Šis laukas tampa tuo stipresnis, kuo daugiau krūvininkų rekombinuoja. Šis susiformavęs laukas daro vis didesnį poveikį - vis labiau priešinasi tolesniam krūvminkų difundavimui - laukui vis stiprėjant, krūvininkams reikia didesnės energijos pereiti į priešingą PN darinio sritį. Nesant išormio poveikio, pvz., aukštesnės aplinkos temperatūros ar išorinės įtampos, šis procesas nusistovi. 2.8 pav. PN sandūra esant pusiausvyros būsenai: a - PN darinys, b - priemaišų tankio pasiskirstymas, c - erdvinis krflvio pasiskirstynias, d - elektrinio lauko pasiskirstymas Dėl krūvminkų tankio gradiento ir elektrinio lauko per PN sandūrą teka difuziniai ir dreifiniai krūvininkų srautai. Elektros srovę per PN sandūrą sudaro keturios dedamosios: skylinė difazinė srovė IpD, skylinė dreifinė srovė IpE, elektroninė difuzinė srovė InD ir elektroninė dreifinė srovė InE. Difuzmė ir dreifinė srovės kompensuoja viena kitą, todėl per PN sandūrą srovė neteka: Ribinėje PN darinio srityje susiformuoja erdvinio krūvio sritis: teigiamas erdvinis krūvis N srityje ir neigiamas erdvinis krūvis P srityje. Šios srities elektronai negali pereiti, todėl jokios rekombmacijos nėra. Dėl difuzijos susidaro įtampos barjeras. Dėl krūvio persiskirstymo susidaręs potencialų skirtumas vadinamas difuzine įtampa arba kontaktiniu (sandūriniu) potencialii skirtumu. Difuzinė įtampa gali būti apskaičiuojama pagal tokią išraišką: čia na - akceptormių priemaišų tankis; No - donorinių priemaišų tankis; ni - grynojo puslaidininkio priemaišų tankis. Pagal formulę difuzinė įtampa tarp P ir N sričių tuo didesnė, kuo didesni akceptorinių ir donorinių priemaišų tankiai. Iš dviejų skirtingų puslaidininkių, kurių priemaišų tankis vienodas, kontaktinis potencialų skirtumas didesnis to puslaidininkio, kurio draudžiamoji juosta platesnė. Kontaktmio potencialo susidarymą galima paaiškinti nagrinėjant energijos juostų diagramas. Pusiausvyros sąlygomis Fermio lygmuo yra vienodas visame puslaidininkio monokristale. Už PN sandūros ribų P srityje Fermio lygmuo yra žemiau draudžiamosios juostos vidurio, N srityje - virš draudžiamosios juostos vidurio. Pagal energijos juostų diagramą PN sandūroje energijos lygmenų Wv ir WL padėtis kinta ir susidaro potencialo barjeras. Potencialo barjero aukštis Wb išreiškiamas formule Wb = -qUd Tarp P ir N sričių susidaro mažesnio laisvųjų krūvininkų tankio sritis, vadinama erdvinio krūvio sritimi.Joje beveik nėra jokių laisvųjų krūvininkų, todėl ji vadinama užtvarimu sluoksniu. Šiame sluoksnyje yra sukauptas nekompensuotų jonizuotų priemaišų atomų krūvis. 2.16. PN sandūra prijungus atvirkštinę įtampą Atvirkštinę įtampą laikysime prijungtą tada, kai išorinė įtampa PN sandūroje sukurs išorinį elektrinį lauką E, kurio kryptis sutaps su vidinio elektrinio lauko Ev kryptimi. Sustiprėjęs PN sandūros laukas išstumia pagrindimus krūvininkus iš sandūros ir ją pastorina. Krūvininkų difuzija susilpnėja, sandūra teka silpna šalutinių krūvininkų srovė.Didėjant atvirkštinei įtampai, didėja potencialinio barjero aukštis, PN sandūrą įveikia vis mažiau pagrindinių krūvininkų, silpnėja per sandūrątekanti difuzinė srovė. Užtvarinis sluoksnis stabilizuojasi. Elektronas iš P srities ir skylė iš N srities gali be jokių sunkumų pereiti erdvinio krūvio sritį. Jų judėjimą skatma prijungta išorinė įtampa. Tai reiškia, kad dėl prijungtos išormės įtampos gali tekėti labai maža srovė. Šalutinių krūvminkų srovė didėja, keliant aplinkos temperatūrą. Pastovi atvirkštinė soties srovė teka PN dariniu tik iki tam tikros išonnės įtampos. Toliau didinant atvirkštinę įtampą, srovė staigiai padidėja. Tai paaiškinama tuo, kad padidėjęs lauko stipris per ploną užtvarinį sluoksnį gali išplėšti papildomus šalutinius krūvinmkus. Šalutiniai krūvininkai dėl labai didelio lauko stiprio yra labai įgreitinami. Turmtys didelę kinetinę energiją šalutiniai krūvininkai, susidurdami su kitais atomais, išlaisvina valentinėjejuostoje esančius elektronus. Tai vadinama smugine jonizacija. PN sandura PN darinys prijungas atvirkštinę įtampą PN darinio energijos juostų diagrama prijungns atvirkštinę įtampą. Didinant atvirkštinę įtampą PN sandūroje gerokai padidėja atvirkštinė srovė. Šis procesas vadinamas PN sandūros pramušimu. Pramušimo tipai: šiluminis, tunelinis ir griūtinis. Siluminis pramušimas atsiranda dėl to, kad šilumos, sąlygojamos pratekančios srovės ir prijungtos įtampos, sandūroje išsiskiria per daug ir sandūra nespėja jos išsklaidyti, Padidėjus PN sandūros temperatūrai, padidėja savasis priemaišų tankis, kuris sukelia dar didesnę srovę ir t.t. Tai įgauna griūtinį procesą ir sandūra gali būti visiškai sugadinta.Tunelinis pramušimas būdingas PN dariniams, turintiems labai didelį priemaišų tankį. Jei Fermio lygmuo yra laidumo juostoje arba valentinėje juostoje, tai barjeras yra gana plonas ir yra didelė tikimybė, kad elektronas iš P srities valentinės juostos pereis siaurą PN sandūrą ir pateks į N srities laidumo juostą. Šis procesas vadinamas tuneliniu efektu.Griūtinis pramušimas atsiranda PN dariniuose, kuriuose P ir N sritys yra mažai legiruotos, o prie PN darinio prijungta didelė atvirkštinė įtampa. Sukurtas elektrinis laukas yra pakankamas, kad nepagrindimai krūvminkai, įgreitinti PN sandūros lauko, įgauna tokią energiją, kurios užtenka puslaidininkio atomams jonizuoti. Skylės ir elektronai, savo kelyje pereidami platų užtvarinį sluoksnį, sufonnuoja naujas krūvininkų poras, kurios, atitinkamai įgreitintos stipraus lauko, fonnuoja naujas krūvininkų poras ir t.t. Dėl griūtinės jonizacijos susiformuoja krūvininkų griūtis, staigiai padidėja PN sandūros atvirkštinė srovė.Tunelinis ir griūtinis pramušimai priskiriami prie elektrinių pramušimų. Elektrinis pramušimas sandūros nesuardo ir yra pagrindinis kai kurių komponentų darbo režimas. Tačiau toliau didinant atvirkštinę įtampą, elektrinis pramušimas virsta šilummiu ir PN sandūra suardoma. 2.17. PN sandūra prijungus tiesioginę įtampą Kai išorinė įtampa PN sandūroje sukuria išorinį elektrinį lauką E, kurio kryptis yra priešinga vidinio elektrinio lauko Ev krypčiai, tokią įtampą laikysime tiesiogine įtampa.Išorinis laukas stumia pagrindinius kmvininkus PN sandūros link, todėl ji suplonėja, sustiprėja difuzijos srovė. Tiesioginė srovė yra pagrindinių krūvininkų srovė ir jos dydis priklauso nuo prijungtos tiesioginės įtampos.Tiesioginė įtampa sumažina PN sandūros potencialo barįero aukštį. PN darinys prijungus tiesioginę įtampą PN darinio energijos juostų diagrama prijungus tiesioginę įtampą 2.18. PN darinio teorinė voltamperinė charakteristika Grafiškai pavaizduota PN darinio srovės priklausomybė nuo prijungtos įtampos vadinama voltamperine charakteristika. PN darinio teorinei charakteristikai gauti, nustatomos šios sąlygos: nuskurdintame sluoksnyje nevyksta nei generacija, nei rekombinacija; krūvininkai pereina nuskurdintą sluoksnį akimirksniu; elektrinis laukas yra tik nuskurdintame sluoksnyje; P ir N sričių varža yra labai maža, palyginti su nuskurdinto sluoksnio varža; PN sandūra plokščia, krūvininkai juda tik sandūrai statmena kryptimi. Tada gaunama tokia PN darinio srovės išraiška: kur čia Is - sandūros atvirkštinė soties srovė; u - PN darimo įtampa; S- sandūros plotas; L - krūvininkų difuzijos nuotolis; tau - krūvininkų gyvavimo trukmė; N- priemaišų tankis; D - difuzijos koeficientas.PN darinio voltamperinės charakteristikos išraiška rodo, kad srovė tiesiogine kryptimi eksponentiškai kinta priklausomai nuo prijungtos įtampos. Srovė ima staigiai didėti viršijus slenkstinę įtampą. Tiesiogine kryptimi įjungtu PN dariniu pradeda tekėti srovė, kai prijungta išorinė įtampa viršija vidinį kontaktinį potencialų skirtumą. Jis priklauso ne tik nuo priemaišų tankio, bet ir nuo draudžiamosios juostos pločio. PN darinio teorinė voltamperinė charakteristika Atvirkštme kryptimi PN dariniu teka labai silpna atvirkštine soties srovė, kuri praktiškai nepriklauso nuo prijungtos atvirkštinės įtampos. Atvirkštinė soties srovė labai priklauso nuo puslaidminkio draudžiamosios juostos pločio, aplinkos temperatūros, priemaišų tankių P ir N srityse. Kuo platesnė puslaidminkio draudžiamoji juosta, tuo silpnesnė atvirkštinė soties srovė. Kylant temperatūrai, atvirkštinė soties srovė stiprėja. Kuo didesnis priemaisų tankis P ir N srityse, tuo mažesnis šalutinių krūvininkų tankis ir silpnesnė atvirkštinė srovė. PN darinio tiesioginė srovė gali būti daug kartų stipresnė už atvirkštinę srovę, todėl galima sakyti, kad PN darinys srovę praleidžia tik viena kryptimi. 2.19. Realiojo PN darinio voltamperinė charakteristika Kai prie PN darinio prijungta maža tiesioginė įtampa, elektronai iš N srities patenka į nuskurdintą sluoksnį ir rekombinuoja su skylėmis. Dėl šios priežasties atsiranda papildoma rekombinacijos srovė, kuri padidina PN darinio tiesioginę srovę. Kai PN darinį veikia didesnė tiesioginė įtampa, sandūros potencialo barjeras sumažėja ir srovę lemia tik krūvminkų injekcija per sumažėjusį potencialo barjerą.Išorinė PN darinio įtampa pasiskirsto taip: dalis įtampos krinta nuskurdintajame sluoksnyje -PN sandūroje, dalis - sandūros neužimtame puslaidininkyje. Jei PN darinys nesimetrinis, būtina įvertinti įtampos kritimą silpniau legiruotoje puslaidininkio srityje - bazėje. Dėl įtampos kritimo bazės varžoje rb PN darinio voltamperinė charakteristika arba Dėl įtampos kritimo bazės varžoje gaunama lėkštesnė tiesioginės voltamperinės charakteristikos šaka.Prie PN darmio prijungus atvirkštinę įtampą nuskurdintame sluoksnyje pasireiskia krūvininkų šiluminė generacija, kurios metu elektronai juda į N puslaidininkio pusę, skylės - į P puslaidininkio pusę. Taip atsiranda papildoma krūvininkų generacijos srovė, kurios dydis priklauso nuo nuskurdinto sluoksnio tūrio. Didėjant atvirkštinei įtampai, nuskurdinto sluoksnio tūris didėja, todėl generacijos srovė stiprėja. Atvirkštine kryptimi įjungtame PN darinyje puslaidininkio tūryje ir paviršiuje dėl kristalo defektų, paviršinių krūvių, nešvarumų, kanalų ir plėvelės puslaidimnkio paviršiųje susidaro nuotėkio srovė. Kai atvirkštinė įtampa gana aukšta, atvirkštinė srovė sustiprėja dėl PN sandūros pramušimo. PN sandūros pramušimas gali būti elektrinis (tunelinis ar griūtinis) arba šiluminis. 2.20. PN sandūros varžos PN sandūrą nusako dvi varžos: diferencialinė varža ir statinė varža. Jei PN sandūros voltamperinė charakteristika tai sandūros diferencialinė varža apskaičiuojama išdiferencijavus lygtį kai tiesioginė įtampa didesnė už slenkstinę įtampą.PN sandūros statinė varža 2.21. PN sandūros talpos barjerme talpa ir difuzine lalpa. PN darinyje tarp P ir N sričių susiformuoja didelės varžos sritis, todėl PN darinys gali būti nagrinėjamas kaip plokščiasis kondensatorius, kurio elektrodai yra P ir N sritys, dielektrikas -miskurdęs sluoksnis ir kurio talpa čia S - PN sandūros plotas; d - sandūros storis; Eo - elektrinė konstanta; Er -santykinė dielektmi skvarba. Staigiosios PN sandūros storis: čia Ud - difuzinė įtampa (kontaktinis potencialų skirtumas); Uy. - atvirkštmė PN sandūros įtampa; na - akceptorinių priemaišų tankis; No - donorinių priemaišų tankis. Tada PN sandūros barjerinė talpa: Jei PN sandūra simetrinė, tai NA = ND = N. Tada barjerinė talpa Kuo didesnis priemaišų tankis, tuo PN sandūra plonesnė ir jos barjerinė talpa didesnė. Didėjant atvirkštinei įtampai, PN sandūra plečiasi irjos barjerinė talpa mažėja. Priklausomybė C=f(UR) vadinama PN sandūros voltfaradine charakteristika. Taigi staigiųjų PN sandūrų barjerinė talpa atvirkščiai proporcinga atvirkštinei įtampai: Tolydžiųjų PN sandūrų atveju barjerinės talpos ir atvirkštinės įtampos ryšys nusakomas tokia priklausomybe: Prijungus prie PN sandūros tiesioginę įtampą, vyksta nepagrindinių krūvinmkų injekcija, pertekliniai krūvininkai sukuria erdvinius krūvius. Tiesioginės įtampos pasikeitimas /\u sukelia krūvio pasikeitimą /\Q: čia i - PN sandūros difuzinė srovė; Is - sandūros atvirkštinė soties srovė; Tau-krūvininkų gyvavimo trukmė. Taigi PN sandūros difuzinė talpa Taigi PN sandūros difuzinė talpa proporcinga per sandūrą tekančiai difuzinei srovei ir krūvininkų gyvavimo trukmei. Kai prie PN sandūros prijungta atvirkštmė įtampa, difuzinė srovė neteka ir sandūros difuzinė talpa lygi nuliui, sandūros talpą lemia tik barjerinė talpa. Kai sandūrą veikia tiesioginė įtampa, vyrauja difuzinė talpa. 2.22. Sandūrų atmainos Šalia įprastinės PN sandūros dažnai naudojamos sandūros tarp to paties laidumo tik nevienodai legiruotų puslaidininkių: N+N - elektroninė elektroninė sandūra, P+P - skylinė skylinė sandūra.Elektroninė metalo ir puslaidininkio sandūra sudaroma fonnuojant ploną metalo plėvelę ant puslaidininkio paviršiaus. Metalo ir puslaidininkio darinyje susidaręs užtvarmis sluoksnis pasižymi ventilio savybėmis. Metalo, dielektriko ir puslaidininkio sandūrose tarp metalo ir puslaidininkio suformuojamas plonas dielektriko sluoksnis.Įvairialytėmis arba heterogeninėmis sandūromis vadinamos sandūros tarp dviejų skirtmgų puslaidininkių (puslaidininkių su skirtingo pločio draudžiamąįa energijos juosta). Įvairialytę sandūrą galima sudaryti ant vieno puslaidininkio užauginus kito puslaidininkio monokristalinį sluoksnį, pratęsiantį pirmojo puslaidininkio kristalinę gardelę. III. DIODAI Diodai-puslaidininkmiai komponentai, turintys viena PN sandūrą ir du išvadus. Puslaidminkinis diodas sudarytas iš puslaidininkinio kristalo, kuris vienoje pusėje N legiruotas, kitoje pusėje P legimotas. Jis paprastai būna korpuse, kuris dažniausiai panaudojamas aušinimui.Kontaktas prie P sluoksnio vadinamas anodu, kontaktas prie N sluoksnio - katodu. Tyrinėjant diodą, galima pastebėti, kad tiesiogine kryptimi įjungtas diodas praleidžia srovę, kai prijungta įtampa viršija tam tikrą slenkstinę įtampą. Įjungus diodą atvirkštine kryptimi, diodas nebūna visiškai nelaidus - teka atvirkstinė soties srovė. Jei atvirkštine kryptimi bus prijungta pakankamai didelė įtampa, diodu pradės tekėti didelė srovė. Ši įtampa, kitaip vadinama pramušimo įtampa, neturėtų būti viršijama, nes tai gadina diodą. Įvairių diodų grafiniai schemų ženklai: diodo (a), stabilitrono (b), simetrinio stabilitrono (c), varikapo (d), Šotkio diodo (e), fotodiodo (f), šviesos diodo (g), tunelinio diodo (h), atvirkštinio diodo (i) 3.1. Diodo voltamperinės charakteristikos Diodui apibūdinti svarbi yra diodu tekančios srovės priklausomybė nuo prijungtos įtampos -diodo voltamperinė charakteristika. Diodo voltamperinė charakteristika Iš voltamperinių charakteristikų nustatoma diodo slenkstinė įtampa. Diodo voltamperinė charakteristika yra netiesinė. Todėl norint apskaičiuoti diodo varžą nuolatinei srovei, reikia bent apytiksliai žinoti diodo darbo režimą, diodo darbo tašką. Diodo varža nuolatinei srovei apskaičiuojama pagal išraiška: čia Uo ir Io - diodo įtampa ir srovė darbo taške. Praktiškai diodai naudojami grandinėse, kuriose įtampa, o kartu ir srovė keičiasi. Šiuo atveju tikslinga skaičiuoti diferencialinę varžą rd Šitaip galima apskaičiuoti diferencialinę varžą bet kurioje netiesinės diodo voltamperinės charakteristikos srityje. 3.2. Diodo atvirkštinio jungimo voltamperinės charakteristikos Diodo atvirkštinio jungimo voltamperinė charakteristika braižoma trečiajame koordinačių sistemos ketvirtyje. Įtampa žymima UR, srovė Ir. Paprastai naudojamas kitas srovės ir įtampos mastelis, negu buvo naudotas braižant voltamperinę charakteristiką tiesioginio diodo jungimo atveju. Charakteristikų pobūdis jau buvo aptartas: diodu teka silpna šalutinių krūvininkų srovė, kol diodo PN sandūra nepramušama. Toliau didinant įtampą, atvirkštme kryptimi įjungto diodo srovė pradeda staigiai didėti - diodas pramušamas. 3.3. Germanio ir silicio diodų charakteristikos tiesiogine kryptimi įjungtu diodu pradeda tekėti srovė, kai prijungta išorinė įtampa viršija vidinį kontaktinį potencialų skirtumą. Šis priklauso nuo draudžiamosios juostos pločio: germanio draudžiamoji juosta siauresnė už silicio draudžiamąją juostą. Tolesnė voltamperinių charakteristikų eiga rodo lėkštesnę germanio charakteristikų eigą. Germanio diodų diferencialinė varža yra gerokai didesnė negu silicio diodų. Diodų voltamperinės charakteristikos: 1 - ideali silicio, 2 - reali silicio, 3 - reali germanio Germanio diodų atvirkštinė charakteristika nėra tokia staigi, pereinant diodui į pramušimo sritį. Tą sąlygoja mažesnė germanio atomų valentinių elektronų ryšio energįja. Didinant atvirkštinę įtampą, gennanio diodo srovė nuolat didėja. Viršijus tam tikrą atvirkštinės pramušimo įtampos reikšmę, galima pasiekd šiluminį pramušimą. Dėl tekancios srovės diodo kristalas įkais ir PN sandūra gali būti sugadinta. 3.4. Diodo matematinis modelis ir atstojamoji grandinė diodų modeliai: statinis, dinaminis, silpnųjų signalų ir stipriųjų signalų. Puslaidmmkiniu diodu tekančią srovę sudaro elektroninė ir skylinė srovės:I=In+Ip Elektroninės srovės stipris išreiškiamas lygtimi da q - elektrono krūvis; S - sandūros plotas; np - elektronų tankis P srityje; Dn -elektronų difuzijos koeficientas; Ln - elektronų difuzijos nuotolis; u - diodo įtampą; k - Bolcmano konstanta; T- Kelvino temperatūra. Elektronų difuziįos nuotolis čia r-laisvųjų krūvimnkų gyvavimo trukmė. Analogiškai išreiškiamas skylių srovės stipris: čia pn - skylių tankis N srityje; Z)p - skylių difuzijos koeficientas; Ln - skylių difuzijos nuotolis. Sudėjus elektronų ir skylių sroves, gaunama bendroji diodu tekanti srovė: čia Is - atvirkštinė soties srovė. Įvertinus tai, kad diodo atvirkštinė soties srovė gali būti išreikšta tokia lygtimi: čia ni - savasis laisvųjų elektronų tankis; NA - akceptorinių priemaišų tankis; ND - donorinių priemaišųtankis. Bendmoju atveju diodo voltamperinė charakteristika išreiškiama fankcija Dydis vadinamas šiluminiu potencialu. Atvirkštinė soties srovė gali būti randama iš voltamperinės charakteristikos diagramos, nubraižius ją pusiau logaritminiu masteliu.Realaus diodo atstojamojoje schemoje turi būti įvertintos dvi varžos: nuoseklioji tūrmė varža Rs ir nuotėkio varža Rn. Diodu tekant silpnoms srovėms, Rs gali būti nepaisoma, tačiau tekant didesnėnis srovėms ir norint padidinti modeliavimo tikslumą, modelio atstojaniąją schemą būtinai reikia papildyti komponentu Rs. Puslaidininkyie susikaupę krūviai sukelia įtampos vėlavimą pratekančios srovės atžvilgm. Šiam reiškiniui įvertinti diodo modelis papildomas talpomis, kurių dydis priklauso nuo diodo darbo taško. Barjerinė talpa priklauso nuo diodo įtampos. Voltfaradinės charakteristikos - barjerinės talpos priklausomybės nuo diodo įtampos - pobūdis priklauso nuo priemaišų tankio netolygumo PN dannyje ir išreiškiamas sudėtingomis funkcijomis. Dažniausiai naudojama voltfaradinės charakteristikos aproksimacija: čia Cbo - sandūros barjerinė talpa, kai įtampa nulinė; u - diodo įtampa; M - sandūros tolydumo koeficientas; Ud - kontaktmis potencialų skirtumas. Kontaktinis potencialų skirtumas priklauso nuo puslaidininkio medžiagos Puslaidininkinio diodo atstojamoji schema: A - diodo anodo išvadas; K - diodo katodo išvadas Difuzinė talpa atspindi šalutinių laisvųjų krūvininkų sankaupą: čia r-krūvininkų gyvavimo trukmė; gd - diferencialinis diodo laidumas.Difuzinės talpos išraiška galioja teigiamosioms diodo įtampoms. Kai Ud

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!