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Halbleiterdiode wird als Zwei-Elektroden-Gerät mit einseitiger Leitfähigkeit bezeichnet. Sein Design basiert auf dem Gleichgewicht R-NÜbergang. Je nach Art der Übergangsformation werden Dioden in Punkt- und Planardioden unterteilt.

Halbleitertrioden haben eine breite Anwendung zur Umwandlung, Verstärkung und Erzeugung elektrischer Schwingungen gefunden – Transistoren. Damit der Transistor funktioniert, sind zwei Elektron-Loch-Übergänge erforderlich; als Halbleiter wird häufig Germanium verwendet.

In Transistoren mit n-p-nÜbergang, Halbleiter R-Typ zwischen Halbleitern gelegen N-Typ, Das Gerät eines planaren Bipolartransistors ist in Abbildung 2.7 dargestellt.

Reis. 2.7. Das Funktionsprinzip des Transistors und das Bild der Transistoren in den Diagrammen.

In diesem Transistor n-p-n Typ gibt es einen mittleren Bereich mit Lochleitfähigkeit und zwei extreme Bereiche mit elektronischer Leitfähigkeit. Der mittlere Bereich des Transistors heißt – Base, ein extremer Bereich ist Emitter , ein anderer - Kollektor. Somit hat der Transistor zwei n-pÜbergang: Emitter zwischen Emitter und Basis Kollektor zwischen Sockel und Kollektor. Der Abstand zwischen ihnen sollte sehr gering sein, nicht mehr als ein paar Mikrometer, d.h. Die Grundfläche sollte sehr dünn sein. Dies ist eine Voraussetzung für eine gute Transistorleistung. Darüber hinaus ist die Konzentration an Verunreinigungen im Sockel immer deutlich geringer als im Kollektor und Emitter. Auf den schematischen Bildern von Transistoren zeigt der Pfeil die Richtung des Stroms (bedingt, von Plus nach Minus) im Emitterdraht bei einer Durchlassspannung am Emitterübergang.

Betrachten Sie den Betrieb des Transistors im Leerlaufmodus, wenn nur Quellen konstanter Versorgungsspannungen E 1 und E 2 eingeschaltet sind (Abb. 2.8).

Ihre Polarität ist so, dass die Spannung am Emitterübergang direkt und am Kollektorübergang umgekehrt ist. Daher ist der Widerstand des Emitterübergangs gering und um an diesem Übergang einen normalen Strom zu erhalten, reicht eine Spannung E 1 von Zehntel Volt aus. Der Widerstand des Kollektorübergangs ist hoch und die Spannung E 2 beträgt normalerweise eins oder mehrere zehn Volt.

Reis. 2.8. Die Bewegung von Elektronen und Löchern in einem NPN-Transistor.

Das Funktionsprinzip des Transistors besteht darin, dass die Gleichspannung des Emitterübergangs, also der Basis-Emitter-Strecke, den Kollektorstrom maßgeblich beeinflusst: Je höher diese Spannung, desto größer sind die Emitter- und Kollektorströme. In diesem Fall sind die Änderungen des Kollektorstroms nur geringfügig geringer als die Änderungen des Emitterstroms. Somit ist die Spannung zwischen Basis und Emitter E 1, d.h. Eingangsspannung, steuert den Kollektorstrom. Die Verstärkung elektrischer Schwingungen mit Hilfe eines Transistors basiert genau auf diesem Phänomen.

Physikalische Prozesse im Transistor laufen wie folgt ab. Mit zunehmender Eingangsgleichspannung E 1 sinkt die Potentialbarriere im Emitterübergang und dementsprechend steigt der Strom durch diesen Übergang – der Emitterstrom ichäh. Die Elektronen dieses Stroms werden vom Emitter in die Basis injiziert und dringen aufgrund der Diffusion durch die Basis in den Kollektorübergang ein, wodurch der Kollektorstrom erhöht wird. Da der Kollektorübergang mit einer Sperrspannung betrieben wird, treten an diesem Übergang Raumladungen auf, die in der Abbildung durch Kreise mit den Zeichen „+“ und „-“ dargestellt sind. Zwischen ihnen herrscht ein elektrisches Feld. Es fördert den Vormarsch (die Extraktion) von Elektronen, die vom Emitter hierher gekommen sind, durch den Kollektorübergang, d. h. zieht Elektronen in den Kollektorübergangsbereich.

Wenn die Dicke der Basis ausreichend klein und die Konzentration der Löcher darin niedrig ist, haben die meisten Elektronen, die die Basis passiert haben, keine Zeit, sich mit den Löchern der Basis zu rekombinieren und den Kollektorübergang zu erreichen. Nur ein kleiner Teil der Elektronen rekombiniert mit Löchern in der Basis. Durch die Rekombination fließt im Basisdraht ein Basisstrom. Tatsächlich sollte im eingeschwungenen Zustand die Anzahl der Löcher in der Basis unverändert bleiben. Durch die Rekombination verschwinden jede Sekunde einige Löcher, aber es entstehen genauso viele neue Löcher, weil genauso viele Elektronen die Basis in Richtung des Pols der Quelle E 1 verlassen. Mit anderen Worten: Es können sich nicht viele Elektronen in der Basis ansammeln.

Wenn die Basis eine beträchtliche Dicke hätte und die Konzentration der Löcher darin hoch wäre, würden die meisten Elektronen des Emitterstroms, die durch die Basis diffundieren, mit den Löchern rekombinieren und den Kollektorübergang nicht erreichen.

Unter Einwirkung der Eingangsspannung entsteht ein erheblicher Emitterstrom, von der Emitterseite werden Elektronen in den Basisbereich injiziert, die Minoritätsträger für diesen Bereich sind. Da sie während der Diffusion durch die Basis keine Zeit haben, sich mit den Löchern zu rekombinieren, erreichen sie den Kollektorübergang. Je größer der Emitterstrom ist, desto mehr Elektronen gelangen zum Kollektorübergang und desto geringer wird sein Widerstand. Dementsprechend steigt der Kollektorstrom. Mit anderen Worten, mit einem Anstieg des Emitterstroms in der Basis nimmt die Konzentration der vom Emitter injizierten Minoritätsträger zu, und je mehr diese Träger vorhanden sind, desto größer ist der Kollektorübergangsstrom, d. h. Kollektorstrom ich .

Es ist zu beachten, dass Emitter und Kollektor vertauscht werden können (der sogenannte Inversmodus). Bei Transistoren ist der Kollektorübergang jedoch in der Regel mit einer viel größeren Fläche ausgeführt als der Emitterübergang, da die Verlustleistung im Kollektorübergang viel größer ist als die Verlustleistung im Emitter. Wenn Sie also den Emitter als Kollektor verwenden, funktioniert der Transistor, aber er kann nur mit einer viel geringeren Leistung verwendet werden, was unpraktisch ist. Wenn die Verbindungsbereiche gleich gemacht sind (in diesem Fall werden Transistoren genannt). symmetrisch), dann kann jeder der Extrembereiche gleichermaßen als Emitter oder Kollektor fungieren.

Wir haben die physikalischen Phänomene im NPN-Transistor betrachtet. Ähnliche Prozesse finden in einem pnp-Transistor statt, aber darin ändern sich die Rollen von Elektronen und Löchern und sie ändern sich auch, um Spannungspolaritäten und Stromrichtungen umzukehren.

Die drei häufigsten Methoden zum Einschalten von Transistoren sind:

- gemeinsame Basisschaltung wenn der Emitter-Eingang und der Kollektor-Ausgang

verbunden mit einer gemeinsamen Basis;

- in einer gemeinsamen Emitterschaltung Kollektorausgangskreis

wird mit dem Emitter statt mit der Basis verbunden;

- gemeinsamer Kollektorkreis, auch Emitter-Repeater genannt.

Abschluss: 1. Das Vorhandensein von Verunreinigungen in Halbleitern führt zu einer Verletzung der Gleichheit zwischen der Anzahl der Löcher und Elektronen und der elektrische Strom wird hauptsächlich durch Ladungen mit demselben Vorzeichen erzeugt, je nachdem, was im Halbleiter vorherrscht.

2. Das Design jedes Halbleiterbauelements basiert auf dem Gleichgewicht R-NÜbergänge.

Vorbereitet

Ein Schüler der 10. Klasse „A“.

Schule Nr. 610

Ivchin Alexey

Zusammenfassung zum Thema:

„Halbleiterdioden und Transistoren, Anwendungsgebiete“

1. Halbleiter: Theorie und Eigenschaften
2. Grundlegende Halbleiterbauelemente (Struktur und Anwendung)
3. Arten von Halbleiterbauelementen
4. Produktion
5. Geltungsbereich

1. Halbleiter: Theorie und Eigenschaften

Zunächst müssen Sie sich mit dem Leitungsmechanismus in Halbleitern vertraut machen. Und dafür muss man die Natur der Bindungen verstehen, die die Atome eines Halbleiterkristalls nebeneinander halten. Betrachten Sie zum Beispiel einen Siliziumkristall.

Silizium ist ein vierwertiges Element. Das bedeutet im Äußeren

Die Hülle eines Atoms hat vier Elektronen, die relativ schwach an den Kern gebunden sind. Die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Siliziumatoms beträgt ebenfalls vier. Die Wechselwirkung eines Paares benachbarter Atome erfolgt über eine paonoelektronische Bindung, eine sogenannte kovalente Bindung. An der Bildung dieser Bindung ist von jedem Atom aus ein Valenzelektron beteiligt, das von den Atomen abgespalten (vom Kristall kollektiviert) wird und sich während seiner Bewegung die meiste Zeit im Raum zwischen benachbarten Atomen aufhält. Ihre negative Ladung hält die positiven Siliziumionen nahe beieinander. Jedes Atom bildet vier Bindungen mit seinen Nachbarn, und jedes Valenzelektron kann sich entlang einer davon bewegen. Sobald es das benachbarte Atom erreicht hat, kann es zum nächsten und dann weiter entlang des gesamten Kristalls wandern.
Valenzelektronen gehören zum gesamten Kristall. Die Paar-Elektronen-Bindungen von Silizium sind recht stark und brechen bei niedrigen Temperaturen nicht. Daher leitet Silizium bei niedrigen Temperaturen keinen Strom. Die an der Bindung von Atomen beteiligten Valenzelektronen sind fest mit dem Kristallgitter verbunden und das äußere elektrische Feld hat keinen merklichen Einfluss auf ihre Bewegung.

elektronische Leitfähigkeit.
Beim Erhitzen von Silizium erhöht sich die kinetische Energie der Partikel und einzelne Bindungen lösen sich auf. Manche Elektronen verlassen ihre Umlaufbahnen und werden frei, wie Elektronen in einem Metall. In einem elektrischen Feld bewegen sie sich zwischen Gitterplätzen und bilden dabei einen elektrischen Strom.
Die Leitfähigkeit von Halbleitern aufgrund der Anwesenheit freier Elektronen in Metallen wird elektronische Leitfähigkeit genannt. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der gebrochenen Bindungen und damit die Zahl der freien Elektronen zu. Bei Erwärmung von 300 auf 700 K erhöht sich die Zahl der freien Ladungsträger von 10–17 auf 10–24 1/m V3. Dies führt zu einer Verringerung des Widerstands.

Lochleitung.

Beim Aufbrechen der Bindung entsteht eine Lücke mit dem fehlenden Elektron.
Es heißt Loch. Das Loch weist im Vergleich zu den übrigen normalen Bindungen eine überschüssige positive Ladung auf. Die Position des Lochs im Kristall ist nicht festgelegt. Der folgende Prozess läuft kontinuierlich ab. Eines der Elektronen, die für die Bindung zwischen den Atomen sorgen, springt an die Stelle der gebildeten Löcher und stellt hier die Paar-Elektronen-Bindung wieder her. und dort, wo das Elektron herausgesprungen ist, entsteht ein neues Loch. Somit kann sich das Loch durch den Kristall bewegen.
Wenn die elektrische Feldstärke in der Probe Null ist, erfolgt die Bewegung der Löcher, die der Bewegung positiver Ladungen entspricht, zufällig und erzeugt daher keinen elektrischen Strom. In Gegenwart eines elektrischen Feldes kommt es zu einer geordneten Bewegung der Löcher, und somit wird dem elektrischen Strom der freien Elektronen ein mit der Bewegung der Löcher verbundener elektrischer Strom hinzugefügt. Die Bewegungsrichtung von Löchern ist der Bewegungsrichtung von Elektronen entgegengesetzt.
In Halbleitern gibt es also zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher. Daher besitzen Halbleiter nicht nur elektronische, sondern auch Lochleitfähigkeit. Die Leitfähigkeit unter diesen Bedingungen wird als intrinsische Leitfähigkeit von Halbleitern bezeichnet. Die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern ist normalerweise gering, da die Anzahl der freien Elektronen gering ist, beispielsweise in Germanium bei Raumtemperatur ne = 3 x 10 in 23 cm in -3. Gleichzeitig beträgt die Anzahl der Germaniumatome in 1 Kubikzentimeter etwa 10–23. Somit beträgt die Zahl der freien Elektronen etwa ein Zehnmilliardstel der Gesamtzahl der Atome.

Ein wesentliches Merkmal von Halbleitern besteht darin, dass bei Anwesenheit von Verunreinigungen neben ihrer eigenen Leitfähigkeit eine weitere entsteht – die Verunreinigungsleitfähigkeit. Durch Ändern der Verunreinigungskonzentration kann die Anzahl der Ladungsträger des einen oder anderen Vorzeichens erheblich geändert werden. Dies ermöglicht die Herstellung von Halbleitern mit einer vorherrschenden Konzentration entweder negativ oder positiv geladener Ladungsträger. Diese Eigenschaft von Halbleitern eröffnet vielfältige Möglichkeiten für praktische Anwendungen.

Spenderverunreinigungen.
Es zeigt sich, dass in Gegenwart von Verunreinigungen, etwa Arsenatomen, bereits bei sehr geringen Konzentrationen die Zahl der freien Elektronen um ein Vielfaches ansteigt. Dies geschieht aus folgendem Grund. Arsenatome haben fünf Valenzelektronen, von denen vier an der Bildung einer kovalenten Bindung eines bestimmten Atoms mit den umgebenden Elektronen beteiligt sind, beispielsweise mit Siliziumatomen. Das fünfte Valenzelektron ist schwach an das Atom gebunden. Es verlässt leicht das Arsenatom und wird frei. Die Konzentration freier Elektronen steigt deutlich an und wird tausendmal größer als die Konzentration freier Elektronen in einem reinen Halbleiter. Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben, werden Donor-Verunreinigungen genannt, und solche Halbleiter sind Halbleiter vom n-Typ. In einem Halbleiter vom n-Typ sind Elektronen die Hauptladungsträger und Löcher die Nebenladungsträger.

Akzeptorverunreinigungen.
Wenn Indium, dessen Atome dreiwertig sind, als Verunreinigung verwendet wird, ändert sich die Art der Leitfähigkeit des Halbleiters. Für die Bildung normaler Paar-Elektronen-Bindungen mit Nachbarn fehlt dem Indiumatom nun ein Elektron. Dadurch entsteht ein Loch. Die Anzahl der Löcher in einem Kristall entspricht der Anzahl der Verunreinigungsatome. Solche Verunreinigungen werden Akzeptor-Verunreinigungen (Akzeptor-Verunreinigungen) genannt. Bei Vorhandensein eines elektrischen Feldes bewegen sich die Löcher entlang des Feldes und es kommt zur Lochleitung. Halbleiter, bei denen die Lochleitung gegenüber der Elektronenleitung überwiegt, werden als p-Typ-Halbleiter bezeichnet (vom Wort positiv – positiv).

2. Grundlegende Halbleiterbauelemente (Struktur und Anwendung)
Es gibt zwei Haupthalbleiterbauelemente: Diode und Transistor.

Diode.
Heutzutage werden Halbleiterdioden neben Zwei-Elektroden-Lampen zunehmend zur Gleichrichtung des elektrischen Stroms in Funkschaltungen eingesetzt, da sie eine Reihe von Vorteilen bieten. In einer Vakuumröhre werden durch Erhitzen der Kathode Ladungsträger, Elektronen, erzeugt. Im pn-Übergang werden Ladungsträger gebildet, wenn eine Akzeptor- oder Donorverunreinigung in den Kristall eingebracht wird. Daher ist keine Energiequelle erforderlich, um Ladungsträger zu erhalten. Bei komplexen Schaltungen erweisen sich die daraus resultierenden Energieeinsparungen als sehr erheblich. Darüber hinaus sind Halbleitergleichrichter mit den gleichen Werten des gleichgerichteten Stroms kleiner als Lampengleichrichter.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie für Direkt- und Rückwärtsanschluss ist in Abbildung 2 dargestellt.

Sie ersetzten die Lampen, sie werden in der Technik sehr häufig verwendet, hauptsächlich für Gleichrichter, und auch Dioden haben in verschiedenen Geräten Anwendung gefunden.

Transistor.
Betrachten wir einen der Transistortypen aus Germanium oder Silizium mit eingebrachten Donor- und Akzeptorverunreinigungen. Die Verteilung der Verunreinigungen ist so, dass zwischen zwei p-Halbleiterschichten eine sehr dünne (in der Größenordnung einiger Mikrometer) n-Halbleiterschicht entsteht (Abb. 3.
Diese dünne Schicht wird Basis oder Basis genannt. Im Kristall bilden sich zwei pn-Übergänge, deren direkte Richtungen entgegengesetzt sind. Drei Anschlüsse aus Bereichen mit unterschiedlicher Leitfähigkeit ermöglichen die Einbindung des Transistors in die in Abbildung 3 gezeigte Schaltung. Bei dieser Einbindung ist der linke p-n-Übergang direkt und trennt die Basis vom Bereich mit p-Leitfähigkeit, dem sogenannten Emitter. Wenn es kein richtiges p -n gäbe
-Übergang würde im Emitter-Basis-Stromkreis ein Strom fließen, der von der Spannung der Quellen (Batterie B1 und Wechselspannungsquelle) und dem Widerstand des Stromkreises, einschließlich des niedrigen Widerstands des direkten Emitter-Basis-Übergangs, abhängt. Batterie B2 ist so angeschlossen, dass der rechte pn-Übergang im Stromkreis (siehe Abb. 3) vertauscht ist. Es trennt die Basis von der rechten p-Typ-Region, die als Kollektor bezeichnet wird. Gäbe es keinen linken p-n-Übergang, wären die Stromstärke und der Kollektorkreis nahe Null. Da der Widerstand des Rückwärtsübergangs sehr hoch ist. Wenn im linken p-n-Übergang ein Strom fließt, entsteht auch im Kollektorkreis ein Strom, und der Strom im Kollektor ist nur geringfügig kleiner als der Strom im Emitter. Wenn zwischen Emitter und Basis eine Spannung entsteht, wird die Hauptträger des p-Typ-Halbleiters – Löcher dringen in die Basis ein, ddr sind bereits Hauptträger. Da die Dicke der Basis sehr gering ist und die Anzahl der darin enthaltenen Mehrheitsträger (Elektronen) gering ist, verbinden sich die hineingefallenen Löcher kaum mit den Elektronen der Basis (rekombinieren sie nicht) und dringen aufgrund von in den Kollektor ein Diffusion. Der rechte p-n-Übergang ist für die Hauptladungsträger der Basis – Elektronen – geschlossen, nicht jedoch für Löcher. Im Kollektor werden die Löcher durch das elektrische Feld weggetragen und schließen den Stromkreis.
Die Stärke des von der Basis in den Emitterkreis abzweigenden Stroms ist sehr gering, da die Querschnittsfläche der Basis in der horizontalen Ebene (siehe Abb. 3) viel kleiner ist als der Querschnitt in der vertikalen Ebene . Der Strom im Kollektor, der fast gleich dem Strom im Emitter ist, ändert sich zusammen mit dem Strom im Emitter.
Der Widerstandswert des Widerstands R hat kaum Einfluss auf den Kollektorstrom und dieser Widerstand kann ziemlich groß gemacht werden. Durch die Steuerung des Emitterstroms mit einer in seinem Stromkreis enthaltenen Wechselspannungsquelle erhalten wir eine synchrone Änderung der Spannung am Widerstand. Bei einem großen Widerstandswert kann die Spannungsänderung an ihm zehntausendmal größer sein als die Signaländerung im Emitterkreis. Das bedeutet Spannungsverstärkung. Daher ist es an der Last R möglich, elektrische Signale zu erhalten, deren Leistung um ein Vielfaches größer ist als die in den Emitterkreis eintretende Leistung. Sie ersetzen Vakuumröhren und werden in der Technik häufig verwendet.

3. Arten von Halbleiterbauelementen.
Neben Planardioden in Abb. 8 und Transistoren gibt es in Abb. 4 auch Punktdioden. Punkttransistoren (siehe Struktur in der Abbildung) werden vor der Verwendung geformt, d. h. einen Strom einer bestimmten Stärke fließen lassen, wodurch sich unter der Drahtspitze ein Bereich mit Lochleitfähigkeit bildet. Transistoren sind vom pnp- und vom npn-Typ. Bezeichnung und Gesamtansicht in Abbildung 5.
Es gibt Foto- und Thermowiderstände sowie Varistoren, siehe Abbildung. Zu den Planardioden gehören Selengleichrichter. Die Basis einer solchen Diode ist eine Stahlscheibe, die auf einer Seite mit einer Schicht aus Selen beschichtet ist, einem Halbleiter mit Lochleitfähigkeit (siehe Abb. 7). Die Oberfläche von Selen ist mit einer Cadmiumlegierung beschichtet, wodurch ein Film mit elektronischer Leitfähigkeit entsteht, wodurch ein gleichrichtender Stromübergang entsteht. Je größer die Fläche, desto größer der gleichgerichtete Strom.

4. Produktion
Die Herstellungstechnologie der Diode ist wie folgt. Ein Stück Indium wird auf der Oberfläche einer quadratischen Platte mit einer Fläche von 2-4 cm2 und einer Dicke von einigen Bruchteilen eines Millimeters geschmolzen, die aus einem Halbleiterkristall mit elektronischer Leitfähigkeit geschnitten wurde. Indium verschmilzt stark mit der Platte. Gleichzeitig dringen Indiumatome ein
(diffundieren) in die Dicke der Platte und bilden darin einen Bereich mit überwiegender Lochleitfähigkeit. Je dünner der Halbleiterwafer ist. Je geringer der Widerstand der Diode in Durchlassrichtung ist, desto größer ist der von der Diode gleichgerichtete Strom. Die Kontakte der Diode bestehen aus einem Tropfen Indium und einer Metallscheibe oder einem Metallstab mit Anschlussdrähten.
Nach dem Zusammenbau des Transistors wird dieser in ein Gehäuse eingebaut und eine E-Mail angeschlossen. Verbinden Sie die Anschlüsse mit den Kontaktplatten des Kristalls und dem Ausgang des Gehäuses und versiegeln Sie das Gehäuse.

5. Geltungsbereich

Dioden sind sehr zuverlässig, ihre Einsatzgrenze liegt jedoch bei -70 bis 125 °C. Bei einer Punktdiode ist die Kontaktfläche sehr klein, daher betragen die Ströme, die solche Dioden gleichrichten können, nicht mehr als 10-15 mA. Und sie werden hauptsächlich zur Modulation hochfrequenter Schwingungen und für Messgeräte verwendet. Für jede Diode gibt es einige maximal zulässige Grenzwerte für den Vorwärts- und Rückwärtsstrom, abhängig von der Vorwärts- und Rückwärtsspannung und der Bestimmung ihrer Gleichrichtungs- und Festigkeitseigenschaften.

Transistoren reagieren wie Dioden empfindlich auf Temperatur, Überlastung und eindringende Strahlung. Im Gegensatz zu Radioröhren brennen Transistoren durch unsachgemäßen Anschluss durch.

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Figur 2

Bild 1

Figur 3

Figur 4

Abbildung 5

Figur 4

HALBLEITERDIODEN

Halbleiterdioden sind Halbleiterbauelemente mit einem elektrischen Anschluss und zwei Anschlüssen. Sie werden zur Gleichrichtung von Wechselstrom, zur Erkennung variabler Schwingungen, zur Umwandlung von Mikrowellenschwingungen in Zwischenfrequenzschwingungen, zur Spannungsstabilisierung in Gleichstromkreisen usw. verwendet. Je nach Verwendungszweck werden Halbleiterdioden in Gleichrichter-, Hochfrequenz-, Varicap-, Zener-Dioden usw. unterteilt .

Gleichrichterdioden. Gleichrichter-Halbleiterdioden dienen zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom.

Die Basis moderner Gleichrichterdioden ist ein Elektron-Loch-Kontakt (EHP), der durch Fusion oder Diffusion entsteht. Als Material kommt Germanium oder Silizium zum Einsatz.

Um große Werte gleichgerichteter Ströme in Gleichrichterdioden zu erhalten, werden EAFs mit großer Fläche verwendet, da für den normalen Betrieb der Diode die Stromdichte durch den Übergang 1-2 A / mm 2 nicht überschreiten sollte.

Solche Dioden werden Planardioden genannt. Der Aufbau einer planaren Halbleiterdiode mit geringer Leistung ist in Abb. dargestellt. 2.1, a. Zur Verbesserung der Wärmeableitung in Dioden des Mediums Und Bei hoher Leistung ist an ihrem Gehäuse eine Schraube angeschweißt, mit der die Dioden an einem speziellen Strahler oder Chassis befestigt werden (Abb. 2.1, b).

Das Hauptmerkmal einer Gleichrichterdiode ist ihre Strom-Spannungs-Kennlinie (CVC). Die Art des CVC hängt vom Halbleitermaterial und der Temperatur ab (Abb. 2.2, a und b).

Die Hauptparameter von Gleichrichter-Halbleiterdioden sind:

konstante Durchlassspannung U np bei gegebenem Durchlassstrom;

die maximal zulässige Sperrspannung U o 6 p max, bei der die Diode noch lange Zeit normal arbeiten kann;

direkter Rückstrom, der durch die Diode bei einer Sperrspannung von U o 6 p max fließt;

durchschnittlicher gleichgerichteter Strom, der bei einer für seine Erwärmung akzeptablen Temperatur lange Zeit durch die Diode fließen kann;

maximal zulässige Verlustleistung der Diode, bei was die spezifizierte Zuverlässigkeit der Diode gewährleistet.

Entsprechend dem maximal zulässigen Wert des durchschnittlichen gleichgerichteten Stroms werden Dioden in niedrige Leistung () und mittlere Leistung () unterteilt. ) und hohe Leistung (). Hochleistungsgleichrichterdioden werden Leistungsdioden genannt.

Gleichrichterelemente mit geringer Leistung, bei denen es sich um in Reihe geschaltete Gleichrichter-Halbleiterdioden handelt, werden Gleichrichterpole genannt. Es werden auch Gleichrichtereinheiten hergestellt, bei denen Gleichrichterdioden nach einer bestimmten (z. B. Brücken-)Schaltung geschaltet sind.

Gleichrichter-Halbleiterdioden können bei Frequenzen von 50 ... 10 5 Hz betrieben werden (Leistungsdioden - bei Frequenzen von 50 Hz), d. h. sie sind niederfrequent.

Hochfrequenzdioden. Zu den Hochfrequenzdioden zählen Halbleiterdioden, die bei Frequenzen bis zu 300 MHz arbeiten können. Dioden, die bei Frequenzen über 300 MHz arbeiten, werden Mikrowellendioden genannt.

Mit zunehmender Frequenz nimmt die Überbrückung des Differenzwiderstands des in Sperrichtung vorgespannten EAF durch die Ladekapazität zu. Dies führt zu einer Verringerung des Sperrwiderstands und einer Verschlechterung der Gleichrichtereigenschaften der Diode. Da der Wert der Ladekapazität proportional zur Fläche des EAF ist, ist es zu seiner Reduzierung erforderlich, die Fläche des EAF zu reduzieren.

Mikrolegierungsdioden haben eine kleine Sperrschichtfläche, aber sie. Der Nachteil besteht darin, dass sich in der Basis kleinere Ladungsträger ansammeln, die beim direkten Einschalten der Diode injiziert werden. Dies begrenzt die Geschwindigkeit (Frequenzbereich) von Mikrolegierungsdioden.

Punktdioden, die im Mikrowellenbereich arbeiten können, haben die beste Geschwindigkeit und daher höhere Frequenzen. Bei ihrer Konstruktion wird eine Metallfeder mit einem Durchmesser von etwa 0,1 mm mit einer Spitze gegen einen Halbleiterkristall gedrückt. Das Material der Feder ist so gewählt, dass die Austrittsarbeit der Elektronen größer ist als die des Halbleiters. In diesem Fall bildet sich an der Metall-Halbleiter-Grenzfläche eine Barriereschicht, die sogenannte Schottky-Barriere – nach dem Namen des deutschen Wissenschaftlers, der dieses Phänomen untersucht hat. Dioden, deren Funktionsweise auf der Nutzung der Eigenschaften der Schottky-Barriere beruht, werden Schottky-Dioden genannt. In ihnen wird der elektrische Strom von den Hauptladungsträgern getragen, wodurch es zu keiner Injektion und Ansammlung von Nebenladungsträgern kommt.

Hochfrequenz- und Mikrowellendioden werden zur Gleichrichtung hochfrequenter Schwingungen (Gleichrichter), Erkennung (Detektor), Leistungspegelsteuerung (Schalten), Frequenzvervielfachung (Multiplikator) und anderen nichtlinearen Transformationen elektrischer Signale verwendet.

Varicaps. Varicaps werden Halbleiterdioden genannt, deren Wirkung auf der Nutzung der Abhängigkeit der Kapazität von der Sperrspannung beruht. Varicaps werden als Element mit elektrisch gesteuerter Kapazität verwendet.

Der Charakter der Abhängigkeit ist in Abb. dargestellt. 2.3, a. Diese Abhängigkeit wird als Kapazitäts-Spannungs-Kennlinie des Varicaps bezeichnet. Hauptparameter

Varicaps sind:

Nennkapazität, gemessen bei einer bestimmten Sperrspannung;

Kapazitätsüberlappungskoeffizient Kc, bestimmt durch das Verhältnis der Varicap-Kapazitäten bei zwei Sperrspannungswerten;

maximal zulässige Sperrspannung;

Qualitätsfaktor Q B definiert als das Verhältnis von Varicap-Reaktanz zu Verlustwiderstand.

Halbleiter-Zenerdioden. Eine Halbleiter-Zenerdiode ist eine Halbleiterdiode, deren Spannung mit einer bestimmten Genauigkeit aufrechterhalten wird, wenn sich der durch sie fließende Strom in einem bestimmten Bereich ändert. Es dient zur Stabilisierung der Spannung in Gleichstromkreisen.

Der CVC der Zenerdiode ist in Abb. dargestellt. 2.4, a und das Symbol - in Abb. 2.4, geb.

Wenn auf beiden Seiten eines Siliziumwafers ein EAF erstellt wird, erhält man eine Zenerdiode mit symmetrischem CVC – eine symmetrische Zenerdiode (Abb. 2.4, c).

Der Arbeitsabschnitt der Zenerdiode ist der Abschnitt des elektrischen Durchschlags. Beim Ändern des Stroms, der durch die Zenerdiode fließt, von einem Wert zu einem Wert. die Spannung daran weicht kaum vom Wert ab. Der Einsatz von Zenerdioden basiert auf dieser Eigenschaft.

Das Funktionsprinzip eines Spannungsstabilisators auf einer Silizium-Zenerdiode (Abb. 2.4, d) besteht darin, dass sich bei einer Änderung der Spannung U VX der durch die Zenerdiode fließende Strom und die Spannung an der Zenerdiode und der angeschlossenen Last R ändern parallel dazu ändert sich praktisch nicht.

Die Hauptparameter von Silizium-Zenerdioden sind:

Stabilisierungsspannung U st;

minimale und maximale Stabilisierungsströme;

maximal zulässige Verlustleistung

Differenzwiderstand im Stabilisierungsbereich ;

Temperaturkoeffizient der Spannung im Stabilisierungsabschnitt

Bei modernen Zenerdioden reicht die Stabilisierungsspannung von 1 bis 1000 V bei Stabilisierungsströmen von 1 mA bis 2 A. Zur Stabilisierung von Spannungen unter 1 V wird eine direkte I-V-Kennlinie einer Siliziumdiode, ein sogenannter Stabistor, verwendet. Bei Stabistoren B. Durch Reihenschaltung von Zenerdioden (oder Stabistoren) können Sie jede erforderliche Stabilisierungsspannung erhalten.

Der Differenzwiderstand im Stabilisierungsabschnitt ist annähernd konstant und beträgt bei den meisten Zenerdioden 0,5 ... 200 Ohm. Der Spannungstemperaturkoeffizient kann positiv (für Zenerdioden mit) und negativ (für Zenerdioden mit U CT) sein< 6 В) и для большинства стабилитронов находится в пределах (- 0,5... + 0,2) %/°С.

BIPOLARE TRANSISTOREN

Ein Bipolartransistor (BT) oder einfach ein Transistor ist ein Halbleiterbauelement mit zwei interagierenden EHPs und drei oder mehr Anschlüssen, dessen verstärkende Eigenschaften auf den Phänomenen der Injektion und Extraktion kleinerer Ladungsträger beruhen.

Elektron-Loch-Übergänge werden zwischen drei Bereichen eines Halbleiters mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Entsprechend der Reihenfolge des Wechsels von p- und n-Gebieten werden BTs in Transistoren vom p-p-p-Typ und Transistoren vom p-p-p-Typ unterteilt (Abb. 2.5).

Der mittlere Bereich des Transistors wird Basis genannt, ein äußerster Bereich ist der Emitter (E) und der andere ist der Kollektor (K). Normalerweise ist die Konzentration an Verunreinigungen im Emitter größer als im Kollektor. Beim BT-Typ p - p - p hat die Basis eine elektrische Leitfähigkeit vom p-Typ und der Emitter und der Kollektor sind vom n-Typ.

Der zwischen Emitter und Basis gebildete EAF wird Emitter und zwischen Basis und Kollektor Kollektor genannt.

Betriebsarten des Transistors. Abhängig davon, wie die Emitter- und Kollektor-EAFs an die Stromquellen angeschlossen sind, kann der Bipolartransistor in einem von vier Modi arbeiten: Cutoff, Sättigung, aktiv und invers.

Emitter und Kollektor EHP sind im Cutoff-Modus (Abb. 2.6, a) in die entgegengesetzte Richtung und im Sättigungsmodus (Abb. 2.6, 6) in Vorwärtsrichtung verschoben. Der Kollektorstrom ist in diesen Modi praktisch unabhängig von der Emitterspannung und dem Emitterstrom.

Cut-Off- und Sättigungsmodi werden beim Betrieb von BT in gepulsten und Schlüsselgeräten verwendet.

Wenn sich der Transistor im aktiven Modus befindet, wird sein Emitterübergang in Vorwärtsrichtung und der Kollektorübergang in die entgegengesetzte Richtung verschoben (Abb. 2.6, c).

Unter der Wirkung einer Durchlassspannung 11eb fließt ein Strom im Emitterkreis, der Kollektor- und Basisströme erzeugt, so dass

Der Kollektorstrom besteht aus zwei Komponenten: kontrolliert, proportional zum Emitterstrom und unkontrolliert, erzeugt durch die Drift von Minoritätsträgern durch einen in Sperrrichtung vorgespannten Kollektorübergang. Der Proportionalitätskoeffizient wird als statischer Stromübertragungskoeffizient des Emitters bezeichnet. Für die meisten modernen BT und mehr.

Der Basisstrom enthält eine Rekombinationskomponente, die dadurch entsteht, dass Elektronen in die Basis eintreten, um die positive Ladung der Löcher zu kompensieren, die sich in der Basis rekombinieren, und eine unkontrollierte Kollektorstromkomponente

Bei der Verwendung von BT als Verstärkungselement muss einer der Anschlüsse den Eingangs- und Ausgangskreisen gemeinsam sein. Im Diagramm in Abb. 2.6, c, die gemeinsame Elektrode ist die Basis. Ein solcher BT-Schaltkreis wird als Common Base (CB)-Schaltkreis bezeichnet und normalerweise wie in Abb. dargestellt dargestellt. 2.7, a. Neben der OB-Schaltung werden in der Praxis auch Schaltungen mit einem gemeinsamen Emitter (OE) und einem gemeinsamen Kollektor (OC) verwendet.

In der OE-Schaltung (Abb. 2.7, b) wird die Beziehung zwischen Ausgangs- und Eingangsstrom durch die Gleichung bestimmt

Der Koeffizient wird als statischer Stromübertragungskoeffizient der Basis bezeichnet. Es hängt mit dem Verhältnis zusammen

Bei Werte liegen im Bereich von 19...99.

Die Komponente ist der umgekehrte (unkontrollierte) Kollektorstrom im OE-Kreis. Dieser Strom hängt mit dem Rückstrom im Stromkreis zusammen

ÜBER das Verhältnis

Aus Beziehung (2.4) folgt, dass der Kollektorrückstrom im OE-Kreis viel größer ist als im OB-Kreis. Dies bedeutet, dass die Temperaturänderung im OE-Kreis einen größeren Einfluss auf die Änderung der Ströme (und damit auf die Änderung der statischen Eigenschaften und Parameter) hat als im OB-Kreis. Dies ist einer der Nachteile der Aktivierung von BT gemäß dem OE-Schema.

Wenn Sie das BT gemäß dem OK-Schema einschalten. (Abb. 2.7, c) Die Beziehung zwischen Ausgangs- und Eingangsstrom wird durch die Beziehung bestimmt

Aus einem Vergleich der Ausdrücke (2.2) und (2.5) folgt, dass die Abhängigkeiten zwischen den Eingangs- und Ausgangsströmen des BT in den OE- und OK-Kreisen ungefähr gleich sind. Dadurch ist es möglich, für die Berechnung von OE- und OK-Schemata die gleichen Merkmale und Parameter zu verwenden.

Der inverse Modus unterscheidet sich vom aktiven Modus durch die entgegengesetzte Polarität der an die Emitter- und Kollektor-EHFs angelegten Spannungen.

Statische Eigenschaften. Statische Eigenschaften drücken komplexe Zusammenhänge zwischen Strömen und Spannungen aus.

Transistorelektroden und hängen von der Art und Weise ab, wie er eingeschaltet wird.

Auf Abb. In Abb. 2.8, a zeigt eine Familie von Eingabemerkmalen des BT-Typs n - p - n, die gemäß dem OE-Schema enthalten sind und die Abhängigkeit bei ausdrücken. Wenn das Eingabemerkmal ist

direkter Zweig des CVC des Emitters EHP. Bei positiver Kollektorspannung verschiebt sich die Eingangskennlinie nach rechts.

Ausgangskennlinien (Abb. 2.8, b) spiegeln die Abhängigkeit bei wider. Der steile Teil der Kennlinie entspricht dem Sättigungsmodus und der flache Teil entspricht dem aktiven Modus. Die Beziehung zwischen den Kollektor- und Basisströmen im flachen Bereich wird durch den Ausdruck (2.2) bestimmt.

Parameter für den statischen Low-Signal-Modus. Wenn ein Transistor im Verstärkungsmodus arbeitet, werden seine Eigenschaften durch Kleinsignalparameter bestimmt, für die der Transistor als lineares Element betrachtet werden kann. In der Praxis haben Kleinsignal-Hybrid- oder H-Parameter die größte Verwendung gefunden. Ströme und Spannungen bei kleinen Amplituden variabler Komponenten im System der h-Parameter hängen durch die folgenden Beziehungen zusammen:

- Eingangsimpedanz;

- Spannungsrückkopplungsfaktor

- aktueller Übertragungskoeffizient;

- Ausgangsleitfähigkeit.

Die Parameter und werden im Kurzschlussmodus des Ausgangskreises gemessen, und die Parameter und werden im Ruhezustand des Eingangskreises gemessen. Diese Modi sind einfach zu implementieren. Die Werte der h-Parameter hängen von der Art und Weise ab, wie der Transistor eingeschaltet wird, und können bei niedrigen Frequenzen aus statischen Eigenschaften bestimmt werden. Dabei werden die Amplituden kleiner Ströme und Spannungen durch Inkremente ersetzt. Wenn also beispielsweise der Transistor gemäß der Schaltung mit OE eingeschaltet wird, werden die Formeln für die Parameter und die durch die Eingangseigenschaften am Punkt A (Abb. 2.8, a) bestimmten Parameter wie folgt geschrieben:

Die Parameter und werden durch die Ausgabe (Abb. 2.8, b) Eigenschaften gemäß den Formeln bestimmt:

Ebenso werden die Parameter bestimmt, wenn der Transistor gemäß der Schaltung mit OB eingeschaltet wird.

Kleinsignalparameter werden als Übertragungskoeffizienten des Emitterstroms bzw. des Basisstroms bezeichnet. Sie charakterisieren die Stromverstärkungseigenschaften des Transistors für variable Signale und ihre Werte hängen von der Betriebsart des Transistors und von der Frequenz der verstärkten Signale ab. Mit zunehmender Frequenz nimmt also der Modul des Basisstromübertragungskoeffizienten ab

Die Frequenz, bei der sie im Vergleich zu ihrem Wert bei niedriger Frequenz um den Faktor abnimmt, wird Grenzfrequenz der Basisstromübertragung genannt und mit bezeichnet. Die Frequenz, bei der sie auf 1 abfällt, wird Grenzfrequenz des BT genannt und mit bezeichnet. Je nach Wert der Grenzfrequenz werden Transistoren in Niederfrequenz-, Mittelfrequenz-, Hochfrequenz- und Superhochfrequenz-Transistoren unterteilt.

THYRISTOREN

Ein Thyristor ist ein bistabiles Halbleiterbauelement mit drei oder mehr Übergängen, das von geschlossen auf offen und umgekehrt umschalten kann.

Thyristoren mit zwei Anschlüssen werden Dioden oder Dinistoren genannt, und Thyristoren mit drei Anschlüssen werden Trioden oder Trinistoren genannt.

Dinistoren. Der Aufbau eines Dinistors besteht aus vier Halbleiterbereichen mit abwechselnder elektrischer Leitfähigkeit. zwischen denen drei EHPs gebildet werden. Die extremen EAFs sind Emitter und die mittleren sind Kollektor. Der Bereich wird Emitter oder Anode genannt, der Bereich Kathode.

Der Anschluss der Anode des Dinistors an den Pluspol einer externen Quelle und der Kathode an den Minuspol entspricht dem direkten Anschluss des Dinistors. Wenn die Polarität der Quellenspannung umgekehrt wird, findet eine umgekehrte Umschaltung statt.

Bei direkter Verbindung kann der Dinistor als Kombination zweier Transistoren p - n - p und n - p - n (Abb. 2.9, a) mit Emitterstromübertragungskoeffizienten und dargestellt werden.

Der durch den Dinistor fließende Strom enthält die Lochinjektionskomponente des Transistors, die elektronische Injektionskomponente des Transistors und den Rückstrom des Kollektorübergangs, d. h.

Der Dinistor ist vorerst geschlossen. Bei Im Dinistor entwickeln sich Prozesse, die zu einem lawinenartigen Anstieg der Injektionskomponenten des Stroms führen und den Kollektorübergang in Durchlassrichtung schalten. In diesem Fall nimmt der Widerstand des Dinistors stark ab und der Spannungsabfall an ihm überschreitet nicht 1-2 V. Der Rest der Quellenspannung fällt am Begrenzungswiderstand ab (Abb. 2.9, b).

Wenn der Dinistor wieder eingeschaltet wird, fließt ein kleiner Rückstrom durch ihn.

Trinistoren. Der Trinistor unterscheidet sich vom Dinistor durch das Vorhandensein eines zusätzlichen Steuerausgangs aus dem Basisbereich (Abb. 2.10, a). Die Schlussfolgerung kann aus jeder beliebigen Grundlage gezogen werden. Eine an diesen Pin angeschlossene Quelle erzeugt

Steuerstrom, der sich zum Hauptstrom addiert. Dadurch erfolgt das Umschalten des Trinistors vom geschlossenen in den offenen Zustand bei einem niedrigeren Wert von U a (Abb. 2.10, b).

In fünfschichtigen Aufbauten Durch entsprechende Ausführung der Extrembereiche erhalten Sie einen symmetrischen CVC (Abb. 2.10, c). Ein solcher Thyristor wird als symmetrisch bezeichnet. Es kann eine Diode (Diac) oder eine Triode (Triac) sein.

Das Abschalten des Thyristors erfolgt durch Reduzieren (oder Unterbrechen) des Anodenstroms oder Ändern der Polarität der Anodenspannung.

Die betrachteten Thyristoren werden als nicht sperrbar bezeichnet. Es gibt auch sperrbare Thyristoren, die durch Änderung des Stroms der Steuerelektrode von offen auf geschlossen geschaltet werden können. Sie unterscheiden sich von nicht abschließbaren Ausführungen.

Thyristorparameter. Die Hauptparameter von Thyristoren sind:

Einschaltspannung;

Entriegelungssteuerstrom;

Abschaltstrom;

Restspannung U np ;

Einschaltzeit t on;

Freizeit ;

Verzögerungszeit t 3 ;

Maximale Anstiegsgeschwindigkeiten der Vorwärtsspannung (du/dt) max und des Vorwärtsstroms (di/dl) max.

Thyristoren werden häufig in gesteuerten Gleichrichtern, Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlern (Wechselrichtern), Spannungsstabilisatoren usw. verwendet.

als Näherungsschalter, in elektrischen Antrieben, Automatisierungsgeräten, Telemechanik, Computertechnik usw.

Konventionelle grafische Bezeichnungen von Thyristoren sind in Abb. 1 dargestellt. 2.11.

FELDTRANSISTOREN

Ein Feldeffekttransistor (FET) ist ein Halbleiterbauelement, dessen verstärkende Eigenschaften auf dem Fluss der Hauptladungsträger gleichen Vorzeichens beruhen, die durch einen leitenden Kanal fließen und das durch ein elektrisches Feld gesteuert wird.

Eine vom Kanal isolierte Steuerelektrode wird Gate genannt. Nach der Methode der Gate-Isolation werden Feldeffekttransistoren in drei Typen unterteilt:

1) mit einem Steuer-p-n-Übergang oder mit einem p-t-Verschluss;

2) mit einem Metall-Halbleiter-Gate oder mit einem Schottky-Gate;

3) mit isoliertem Tor.

Feldeffekttransistoren mit p-N -Verschluss. Bei einem Feldeffekttransistor mit p-n-Gate (Abb. 2.12) ist der n-Typ-Kanal vom Substrat und dem p-n-Gate isoliert

Bewegungen, die aufgrund der Erfüllung der Bedingung hauptsächlich im Kanal gebildet werden. Wenn die Kanaldicke am größten und ihr Widerstand minimal ist. Wenn an das Gate eine negative Spannung in Bezug auf die Source angelegt wird, dehnen sich die pn-Übergänge aus, die Kanaldicke nimmt ab und sein Widerstand nimmt zu. Wenn daher eine Spannungsquelle zwischen Source und Drain angeschlossen ist, kann der durch den Kanal fließende Strom I c durch Ändern des Kanalwiderstands mithilfe der am Gate angelegten Spannung gesteuert werden. Auf diesem Prinzip basiert die Funktionsweise eines FET mit p-n-Shutter.

Die wichtigsten statischen Eigenschaften eines FET mit p-n-Gate sind die Übertragungs- (Drain-Gate) und Ausgangseigenschaften (Drain) (Abb. 2.13).

Die Gate-Spannung, bei der der Kanal vollständig blockiert ist und der Drain-Strom auf Zehntel Mikroampere abnimmt, wird als Sperrspannung bezeichnet und mit bezeichnet.

Der Drainstrom bei U 3I = 0 wird als anfänglicher Drainstrom bezeichnet.

Die Ausgangskennlinien enthalten steile bzw. ohmsche und flache Bereiche. Der flache Bereich wird auch Sättigungsbereich oder Kanalüberlappungsbereich genannt.

Der durch den Kanal fließende Drainstrom erzeugt einen Spannungsabfall an seinem verteilten Widerstand, was die Kanal-Gate- und Kanal-Substrat-Sperrspannungen erhöht, was zu einer Verringerung der Kanaldicke führt. Die Rückspannungen erreichen ihren größten Wert an der Grenze zum Abfluss, und in diesem Bereich ist die Verengung des Kanals am größten (Abb. 2.12). Bei einem bestimmten Spannungswert schließen sich beide pn-Übergänge im Drain-Bereich und der Kanal überlappt. Diese Drain-Spannung wird Überlappungsspannung oder Sättigungsspannung () genannt. Wenn eine Sperrspannung an das Gate angelegt wird, kommt es zu einer zusätzlichen Verengung des Kanals und seine Überlappung erfolgt bei einem niedrigeren Spannungswert.

Feldeffekttransistoren mit Schottky-Gate. IN Fr Bei einem Schottky-Gate wird der Kanalwiderstand gesteuert, indem unter der Wirkung der Gate-Spannung die Dicke des Gleichrichterübergangs geändert wird, der an der Grenzfläche zwischen dem Metall und dem Halbleiter gebildet wird. Im Vergleich zum p-n-Übergang ermöglicht der gleichrichtende Metall-Halbleiter-Übergang eine deutliche Reduzierung der Kanallänge: bis zu 0,5 ... 1 μm. Gleichzeitig werden auch die Abmessungen der gesamten FET-Struktur deutlich reduziert, wodurch FETs mit Schottky-Barriere bei höheren Frequenzen arbeiten können – bis zu 50...80 GHz.

Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate. Diese Transistoren haben eine Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Struktur und werden kurz MIS-Transistoren genannt. Wird als Dielektrikum Siliziumoxid verwendet, spricht man auch von MOSFETs.

Es gibt zwei Arten von MOS-Transistoren: mit induzierten und mit eingebauten Kanälen.

Bei MIS-Transistoren mit induziertem p-Typ-Kanal (Abb. 2.14) bilden die p-Typ-Drain- und Source-Bereiche mit dem n-Bereich des Substrats zwei entgegengesetzt gegenüberliegende Substrate

Wenn die EAF eingeschaltet ist und eine Quelle beliebiger Polarität an sie angeschlossen ist, fließt kein Strom im Stromkreis. Liegt jedoch am Gate gegenüber Source und Substrat eine negative Spannung an, so kommt es bei einem ausreichenden Wert dieser Spannung in der unter dem Gate befindlichen oberflächennahen Schicht des Halbleiters zu einer Umkehrung der Art der elektrischen Leitfähigkeit auftreten und die p-Bereiche von Drain und Source werden durch einen p-Typ-Kanal verbunden. Diese Gate-Spannung wird Schwellenspannung genannt und mit bezeichnet. Mit zunehmender negativer Gate-Spannung nimmt die Eindringtiefe der Inversionsschicht in den Halbleiter zu, was einer Zunahme der Kanaldicke und einer Abnahme seines Widerstands entspricht.

Die Übertragungs- und Ausgangseigenschaften eines MOS-Transistors mit einem induzierten p-Typ-Kanal sind in Abb. dargestellt. 2.15. Der Spannungsabfall am Kanalwiderstand verringert die Gate-zu-Gate-Spannung

und Kanal- und Kanaldicke. Die größte Verengung des Kanals findet am Drain statt, wo die Spannung am geringsten ist .

Bei MOS-Transistoren mit eingebautem Kanal zwischen Drain- und Source-Bereich wird bereits bei der Herstellung eine dünne oberflächennahe Schicht (Kanal) mit der gleichen elektrischen Leitfähigkeit wie Drain und Source erzeugt. Daher fließt in solchen Transistoren auch der Drainstrom, der als Anfangsstrom bezeichnet wird.

Die statischen Ausgangs- und Übertragungseigenschaften eines MIS-Transistors mit integriertem p-Typ-Kanal sind in Abb. 1 dargestellt. 2.16.

Differentialparameter von PT. Zusätzlich zu den oben diskutierten Parametern werden die Eigenschaften des FET durch differenzielle Parameter charakterisiert: die Steilheit der Übertragungskennlinie oder die Steilheit des FET; Differenzwiderstand und statische Verstärkung.

Die Steilheit des FET charakterisiert die Verstärkungseigenschaften des Transistors und beträgt bei Transistoren mit geringer Leistung normalerweise einige mA/V.

Der Differenzwiderstand at ist der Widerstand des FET-Kanals gegenüber Wechselstrom.

Die Steilheit des FET lässt sich aus der statischen Ausgangs- bzw. Übertragungskennlinie (Abb. 2.16) anhand des Ausdrucks ermitteln

und der Differenzwiderstand - entsprechend den Ausgangseigenschaften gemäß dem Ausdruck

Statischer Gewinn at wird normalerweise nach der Formel berechnet.

Konventionelle grafische Bezeichnungen von Feldeffekttransistoren sind in Abb. 1 dargestellt. 2.17.

Feldeffekttransistoren werden in Verstärkern mit hohem Eingangswiderstand, Tasten- und Logikgeräten sowie in gesteuerten Dämpfungsgliedern als Element eingesetzt, dessen Widerstand sich unter dem Einfluss einer Steuerspannung ändert.

Ähnliche Informationen.

Staatliche Bergbauuniversität Moskau

Aufsatz

zum Thema SCHALTUNGSTECHNIK

Halbleiterbauelemente.

(Diode, Transistor, Feldeffekttransistor)

Kunst. GR. CAD-1V-96

Zarew A.V.

Moskau 1999

Inhaltsverzeichnis

Halbleiterdioden.

Halbleitertransistoren.

Feld-MIS-Transistoren.

Literatur.

Halbleiterdioden

Diode – ein Halbleiterbauelement, das elektrischen Strom nur in eine Richtung leitet und über zwei Anschlüsse zur Einbindung in einen Stromkreis verfügt.

Eine Halbleiterdiode ist ein Halbleiterbauelement mit einem pn-Übergang. Das Arbeitselement ist ein Germaniumkristall, der aufgrund einer geringen Zugabe einer Donatorverunreinigung eine n-Leitfähigkeit aufweist. Um darin pn-Übergänge zu erzeugen, wird Indium in eine seiner Oberflächen eingeschmolzen. Durch die Diffusion von Indiumatomen tief in den Germanium-Einkristall entsteht nahe der Germaniumoberfläche ein p-Typ-Bereich. Der Rest des Germaniums ist immer noch vom n-Typ. Zwischen diesen beiden Regionen entsteht ein pn-Übergang. Um die schädlichen Auswirkungen von Luft und Licht zu verhindern, wird der Germaniumkristall in einem hermetischen Gehäuse untergebracht. Gerät und schematische Darstellung einer Halbleiterdiode:

Die Vorteile von Halbleiterdioden sind geringe Größe und Gewicht, lange Lebensdauer, hohe mechanische Festigkeit; Der Nachteil ist die Abhängigkeit ihrer Parameter von der Temperatur.

Die Volt-Ampere-Kennlinie der Diode (bei hoher Spannung erreicht die Stromstärke ihren Maximalwert - Sättigungsstrom) ist nichtlinear, daher werden die Eigenschaften der Diode anhand der Steilheit der Kennlinie geschätzt:

Halbleitertransistoren

Die Eigenschaften des pn-Übergangs können genutzt werden, um einen Verstärker elektrischer Schwingungen zu erzeugen, der als Halbleitertriode oder Transistor bezeichnet wird.

Bei einer Halbleitertriode sind die beiden p-Bereiche des Kristalls durch einen schmalen n-Bereich getrennt. Eine solche Triode wird üblicherweise als pnp bezeichnet. Sie können auch eine NPN-Triode herstellen, d. h. um zwei n-Regionen des Kristalls durch eine schmale p-Region zu trennen (Abb.).

Eine Triode vom pnp-Typ besteht aus drei Bereichen, von denen der äußerste Lochleitfähigkeit und der mittlere elektronische Leitfähigkeit aufweist. Zu diesen drei Bereichen der Triode werden unabhängige Kontakte e, b und k hergestellt, wodurch Sie unterschiedliche Spannungen an den linken p-n-Übergang zwischen den Kontakten e und b und an den rechten n-p-Übergang zwischen den Kontakten b und k anlegen können.

Wenn an der rechten Verbindungsstelle eine Sperrspannung anliegt, wird diese gesperrt und es fließt ein sehr kleiner Sperrstrom durch sie. Legen wir nun eine Gleichspannung an den linken pn-Übergang an, dann beginnt ein erheblicher Vorwärtsstrom durch ihn zu fließen.

Einer der Bereiche der Triode, zum Beispiel der linke, enthält normalerweise hundertmal mehr p-Typ-Dotierstoff als die Menge an n-Verunreinigungen im n-Bereich. Daher besteht der Vorwärtsstrom durch den pn-Übergang fast ausschließlich aus Löchern, die sich von links nach rechts bewegen. Im n-Bereich der Triode diffundieren Löcher, die eine thermische Bewegung ausführen, in Richtung des NP-Übergangs, haben aber teilweise Zeit, sich mit freien Elektronen des n-Bereichs zu rekombinationen. Wenn die n-Region jedoch schmal ist und nicht zu viele freie Elektronen darin sind (kein ausgeprägter n-Leiter), dann erreichen die meisten Löcher den zweiten Übergang und bewegen sich, nachdem sie hineingekommen sind, durch sein Feld zur rechten p-Region. Bei guten Trioden beträgt der Lochfluss, der in den rechten p-Bereich eindringt, 99 % oder mehr des Flusses, der links in den n-Bereich eindringt.

Wenn zwischen den Punkten h und b keine Spannung anliegt, ist der Rückstrom im NP-Übergang sehr klein, dann ist dieser Strom nach Auftreten der Spannung an den Anschlüssen h und b fast so groß wie der Gleichstrom im linken Übergang . Auf diese Weise können Sie die Stromstärke im rechten (gesperrten) NP-Übergang über den linken PN-Übergang steuern. Indem wir den linken Übergang schließen, stoppen wir den Strom durch den rechten Übergang; Wenn wir die linke Kreuzung öffnen, erhalten wir den Strom in der rechten Kreuzung. Indem wir den Wert der Durchlassspannung am linken Verbindungspunkt ändern, ändern wir dadurch die Stromstärke am rechten Verbindungspunkt. Dies ist die Grundlage für den Einsatz einer pnp-Triode als Verstärker.

Während des Betriebs der Triode (Abb.) wird der Lastwiderstand R an den rechten Anschluss angeschlossen und mit Hilfe der Batterie B wird eine Sperrspannung (mehrere zehn Volt) angelegt, die den Anschluss blockiert. In diesem Fall fließt ein sehr geringer Rückstrom durch den Übergang und die gesamte Spannung der Batterie B liegt am NP-Übergang an. Unter Last ist die Spannung Null. Wenn wir nun eine kleine Durchlassspannung an den linken Verbindungspunkt anlegen, beginnt ein kleiner Durchlassstrom durch ihn zu fließen. Fast der gleiche Strom beginnt durch den rechten Übergang zu fließen, wodurch ein Spannungsabfall am Lastwiderstand R entsteht. Die Spannung am rechten NP-Übergang nimmt ab, da nun ein Teil der Batteriespannung am Lastwiderstand abfällt.

Mit einem Anstieg der Durchlassspannung am linken Übergang steigt der Strom durch den rechten Übergang und die Spannung am Lastwiderstand R steigt. Wenn der linke p-n-Übergang geöffnet ist, wird der Strom durch den rechten n-p-Übergang so groß, dass ein signifikanter Ein Teil der Spannung der Batterie B fällt am Lastwiderstand R ab.

Wenn Sie also eine Durchlassspannung in Höhe von Bruchteilen eines Volts an den linken Verbindungspunkt anlegen, können Sie einen großen Strom durch die Last fließen lassen, und die Spannung an ihr wird einen erheblichen Teil der Spannung von Batterie B ausmachen, d. h. Dutzende Volt. Indem wir die an der linken Verbindungsstelle anliegende Spannung um Hundertstel Volt ändern, ändern wir die Spannung an der Last um mehrere Dutzend Volt. Auf diese Weise wird eine Spannungsverstärkung erzielt.

Mit diesem Triodenschaltkreis wird keine Stromverstärkung erzielt, da der durch den rechten Verbindungspunkt fließende Strom sogar geringfügig geringer ist als der durch den linken Verbindungspunkt fließende Strom. Aufgrund der Spannungsverstärkung kommt es hier jedoch zu einer Leistungsverstärkung. Letztendlich erfolgt die Leistungsverstärkung durch die Energie der Quelle B.

Die Wirkungsweise eines Transistors kann mit der Wirkungsweise eines Staudamms verglichen werden. Mit Hilfe einer permanenten Quelle (Flussfluss) und eines Staudamms wird ein Wasserspiegelunterschied geschaffen. Indem wir sehr wenig Energie für die vertikale Bewegung des Verschlusses aufwenden, können wir den Wasserfluss mit großer Leistung steuern, d. h. Steuern Sie die Energie einer leistungsstarken konstanten Quelle.

Der in Strömungsrichtung eingeschaltete Übergang (links in den Abbildungen) wird Emitter genannt, der in Sperrrichtung geschaltete Übergang (rechts in den Abbildungen) wird Kollektor genannt. Der mittlere Bereich wird Basis genannt, der linke ist Emitter und der rechte ist Kollektor. Die Dicke der Basis beträgt nur wenige Hundertstel oder Tausendstel Millimeter.

Die Lebensdauer von Halbleitertrioden und ihr Wirkungsgrad sind um ein Vielfaches höher als die von Vakuumröhren. Aus diesem Grund werden Transistoren häufig in der Mikroelektronik eingesetzt – in Fernseh-, Video-, Audio-, Radiogeräten und natürlich in Computern. Sie ersetzen Vakuumröhren in vielen Stromkreisen von wissenschaftlichen, industriellen und Haushaltsgeräten.

Die Vorteile von Transistoren im Vergleich zu Vakuumröhren sind die gleichen wie die von Halbleiterdioden – das Fehlen einer heißen Kathode, die viel Strom verbraucht und Zeit zum Aufheizen benötigt. Darüber hinaus sind Transistoren selbst um ein Vielfaches kleiner als elektrische Lampen und können bei niedrigeren Spannungen betrieben werden.

Doch neben den positiven Eigenschaften haben Trioden auch ihre Nachteile. Wie Halbleiterdioden reagieren Transistoren sehr empfindlich auf Temperaturanstieg, elektrische Überlastungen und stark durchdringende Strahlung (um den Transistor langlebiger zu machen, ist er in einem speziellen „Gehäuse“ verpackt).

Die Hauptmaterialien, aus denen Trioden hergestellt werden, sind Silizium und Germanium.

Feld-MIS-Transistoren.

Ein Feldeffekttransistor (FET) ist ein Halbleiterbauelement mit drei Elektroden, bei dem durch die Hauptladungsträger unter der Wirkung eines elektrischen Längsfelds ein elektrischer Strom erzeugt wird und der Strom durch ein durch eine Spannung erzeugtes transversales elektrisches Feld gesteuert wird an der Steuerelektrode.

In den letzten Jahren haben Geräte, die Phänomene in der oberflächennahen Schicht eines Halbleiters nutzen, einen großen Platz in der Elektronik eingenommen. Das Hauptelement solcher Geräte ist die Metall-Dielektrikum-Halbleiter-Struktur (MDP). Eine Oxidschicht, beispielsweise Siliziumdioxid, wird häufig als dielektrische Schicht zwischen einem Metall und einem Halbleiter verwendet. Solche Strukturen werden MOS-Strukturen genannt. Die Metallelektrode wird üblicherweise durch Vakuumsputtern auf das Dielektrikum aufgebracht. Diese Elektrode wird Gate genannt.

FETs sind unipolare Halbleiterbauelemente, da ihr Betrieb auf der Drift von Ladungsträgern gleichen Vorzeichens in einem elektrischen Längsfeld durch einen kontrollierten n- oder p-Typ-Kanal basiert. Der Strom durch den Kanal wird durch ein transversales elektrisches Feld gesteuert und nicht durch den Strom, wie bei Bipolartransistoren. Daher werden solche Transistoren Feldeffekttransistoren genannt.

Feldeffekttransistoren mit einem Gate in Form eines pn-Übergangs werden je nach Kanal in FETs mit p-Typ- und n-Typ-Kanal unterteilt. Der p-Typ-Kanal verfügt über Lochleitfähigkeit und der n-Typ-Kanal über elektronische Leitfähigkeit.

Wird an das Gate relativ zum Halbleiter eine bestimmte Vorspannung angelegt, so entsteht nahe der Oberfläche des Halbleiters eine Raumladungszone, deren Vorzeichen dem Vorzeichen der Ladung am Gate entgegengesetzt ist. In dieser Region kann die Konzentration der aktuellen Ladungsträger erheblich von ihrer Massenkonzentration abweichen.

Das Aufladen des oberflächennahen Bereichs des Halbleiters führt zum Auftreten einer Potentialdifferenz zwischen diesem und dem Volumen des Halbleiters und damit zur Krümmung der Energiebänder. Bei einer negativen Ladung am Gate biegen sich die Energiebänder nach oben, denn wenn sich ein Elektron vom Volumen zur Oberfläche bewegt, nimmt seine Energie zu. Ist das Gate positiv geladen, biegen sich die Zonen nach unten.

Die Abbildung zeigt die Bandstruktur eines n-Halbleiters mit negativer Ladung am Gate und gibt die Bezeichnungen der Hauptgrößen an, die die Oberfläche charakterisieren; Potentialdifferenz zwischen Oberfläche und Volumen des Halbleiters; Biegung oberflächennaher Zonen; Mitten in der verbotenen Zone. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass in der Masse eines Halbleiters der Abstand vom unteren Ende des Leitungsbandes zum Fermi-Niveau geringer ist als der Abstand vom Fermi-Niveau zum oberen Ende des Valenzbandes. Daher ist die Gleichgewichtskonzentration der Elektronen größer als die Konzentration der Löcher: wie es in n-Halbleitern sein sollte. In der Oberflächenschicht der Raumladung sind die Bänder gebogen und der Abstand vom unteren Ende des Leitungsbandes zum Fermi-Niveau nimmt bei der Bewegung zur Oberfläche kontinuierlich zu, und der Abstand vom oberen Ende des Valenzbandes zum Fermi-Niveau nimmt kontinuierlich ab.

Häufig wird die Biegung der oberflächennahen Zonen in der Einheit kT ausgedrückt und mit Ys bezeichnet. Bei der Bildung des oberflächennahen Bereichs des Halbleiters können dann drei wichtige Fälle auftreten: Verarmung, Inversion und Anreicherung dieses Bereichs mit Ladungsträgern. Diese Fälle für Halbleiter vom n- und p-Typ sind in den Abbildungen dargestellt.

Der Verarmungsbereich entsteht, wenn das Vorzeichen der Gate-Ladung mit dem Vorzeichen der Majoritätsstromträger übereinstimmt. Die durch eine solche Ladung verursachte Bandbiegung führt zu einer Vergrößerung des Abstands vom Fermi-Niveau zum unteren Ende des Leitungsbandes in einem Halbleiter vom n-Typ und zum oberen Ende des Valenzbands in einem Halbleiter vom p-Typ. Eine Vergrößerung dieser Entfernung geht mit einer Erschöpfung der oberflächennahen Region durch große Träger einher. Bei einer hohen Gate-Ladungsdichte, deren Vorzeichen mit dem Vorzeichen der Ladung der Majoritätsträger übereinstimmt, ergibt sich bei Annäherung an die Oberfläche der Abstand vom Fermi-Niveau zur Spitze des Valenzbandes in einem Halbleiter vom n-Typ kleiner sein als der Abstand zum unteren Ende des Leitungsbandes. Dadurch wird die Konzentration der nicht-großen Ladungsträger/Löcher/ an der Oberfläche des Halbleiters höher als die Konzentration der Mehrheitsladungsträger und die Art der Leitung in diesem Bereich ändert sich, obwohl es fast nur wenige Elektronen und Löcher gibt im intrinsischen Halbleiter. In der Nähe der Oberfläche können jedoch ebenso viele oder sogar mehr Nicht-Mehrheitsladungsträger vorhanden sein, wie es in der Masse des Halbleiters Mehrheitsladungsträger gibt. Solche gut leitenden Schichten in der Nähe der Oberfläche mit der Art der Leitfähigkeit, die der des Volumens entgegengesetzt ist, werden Inversionsschichten genannt. An die Inversionsschicht schließt sich tief von der Oberfläche her eine Verarmungsschicht an.

Wenn das Vorzeichen der Gate-Ladung dem Vorzeichen der Ladung der Hauptstromträger im Halbleiter entgegengesetzt ist, werden unter ihrem Einfluss die Hauptträger an die Oberfläche angezogen und die oberflächennahe Schicht wird durch sie angereichert. Solche Schichten werden angereichert genannt.

In der integrierten Elektronik werden MIS-Strukturen häufig verwendet, um Transistoren und verschiedene darauf basierende integrierte Mikroschaltungen herzustellen. Auf Abb. zeigt schematisch den Aufbau eines MIS-Transistors mit isoliertem Gate. Der Transistor besteht aus einem Siliziumkristall (z. B. vom n-Typ), an dessen Oberfläche durch Diffusion / oder Ionenimplantation / in Fenster im Oxid p-Bereiche gebildet werden, wie in Abb. Einer dieser Bereiche wird als Quelle bezeichnet, der andere als Abfluss. Darüber sind ohmsche Kontakte angebracht. Der Spalt zwischen den Bereichen ist mit einem Metallfilm bedeckt, der durch eine Oxidschicht von der Kristalloberfläche isoliert ist. Diese Transistorelektrode wird Gate genannt. An der Grenze zwischen p- und n-Regionen erscheinen zwei pn-Übergänge – Source und Drain, die in der Abbildung dargestellt sind. mit Schraffur dargestellt.

Auf Abb. Dargestellt ist ein Diagramm der Einbindung eines Transistors in eine Schaltung: Ein Plus ist mit der Source verbunden, ein Minus der Spannungsquelle mit dem Drain und ein Minus der Source mit dem Gate. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass es keine Kontaktpotentialdifferenz, keine Ladung im Oxid und keine Oberflächenzustände gibt. Dann unterscheiden sich die Eigenschaften des Oberflächenbereichs bei fehlender Spannung am Gate in keiner Weise von den Eigenschaften von Halbleitern in der Masse. Der Widerstand zwischen Drain und Source ist sehr hoch, da der pn-Übergang des Drains in Sperrrichtung vorgespannt ist. Das Anlegen einer negativen Vorspannung an das Gate führt zunächst zur Bildung eines Verarmungsbereichs unter dem Gate und bei einer bestimmten Spannung, die als Schwellenwert bezeichnet wird, zur Bildung eines Inversionsbereichs, der die Source- und Drain-p-Bereiche mit einem leitenden Kanal verbindet. Bei höheren Gate-Spannungen wird der Kanal breiter und der Drain-Source-Widerstand kleiner. Die betrachtete Struktur ist somit ein gesteuerter Widerstand.

Allerdings wird der Kanalwiderstand nur bei niedrigen Drain-Spannungen nur durch die Gate-Spannung bestimmt. Bei einem Anstieg verlassen die Ladungsträger den Kanal zum Senkenbereich, die Verarmungsschicht am Drain-n-p-Übergang dehnt sich aus und der Kanal verengt sich. Die Abhängigkeit des Stroms von der Drain-Spannung wird nichtlinear.

Wenn sich der Kanal verengt, nimmt die Anzahl der freien Stromträger unter dem Gate ab, je mehr es sich dem Drain nähert. Damit der Strom im Kanal in jedem seiner Abschnitte gleich ist, muss das elektrische Feld entlang des Kanals in diesem Fall ungleichmäßig sein, seine Stärke muss bei Annäherung an den Abfluss zunehmen. Darüber hinaus führt das Auftreten eines Konzentrationsgradienten freier Stromträger entlang des Kanals zum Auftreten einer Diffusionskomponente der Stromdichte.

Bei einer bestimmten Spannung am Drain ist der Kanal am Drain blockiert, bei einem noch größeren Offset verkürzt sich der Kanal zur Source hin. Das Schließen des Kanals führt jedoch nicht zum Verschwinden des Drainstroms, da das elektrische Feld in der Sperrschicht, die den Kanal blockiert hat, Löcher entlang der Oberfläche zieht. Wenn Stromträger aus dem Kanal durch Diffusion in diesen Bereich gelangen, werden sie vom Feld aufgenommen und zum Drain übertragen. Wenn also die Drain-Spannung ansteigt, wird der reine Driftmechanismus der Stromträgerbewegung entlang des Kanals durch einen Diffusionsdriftmechanismus ersetzt.

Der Mechanismus des Stromflusses in einem MIS-Transistor mit geschlossenem Kanal weist einige Gemeinsamkeiten mit dem Stromfluss in einem in Sperrrichtung vorgespannten NP-Übergang auf. Denken Sie daran, dass im NP-Übergang Minoritätsstromträger durch Diffusion in den Raumladungsbereich des Übergangs gelangen und dann von dessen Feld aufgenommen werden.

Wie Theorie und Experiment zeigen, ist der Drainstrom nach dem Schließen des Kanals praktisch gesättigt. Der Wert des Sättigungsstroms hängt von der Gate-Spannung ab; je höher, desto breiter der Kanal und desto größer der Sättigungsstrom. Dies ist ein typischer Transistoreffekt – die Gate-Spannung (im Eingangskreis) kann durch den Drain-Strom (Strom im Ausgangskreis) gesteuert werden. Ein charakteristisches Merkmal von MOS-Transistoren ist, dass ihr Eingang ein Kondensator ist, der durch ein vom Halbleiter isoliertes Metallgate gebildet wird.

An der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Dielektrikum, in der Bandlücke des Halbleiters, gibt es Energiezustände, die als Oberflächen- oder genauer Grenzflächenzustände bezeichnet werden. Die Wellenfunktionen der Elektronen in diesen Zuständen sind in der Nähe der Grenzfläche in Bereichen in der Größenordnung der Gitterkonstanten lokalisiert. Der Grund für das Auftreten der betrachteten Zustände ist die Unvollkommenheit der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Dielektrikum (Oxid). An realen Grenzflächen gibt es immer eine bestimmte Anzahl freier Bindungen und die Stöchiometrie der Zusammensetzung des dielektrischen Oxidfilms wird verletzt. Die Dichte und Art der Grenzflächenzustände hängen im Wesentlichen von der Technologie zur Herstellung eines dielektrischen Films ab.

Das Vorhandensein von Oberflächenzuständen an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Dielektrikum wirkt sich nachteilig auf die Parameter des MIS-Transistors aus, da ein Teil der unter dem Gate im Halbleiter induzierten Ladung von diesen Zuständen eingefangen wird. Der Erfolg bei der Entwicklung von Feldeffekttransistoren des betrachteten Typs wurde nach der Entwicklung der Technologie zur Erzeugung eines Films auf einer Siliziumoberfläche mit einer geringen Zustandsdichte der Grenzfläche erzielt.

Im Siliziumoxid selbst ist immer eine positive „eingebaute“ Ladung vorhanden, deren Natur noch nicht vollständig geklärt ist. Der Wert dieser Ladung hängt von der Oxidherstellungstechnologie ab und erweist sich oft als so groß, dass bei Verwendung von p-Typ-Silizium als Substrat selbst bei einer Gate-Vorspannung von Null eine Inversionsschicht nahe seiner Oberfläche gebildet wird. Solche Transistoren werden BUILT-IN-CHANNEL-Transistoren genannt. Der Kanal in ihnen bleibt auch dann erhalten, wenn eine negative Vorspannung an das Gate angelegt wird. Im Gegensatz dazu entsteht bei auf einem n-Substrat gefertigten Transistoren, bei denen zu viel Oxidladung für die Bildung einer Inversionsschicht erforderlich ist, ein Kanal erst dann, wenn an das Gate eine Spannung angelegt wird, die eine bestimmte Schwellenspannung überschreitet. Diese Gate-Vorspannung muss bei Transistoren mit n-Substrat ein negatives Vorzeichen und bei einem p-Substrat ein positives Vorzeichen haben.

Bei hohen Drainspannungen des MOS-Transistors kann sich die Raumladungszone aus der Drainzone so stark ausbreiten, dass der Kanal ganz verschwindet. Dann strömen die Ladungsträger aus dem stark dotierten Source-Bereich zum Drain, genau wie wenn die Basis eines Bipolartransistors „durchbohrt“ wird.

Literatur:

„Festkörperelektronik“ G.I.Epifanov, Yu.A.Moma.

„Elektronik und Mikroschaltungstechnik“ V.A. Skarzhepa, A.N. Luzenko.

Vorbereitet

Ein Schüler der 10. Klasse „A“.

Schule Nr. 610

Ivchin Alexey

Zusammenfassung zum Thema:

„Halbleiterdioden und Transistoren, Anwendungsgebiete“

1. Halbleiter: Theorie und Eigenschaften

2. Grundlegende Halbleiterbauelemente (Struktur und Anwendung)

3. Arten von Halbleiterbauelementen

4. Produktion

5. Geltungsbereich

1. Halbleiter: Theorie und Eigenschaften

Zunächst müssen Sie sich mit dem Leitungsmechanismus in Halbleitern vertraut machen. Und dafür muss man die Natur der Bindungen verstehen, die die Atome eines Halbleiterkristalls nebeneinander halten. Betrachten Sie zum Beispiel einen Siliziumkristall.

Silizium ist ein vierwertiges Element. Das bedeutet im Äußeren

Die Hülle eines Atoms hat vier relativ schwach gebundene Elektronen

mit Kern. Die Anzahl der nächsten Nachbarn jedes Siliziumatoms ist ebenfalls gleich

vier. Die Wechselwirkung eines Paares benachbarter Atome erfolgt mit

paonoelektronische Bindung, sogenannte kovalente Bindung. In Ausbildung

Diese Bindung von jedem Atom beinhaltet ein Valenzelektron, das

die von Atomen abgespalten (vom Kristall kollektiviert) und

verbringen die meiste Zeit in der Zeit dazwischen

benachbarte Atome. Ihre negative Ladung hält die positiven Siliziumionen nahe beieinander. Jedes Atom geht mit seinen Nachbarn vier Bindungen ein,

und jedes Valenzelektron kann sich entlang eines von ihnen bewegen. Sobald es das benachbarte Atom erreicht hat, kann es zum nächsten und dann weiter entlang des gesamten Kristalls wandern.

Valenzelektronen gehören zum gesamten Kristall. Die Paar-Elektronen-Bindungen von Silizium sind recht stark und brechen bei niedrigen Temperaturen nicht. Daher leitet Silizium bei niedrigen Temperaturen keinen Strom. Die an der Bindung von Atomen beteiligten Valenzelektronen sind fest mit dem Kristallgitter verbunden und das äußere elektrische Feld hat keinen merklichen Einfluss auf ihre Bewegung.

elektronische Leitfähigkeit.

Wenn Silizium erhitzt wird, erhöht sich die kinetische Energie der Partikel und

Bindungen sind kaputt. Manche Elektronen verlassen ihre Umlaufbahnen und werden frei, wie Elektronen in einem Metall. In einem elektrischen Feld bewegen sie sich zwischen Gitterplätzen und bilden dabei einen elektrischen Strom.

Die Leitfähigkeit von Halbleitern ist auf das Vorhandensein freier Metalle in Metallen zurückzuführen

Elektronen von Elektronen nennt man elektronische Leitfähigkeit. Mit steigender Temperatur nimmt die Zahl der gebrochenen Bindungen und damit die Zahl der freien Elektronen zu. Bei Erwärmung von 300 auf 700 K erhöht sich die Zahl der freien Ladungsträger von 10–17 auf 10–24 1/m V3. Dies führt zu einer Verringerung des Widerstands.

Lochleitung.

Beim Aufbrechen der Bindung entsteht eine Lücke mit dem fehlenden Elektron.

Es heißt Loch. Das Loch weist im Vergleich zu den übrigen normalen Bindungen eine überschüssige positive Ladung auf. Die Position des Lochs im Kristall ist nicht festgelegt. Der folgende Prozess läuft kontinuierlich ab. Eins

von den Elektronen, die für die Verbindung der Atome sorgen, springt an die Stelle von

entstehen Löcher und stellen hier die Paar-Elektronen-Bindung wieder her.

und dort, wo das Elektron herausgesprungen ist, entsteht ein neues Loch. Also

Somit kann sich das Loch durch den Kristall bewegen.

Wenn die elektrische Feldstärke in der Probe Null ist, erfolgt die Bewegung der Löcher, die der Bewegung positiver Ladungen entspricht, zufällig und erzeugt daher keinen elektrischen Strom. In Gegenwart eines elektrischen Feldes kommt es zu einer geordneten Bewegung der Löcher, und somit wird dem elektrischen Strom der freien Elektronen ein mit der Bewegung der Löcher verbundener elektrischer Strom hinzugefügt. Die Bewegungsrichtung von Löchern ist der Bewegungsrichtung von Elektronen entgegengesetzt.

In Halbleitern gibt es also zwei Arten von Ladungsträgern: Elektronen und Löcher. Daher besitzen Halbleiter nicht nur elektronische, sondern auch Lochleitfähigkeit. Die Leitfähigkeit unter diesen Bedingungen wird als intrinsische Leitfähigkeit von Halbleitern bezeichnet. Die Eigenleitfähigkeit von Halbleitern ist normalerweise gering, da die Anzahl der freien Elektronen gering ist, beispielsweise in Germanium bei Raumtemperatur ne = 3 x 10 in 23 cm in -3. Gleichzeitig beträgt die Anzahl der Germaniumatome in 1 Kubikzentimeter etwa 10–23. Somit beträgt die Zahl der freien Elektronen etwa ein Zehnmilliardstel der Gesamtzahl der Atome.

Ein wesentliches Merkmal von Halbleitern ist, dass sie

in Gegenwart von Verunreinigungen, zusammen mit intrinsischer Leitfähigkeit,

zusätzlich - Verunreinigungsleitfähigkeit. Durch Veränderung der Konzentration

Durch Verunreinigungen kann man zusätzlich die Anzahl der Ladungsträger deutlich verändern

oder ein anderes Zeichen. Dies ermöglicht die Herstellung von Halbleitern

vorherrschende Konzentration entweder negativ oder positiv

stark geladene Träger. Diese Eigenschaft von Halbleitern ist offen

bietet zahlreiche Möglichkeiten zur praktischen Anwendung.

Spenderverunreinigungen.

Es zeigt sich, dass in Gegenwart von Verunreinigungen, wie etwa Arsenatomen, bereits bei sehr geringen Konzentrationen die Zahl der freien Elektronen zunimmt

viele Male. Dies geschieht aus folgendem Grund. Arsenatome haben fünf Valenzelektronen, von denen vier an der Bildung einer kovalenten Bindung eines bestimmten Atoms mit den umgebenden Elektronen beteiligt sind, beispielsweise mit Siliziumatomen. Das fünfte Valenzelektron ist schwach an das Atom gebunden. Es verlässt leicht das Arsenatom und wird frei. Die Konzentration freier Elektronen steigt deutlich an und wird tausendmal größer als die Konzentration freier Elektronen in einem reinen Halbleiter. Verunreinigungen, die leicht Elektronen abgeben, werden Donor-Verunreinigungen genannt, und solche Halbleiter sind Halbleiter vom n-Typ. In einem Halbleiter vom n-Typ sind Elektronen die Hauptladungsträger und Löcher die Nebenladungsträger.

Akzeptorverunreinigungen.

Wenn Indium, dessen Atome dreiwertig sind, als Verunreinigung verwendet wird, ändert sich die Art der Leitfähigkeit des Halbleiters. Für die Bildung normaler Paar-Elektronen-Bindungen mit Nachbarn ist das Indiumatom jedoch nicht erforderlich

bekommt ein Elektron. Dadurch entsteht ein Loch. Die Anzahl der Löcher im Kristall

Thalle ist gleich der Anzahl der Verunreinigungsatome. Diese Art von Verunreinigungen

werden Akzeptoren genannt. In Gegenwart eines elektrischen Feldes

Die Löcher bewegen sich entlang des Feldes und es kommt zur Lochleitung. Von-

Halbleiter, bei denen die Lochleitung gegenüber der Elektronenleitung überwiegt.

Noah heißt p-Typ-Halbleiter (vom Wort positiv – positiv).

2. Grundlegende Halbleiterbauelemente (Struktur und Anwendung)

Es gibt zwei Haupthalbleiterbauelemente: Diode und Transistor.

Heutzutage werden Halbleiterdioden neben Zwei-Elektroden-Lampen zunehmend zur Gleichrichtung des elektrischen Stroms in Funkschaltungen eingesetzt, da sie eine Reihe von Vorteilen bieten. In einer Vakuumröhre werden durch Erhitzen der Kathode Ladungsträger, Elektronen, erzeugt. Im pn-Übergang werden Ladungsträger gebildet, wenn eine Akzeptor- oder Donorverunreinigung in den Kristall eingebracht wird. Daher ist keine Energiequelle erforderlich, um Ladungsträger zu erhalten. Bei komplexen Schaltungen erweisen sich die daraus resultierenden Energieeinsparungen als sehr erheblich. Darüber hinaus sind Halbleitergleichrichter mit den gleichen Werten des gleichgerichteten Stroms kleiner als Lampengleichrichter.

Halbleiterdioden bestehen aus Germanium, Silizium. Selen und andere Substanzen. Überlegen Sie, wie ein pn-Übergang mithilfe einer Donorverunreinigung erzeugt wird. Dieser Übergang kann nicht durch mechanische Verbindung zweier Halbleiter unterschiedlicher Art erhalten werden, weil in diesem Fall ergibt sich ein zu großer Spalt zwischen den Halbleitern. Diese Dicke sollte nicht größer sein als die Atomabstände. Daher wird Indium in eine der Oberflächen der Probe eingeschmolzen. Durch die Diffusion von Indium-Indium-Atomen tief in den Germanium-Einkristall wird nahe der Germanium-Oberfläche ein Bereich mit p-Leitfähigkeit umgewandelt. Der Rest der Germaniumprobe, in die keine Indmyan-Atome eingedrungen sind, weist immer noch eine n-Leitfähigkeit auf. Zwischen den Regionen entsteht ein pn-Übergang. In einer Halbleiterdiode dient Germanium als Kathode und Indium als Anode. Abbildung 1 zeigt den direkten (b) und den umgekehrten (c) Anschluss der Diode.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie für Direkt- und Rückwärtsanschluss ist in Abbildung 2 dargestellt.

Sie ersetzten die Lampen, sie werden in der Technik sehr häufig verwendet, hauptsächlich für Gleichrichter, und auch Dioden haben in verschiedenen Geräten Anwendung gefunden.

Transistor.

Betrachten wir einen der Transistortypen aus Germanium oder Silizium mit eingebrachten Donor- und Akzeptorverunreinigungen. Die Verteilung der Verunreinigungen ist so, dass zwischen zwei p-Halbleiterschichten eine sehr dünne (in der Größenordnung einiger Mikrometer) n-Halbleiterschicht entsteht (Abb. 3. Diese dünne Schicht wird Basis oder Basis genannt. Im Kristall bilden sich zwei pn-Übergänge, deren direkte Richtungen entgegengesetzt sind. Drei Ausgänge aus Regionen mit unterschiedlichen Leitfähigkeitstypen ermöglichen das Einschalten des Transistors in der in Abbildung 3 gezeigten Schaltung. Mit dieser Einbeziehung

Der linke pn-Übergang ist direkt und trennt die Basis vom p-Typ-Bereich, der Emitter genannt wird. Gäbe es keinen rechten pn-Übergang, würde im Emitter-Basis-Kreis ein Strom fließen, abhängig von der Spannung der Quellen (Batterie B1 und Wechselspannungsquelle).

Bewegung) und Stromkreiswiderstand, einschließlich direktem Niederwiderstand

Übergang Emitter - Basis. Batterie B2 ist so angeschlossen, dass der rechte pn-Übergang im Stromkreis (siehe Abb. 3) vertauscht ist. Es trennt die Basis von der rechten p-Typ-Region, die als Kollektor bezeichnet wird. Gäbe es keinen linken p-n-Übergang, wären die Stromstärke und der Kollektorkreis nahe Null. Da der Widerstand des Rückwärtsübergangs sehr hoch ist. Wenn im linken p-n-Übergang ein Strom fließt, entsteht auch im Kollektorkreis ein Strom, und der Strom im Kollektor ist nur geringfügig kleiner als der Strom im Emitter. Wenn zwischen Emitter und Basis eine Spannung entsteht, wird die Hauptträger des p-Typ-Halbleiters – Löcher dringen in die Basis ein, ddr sind bereits Hauptträger. Da die Dicke der Basis sehr gering ist und die Anzahl der darin enthaltenen Mehrheitsträger (Elektronen) gering ist, verbinden sich die hineingefallenen Löcher kaum mit den Elektronen der Basis (rekombinieren sie nicht) und dringen aufgrund von in den Kollektor ein Diffusion. Der rechte p-n-Übergang ist für die Hauptladungsträger der Basis – Elektronen – geschlossen, nicht jedoch für Löcher. Im Kollektor werden die Löcher durch das elektrische Feld weggetragen und schließen den Stromkreis. Die Stärke des von der Basis in den Emitterkreis abzweigenden Stroms ist sehr gering, da die Querschnittsfläche der Basis in der horizontalen Ebene (siehe Abb. 3) viel kleiner ist als der Querschnitt in der vertikalen Ebene . Der Strom im Kollektor, der fast gleich dem Strom im Emitter ist, ändert sich zusammen mit dem Strom im Emitter. Widerstandswiderstand R hat wenig Einfluss auf den Strom im Kollektor und dieser Widerstand kann ausreichend groß gemacht werden. Durch die Steuerung des Emitterstroms mit einer in seinem Stromkreis enthaltenen Wechselspannungsquelle erhalten wir eine synchrone Änderung der Spannung am Widerstand. Bei einem großen Widerstandswert kann die Spannungsänderung an ihm zehntausendmal größer sein als die Signaländerung im Emitterkreis. Das bedeutet Spannungsverstärkung. Daher ist es an der Last R möglich, elektrische Signale zu erhalten, deren Leistung um ein Vielfaches größer ist als die in den Emitterkreis eintretende Leistung. Sie ersetzen Vakuumröhren und werden in der Technik häufig verwendet.

3. Arten von Halbleiterbauelementen.

Neben Planardioden in Abb. 8 und Transistoren gibt es in Abb. 4 auch Punktdioden. Punkttransistoren (siehe Struktur in der Abbildung) werden vor der Verwendung geformt, d. h. einen Strom einer bestimmten Stärke fließen lassen, wodurch sich unter der Drahtspitze ein Bereich mit Lochleitfähigkeit bildet. Transistoren sind vom pnp- und vom npn-Typ. Bezeichnung und Gesamtansicht in Abbildung 5.

Es gibt Foto- und Thermowiderstände sowie Varistoren, siehe Abbildung. Zu den Planardioden gehören Selengleichrichter. Die Basis einer solchen Diode ist eine Stahlscheibe, die auf einer Seite mit einer Schicht aus Selen beschichtet ist, einem Halbleiter mit Lochleitfähigkeit (siehe Abb. 7). Die Oberfläche von Selen ist mit einer Cadmiumlegierung beschichtet, wodurch ein Film mit elektronischer Leitfähigkeit entsteht, wodurch ein gleichrichtender Stromübergang entsteht. Je größer die Fläche, desto größer der gleichgerichtete Strom.

4. Produktion

Die Herstellungstechnologie der Diode ist wie folgt. Ein Stück Indium wird auf der Oberfläche einer quadratischen Platte mit einer Fläche von 2-4 cm2 und einer Dicke von einigen Bruchteilen eines Millimeters geschmolzen, die aus einem Halbleiterkristall mit elektronischer Leitfähigkeit geschnitten wurde. Indium ist fest mit der Platte verschmolzen. Gleichzeitig dringen (diffundieren) Indiumatome in die Dicke der Platte ein und bilden darin einen Bereich mit überwiegender Lochleitfähigkeit. Je dünner der Halbleiterwafer ist. Je geringer der Widerstand der Diode in Durchlassrichtung ist, desto größer ist der von der Diode gleichgerichtete Strom. Die Kontakte der Diode bestehen aus einem Tropfen Indium und einer Metallscheibe oder einem Metallstab mit Anschlussdrähten.

Nach dem Zusammenbau des Transistors wird dieser in ein Gehäuse eingebaut und eine E-Mail angeschlossen. Verbinden Sie die Anschlüsse mit den Kontaktplatten des Kristalls und dem Ausgang des Gehäuses und versiegeln Sie das Gehäuse.

5. Geltungsbereich

Dioden sind sehr zuverlässig, ihre Einsatzgrenze liegt jedoch bei -70 bis 125 °C. Bei einer Punktdiode ist die Kontaktfläche sehr klein, daher betragen die Ströme, die solche Dioden gleichrichten können, nicht mehr als 10-15 mA. Und sie werden hauptsächlich zur Modulation hochfrequenter Schwingungen und für Messgeräte verwendet. Für jede Diode gibt es einige maximal zulässige Grenzwerte für den Vorwärts- und Rückwärtsstrom, abhängig von der Vorwärts- und Rückwärtsspannung und der Bestimmung ihrer Gleichrichtungs- und Festigkeitseigenschaften.

Transistoren reagieren wie Dioden empfindlich auf Temperatur, Überlastung und eindringende Strahlung. Im Gegensatz zu Radioröhren brennen Transistoren durch unsachgemäßen Anschluss durch.

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