Полупроводниковые приборы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МУРМАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

Вечерне-заочный факультет

 

                                                                      Кафедра:судовой автоматики

                                                                          и вычислительной техники

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1

по дисциплине «Электроника»

 

по теме

«Полупроводниковые приборы»

 

 

 

 

 

Выполнил:                                  

Студент  2  курса ВЗФ

специальности: «Электроэнергетика и электротехника»

Ф.И.О.  Кожевников Иван Владимирович                                    

Шифр: ЭЛ.б.з.с.-11232

 

Проверил:

 

 

                                                                           

 

                                                                                        

                                                                                        

 

 

 

 

                                                                  МУРМАНСК

                                                          2013

Контрольная работа №1

 

1. В чём заключается и чем объясняется выпрямляющий эффект электронно-дырочного p-n-перехода?

Контакт двух полупроводников обладает выпрямляющим действием. Это значит, что сопротивление такого контакта зависит от направления проходящего через него тока. В одном направлении (запорном) оно велико, в противоположном (пропускном) - мало. Особенно резко выпрямляющее действие выражено на границе дырочного (р) и электронного (n) полупроводников, когда работа выхода электрона из электронного полупроводника меньше, чем из дырочного. О таком контакте говорят, как об электронно-дырочном (р-n) контакте или переходе.

Для получения хороших p-n переходов в пластинку чистого полупроводника вводят две примеси - донорную и акцепторную. Первая сообщает полупроводнику электронную, а вторая - дырочную проводимость. Например, если пластинка сделана из германия или кремния, то в качестве донора можно взять элемент пятой группы периодической системы (фосфор, мышьяк и пр.), а в качестве акцептора - элемент третьей группы (бор, индий и пр.). В результате в одной половине пластинки возникает электронная, а в другой - дырочная проводимость, а между обеими половинками - тонкий переходный слой. Это и есть p-n переход.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход, n-p-переход), переходная область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.

 

В состоянии равновесия уровень Ферми в n- и p-областях выравнивается. Происходит это в результате следующих процессов. На представленной схеме изображен полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.

 

Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.

 

Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Объясните принцип  работы датчика Холла. ВАХ.

 

Интегральные датчики магнитного поля в своём большинстве используют эффект Холла, открытый американским физиком Эдвином Холлом (E.Hall) в 1879 г. Эффект Холла состоит в следующем. Если проводник с током помещён в магнитное поле, то возникает э.д.с., направленная перпендикулярно и току, и полю. Эффект Холла иллюстрируется на рис. 1. По тонкой пластине полупроводникового материала протекает ток I. При наличии магнитного поля на движущиеся носители заряда (электроны) действует сила Лоренца. Эта сила искривляет траекторию движения электронов, что приводит к перераспределению объёмных зарядов в полупроводниковой пластине. Вследствие этого на краях пластины, параллельных направлению протекания тока, возникает э.д.с., называемая э.д.с. Холла.Эта э.д.с. пропорциональна векторному произведению индукции B на плотность тока j.

 

Рис.1 Иллюстрация эффекта Холла

 

 

 

Рис.2 Расположение двух элементов Холла на ИМС, компенсирующее ошибку, вызванную механической деформацией кристалла

где d – ширина пластины, q – заряд частицы-носителя, n – концентрация носителей. При снижении концентрации носителей э.д.с. Холла возрастает, поэтому в качестве материала для датчиков Холла предпочтительно использование таких полупроводников, как кремний, арсенид галлия и др. Для прямоугольной пластины с однородными током и магнитным полем, направленными, как показано на рис. 1, эта э.д.с. равна

 

 

где kн – постоянная Холла, VS – напряжение, создаваемое на токоподводящих выводах датчика Холла. Для кремния kн составляет величину по рядка 70 мВ/(В•Тл), поэтому, как правило, э.д.с. датчика Холла требуется усиливать. Кремний обладает тензорезистивным эффектом, заключающимся в изменении сопротивления при механических напряжениях. Желательно уменьшить это влияние в датчике Холла. Это достигается соответствующей ориентацией элемента Холла на интегральной схеме и использованием нескольких элементов на кристалле. На рис. 2 показаны два элемента Холла, расположенные рядом на кристалле ИМС. Они позиционированы так, что испытывают практически одинаковое механическое напряжение, вызывающее изменение R. К элементу, который на рисунке изображён слева, приложено напряжение возбуждения VS, направленное по вертикальной оси, а к изображённому справа – по горизонтальной. При сложении сигналов этих двух датчиков ошибка, вызванная деформацией кристалла, компенсируется.

Типичные ВАХ и выходные характеристики, т. е. ЭДС Холла в зависимости от напряжения питания, при различных значениях напряжения на управляющих электродах, представлены на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Типичные вольтамперные и соответствующие характеристики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26. Какими параметрами  характеризуются биполярные и  униполярные транзисторы?

 

Основные параметры биполярного транзистора:

 

• Коэффициент передачи по току
• Входное сопротивление
• Выходная проводимость
• Обратный ток коллектор-эмиттер
• Время включения
• Предельная частота коэффициента передачи тока базы
• Обратный ток коллектора
• Максимально допустимый ток
• Граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером

 

Условные обозначения параметров биполярных и униполярных транзисторов:

Обозначение Параметр B1-B2/Iк статический коэффициент передачи тока Fт предельная частота коэффициента передачи тока Cк/Uк емкость коллекторного перехода (Cк) и напряжение на коллекторе (Uк), при котором она измеряется Cэ/Uэ емкость эмиттерного перехода (Cэ) и напряжение эмиттер/база (Uэ), при котором она измеряется Rб*Cк постоянная времени цепи обратной связи на высокой частоте Uкэ(Iк/Iб) напряжение насыщения коллектор-эмиттер (Uкэ) биполярного транзистора при заданном токе коллектора (Iк) и заданном токе базы (Iб) Iко обратный ток коллектора Uкб максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-база Uэб максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база Uкэ/R максимально допустимое постоянное напряжение коллектор-эмиттер (Uкэ) при заданной величине сопротивления, включенного между базой и эмиттером (R) Iбм предельно допустимый постоянный ток базы Iкм/Iкнас предельно допустимый постоянный (Iкм) ток коллектора предельно допустимый ток коллектора в режиме насыщения (Iкнас)или в импульсе Pк максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на коллекторе Pк/Pт максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность на транзисторе без теплоотвода (Pк) и с теплоотводом (Pт). Rпк тепловое сопротивление перехода коллектор-корпус транзистора

 

Параметры транзистора делятся на собственные (первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства транзистора, не зависимо от схемы его включения. В качестве основных собственных параметров принимают:

- коэффициент усиления по току α;

- сопротивления эмиттера, коллектора и базы переменному.

 

Вторичные параметры различны для различных схем включения транзистора и, вследствие его нелинейности, справедливы только для низких частот и малых амплитуд сигналов. Для вторичных параметров предложено несколько систем параметров и соответствующих им эквивалентных схем.

 

 

 

Основные параметры униполярного транзистора:

Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор - исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость - проводимость участка сток - исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи - крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 - у12 ; функция обратной передачи - проходной проводимостью уЗС = у12 . Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора.

 

Начальный ток стока IС.нач - ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост - ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут - ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор - сток IЗСО - ток, протекающий в цепи затвор - сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор - исток I ЗИО - ток, протекающий в цепи затвор - исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами.

 

Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс - напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор - напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

 

Крутизна характеристик полевого транзистора S - отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком.