что можно использовать в полупроводниковых ис в качестве диода
Элементы полупроводниковых интегральных схем
Полупроводниковые интегральные схемы – это интегральные схемы, все элементы и межэлементные соединения которых выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Конструктивной основой ИС является подложка из кремния р-типа или арсенида галлия толщиной 200–300 мкм. Элементы ИС формируются в изолированных от подложки локальных областях n-типа, называемых карманами. Изоляция карманов от подложки может быть осуществлена несколькими способами. Идеальной является изоляция посредством пленки двуокиси кремния (рис. 1.4, б). Однако такой способ технологически трудоемок. Наиболее простым является способ изоляции с помощью обратно смещенного р-n-перехода (рис. 1.4, а), но он не является совершенным из-за наличия обратного тока. Основным способом изоляции в современных ИС является метод комбинированной изоляции (рис. 1.4, в), сочетающий изоляцию диэлектриком и обратно смещенным р-n-переходом.
Биполярные транзисторы и диоды
Биполярные n–р–n-транзисторы являются основным схемным элементом полупроводниковых ИС. Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 1.5).
Такие структуры формируются в карманах n-типа, глубина которых составляет несколько микрометров, а ширина несколько десятков микрометров. Рабочей областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттера. Остальные области структуры являются пассивными, они выполняют функции соединения рабочих областей с внешними выводами и обладают значительными сопротивлениями. Изоляция транзистора от подложки обеспечивается путем подачи на коллектор положительного напряжения относительно подложки.
Транзисторы р–n–р-структуры в ИС играют вспомогательную роль. Их изготовляют одновременно с n–р–n-транзисторами и они, как правило, имеют горизонтальную структуру. В такой структуре эмиттерная и коллекторная области изготовляются одновременно с созданием базовых областей n–р–n-транзисторов. Перенос носителей заряда в таком транзисторе происходит в горизонтальном направлении.
В полупроводниковых ИС в качестве диода можно использовать один из n–р-переходов вертикального n–р–n-транзистора или их комбинацию. Получение диодов таким путем значительно проще, чем формирование специальных диодных структур. Возможны пять вариантов диодного включения n–р–n-транзистора (рис. 1.7). Первый вариант, когда коллектор соединен с базой (Икб = О), обеспечивает наиболее высокое быстродействие диода (tвосст » 1…10 нс), так как избыточный заряд, определяющий быстродействие, накапливается в базе за счет инжекции электронов только со стороны эмиттера. Во всех остальных вариантах накопление избыточного заряда имеет место не только в базе, но и в коллекторе, поэтому быстродействие таких вариантов значительно ниже (tвосст » 10…100 нс).
Для получения высокого пробивного напряжения используют диоды на основе коллекторного перехода.
Многоэмиттерные и многоколлекторные транзисторы
Многоэмиттерные транзисторы составляют основу цифровых ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Имея общие коллектор и базу, транзистор содержит до 16 эмиттеров. Структура трехэмиттерного транзистора показана на рис. 1.8. Ее можно рассматривать как интегрированную совокупность транзисторов, обладающую двумя особенностями.
Во-первых, соседние эмиттеры образуют паразитную горизонтальную n–р–n-структуру, коэффициент усиления которой должен быть уменьшен путем увеличения расстояния между эмиттерами. Это расстояние должно быть больше диффузионной длины электронов. Практически оно составляет 10…15 мкм.
Во-вторых, при закрытом эмиттерном переходе и открытом коллекторном вертикальная n–р–n-структура переходит в инверсный режим, в результате чего в цепи закрытого эмиттерного перехода возникнет ток, обусловленный инжекцией из коллектора. Чтобы уменьшить этот ток, необходимо уменьшить инверсный коэффициент передачи тока, что достигается путем увеличения расстояния, проходимого электронами через базу. С этой целью внешний вывод базы соединяют с активной областью транзистора через узкий перешеек, обладающий сопротивлением 200…300 Ом.
Транзистор с диодом Шоттки
Транзисторы с диодом Шоттки (ДШ) находят широкое применение в цифровых ИМС благодаря более высокому быстродействию по сравнению обычными транзисторами. В отличие от обычного планарного транзистора у транзистора с диодом Шоттки базовое контактное отверстие расширено в сторону коллекторной области n-типа (рис. 1.10, а), в результате чего образуется общий алюминиевый вывод от базовой и коллекторной областей. Слой алюминия, расположенный на базовом слое р-типа, образует с ним обычный омический контакт, хорошо пропускающий ток в обоих направлениях, а слой алюминия, расположенный на относительно высокоомной коллекторной области n-типа создает с ней выпрямляющий контакт, хорошо пропускающий ток в направлении от металла к полупроводнику, и плохо пропускающий ток в противоположном направлении, т. е. контакт металла с высокоомным электронным полупроводником является диодом Шоттки, включенным между коллектором и базой, как это показано на рис. 1.10, б. На принципиальных схемах транзисторы с ДШ изображают так, как это показано на рис. 1.10, в. Применение транзисторов с ДШ позволяет повысить быстродействие цифровых ИС в 2…5 раз, так как ДШ имеющий пороговое напряжение U* = 0,2…0,3 В, открывается раньше, чем коллекторный переход транзистора (U* = 0,5…0,7 В) и не позволяет транзистору переходить в режим насыщения. В результате накапливаемый в транзисторе избыточный заряд и время рассасывания существенно уменьшаются.
Металл, диэлектрик, полупроводник-транзисторы
МДП-транзисторы имеют относительно простую конструкцию, не требуют дополнительной изоляции в схеме и имеют меньшие по сравнению с биполярными транзисторами размеры, что позволяет повысить степень интеграции. В современных ИС обычно применяют МДП-транзисторы с индуцированным каналом n-типа и поликремневым затвором (рис. 1.11).
Комплементарные МДП-структуры (КМДП) представляют собой сочетание транзисторов с каналами n- и p-типа, соединенных последовательно. В такой структуре транзистор с каналом n-типа формируется непосредственно на кремниевой подложке р-типа, а транзистор с каналом р-типа – в специальном кармане n-типа. В целях повышения степени интеграции разработаны опытные образцы двухслойных КМДП-структур. В такой структуре на подложке р-типа создается обычный транзистор с n-каналом и поликремниевым затвором, а над n-канальным транзистором создается пленка отожженного поликремния, по своим свойствам приближающаяся к монокристаллу, в которой формируется транзистор с каналом р-типа. Оба транзистора имеют общий поликремниевый затвор. Созданная таким способом комплементарная пара вместе с соединениями занимает такую же площадь, как один транзистор с каналом n-типа.
Резисторы и конденсаторы
В качестве резисторов можно использовать объемные сопротивления эмиттерной, базовой или коллекторной областей.
Наиболее часто в полупроводниковых ИС применяются резисторы на основе базовой области (рис. 1.12). Чтобы изолировать резистор от подложки паразитный р–n–р-транзистор должен находиться в режиме отсечки. С этой целью на вывод К от n-слоя подают высокий потенциал. Отклонение от номинального значения сопротивления составляет 10…20 %. Помимо резисторов на основе типовой
n–р–n-структуры в современных ИС в качестве резисторов используют тонкие резистивные пленки, создаваемые методом ионного легирования, когда примеси внедряются в подложку путем бомбардировки ее поверхности потоком ионов. В этом случае удается получить резистивные пленки толщиной 0,1…0,3 мкм.
В некоторых случаях в полупроводниковых ИС применяют тонкопленочные резисторы, напыляемые на поверхность двуокисикремния. Такие резисторы отличаются более высокой точностью изготовления.
В полупроводниковых ИС в качестве конденсаторов используют либо емкости р–n-переходов, либо МДП-структуры. Если в качестве конденсатора используется емкость р–n-перехода, то на переход должно быть подано обратное напряжение. При этом емкость конденсатора будет зависеть от величины этого напряжения. Чаще используется вариант с коллекторным переходом. Практически емкость рабочего конденсатора Скб не превышает 300 пФ с допуском ±20 %
Таким образом, микроэлектронные технологии позволяют получить конденсаторы малой емкости, причем с низкой добротностью и точностью.
Диоды интегральных микросхем
Для создания диодов часто применяется диодное включение транзисторов. Возможные варианты подобного включения показаны на рис. 113.
Две первые схемы включения (рис. 113, а, б) представляют собой использование в качестве диодов эмиттерного и коллекторного р-n-переходов транзистора. Схемы, представленные на рис. 113, реализуются путем соответствующей коммутации дорожек межсоединений в ИМС. Электрические параметры получаемых таким образом диодов различны. Например, наименьшим обратным пробивным напряжением обладают диоды в схемах а), в), д), поскольку определяющим в данном случае является сильнолегированный эмиттерный p-n-переход. Наибольшей емкостью обладает схема д), в связи, с чем интегральный диод данной конструкции имеет наихудшие динамические свойства, в частности наибольшее время восстановления обратного сопротивления. Наилучшими динамическими свойствами характеризуется диод по схеме в) поскольку короткозамкнутый коллекторный переход предотвращает накопление неосновных носителей заряда в коллекторной области при включении диода в прямом направлении.
Рисунок 113 – Диоды интегральных микросхем
Интегральные диоды представляют собой многослойные структуры, характеристики которых определяются схемой включения транзисторной структуры. Определенное влияние оказывают паразитные транзисторы, которые образуются благодаря взаимодействию рабочих слоев с подложкой ИМС.
В частности, ток утечки диода в подложку определяется током коллектора паразитного транзистора.
Пассивные элементы полупроводниковых ИМС
В полупроводниковых ИМС процесс производства пассивных элементов является более дорогостоящим, чем процесс производства активных элементов. При изготовлении дискретных элементов наблюдается противоположная закономерность. Площади пассивных элементов полупроводниковых ИМС превосходят площади активных элементов.
Для пассивных элементов полупроводниковых ИМС характерен значительный температурный дрейф номинальных значений, а также большие абсолютные разбросы. Кроме того, получение пассивных элементов возможно лишь в ограниченном диапазоне значений номиналов.
Дата добавления: 2015-06-27 ; просмотров: 3455 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Тема 2.1. Полупроводниковые приборы
Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.
К полупроводниковым приборам можно отнести:
— стабилитроны или опорные диоды
— биполярные и полевые транзисторы и др.
Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.
Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.
Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.
Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.
Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.
Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.
Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.
Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.
Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.
Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.
Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.
Биполярные транзисторы и диоды
Биполярные n–р–n-транзисторы являются основным схемным элементом полупроводниковых ИС. Наибольшее распространение получили транзисторы, имеющие вертикальную структуру, в которой выводы от областей транзистора расположены в одной плоскости на поверхности подложки (рис. 1.5).
Такие структуры формируются в карманах n-типа, глубина которых составляет несколько микрометров, а ширина несколько десятков микрометров. Рабочей областью транзистора является область, расположенная под донной частью эмиттера. Остальные области структуры являются пассивными, они выполняют функции соединения рабочих областей с внешними выводами и обладают значительными сопротивлениями. Изоляция транзистора от подложки обеспечивается путем подачи на коллектор положительного напряжения относительно подложки.
Транзисторы р–n–р-структуры в ИС играют вспомогательную роль. Их изготовляют одновременно с n–р–n-транзисторами и они, как правило, имеют горизонтальную структуру. В такой структуре эмиттерная и коллекторная области изготовляются одновременно с созданием базовых областей n–р–n-транзисторов. Перенос носителей заряда в таком транзисторе происходит в горизонтальном направлении.
В полупроводниковых ИС в качестве диода можно использовать один из n–р-переходов вертикального n–р–n-транзистора или их комбинацию. Получение диодов таким путем значительно проще, чем формирование специальных диодных структур. Возможны пять вариантов диодного включения n–р–n-транзистора (рис. 1.7). Первый вариант, когда коллектор соединен с базой (Икб = О), обеспечивает наиболее высокое быстродействие диода (tвосст » 1…10 нс), так как избыточный заряд, определяющий быстродействие, накапливается в базе за счет инжекции электронов только со стороны эмиттера. Во всех остальных вариантах накопление избыточного заряда имеет место не только в базе, но и в коллекторе, поэтому быстродействие таких вариантов значительно ниже (tвосст » 10…100 нс).
Для получения высокого пробивного напряжения используют диоды на основе коллекторного перехода.
Принцип работы полупроводникового диода
Полупроводниковые диоды: виды, характеристики, принцип работы
Для контроля направления электрического тока необходимо применять разные радио и электро детали.
В частности, современная электроника использует с такой целью полупроводниковый диод, его применение обеспечивает ровный ток.
Устройство
Полупроводниковый электрический диод или диодный вентиль – это устройство, которое выполнено из полупроводниковых материалов (как правило, из кремния) и работает только с односторонним потоком заряженных частиц.
Основным компонентом является кристаллическая часть, с p-n переходом, которая подключена к двум электрическими контактами.
Трубки вакуумного диода имеют два электрода: пластину (анод) и нагретый катод.
Принцип работы диодов
Диод является одной из разновидностей приборов, сконструированных на полупроводниковой основе. Обладает одним p-n переходом, а также анодным и катодным выводом. В большинстве случаев он предназначен для модуляции, выпрямления, преобразования и иных действий с поступающими электрическими сигналами.
Принцип работы:
Устройство
Ниже приводится подробное описание устройства диода, изучение этих сведений необходимо для дальнейшего понимания принципов действия этих элементов:
Такие особенности внутреннего устройства наделяют диоды их главным свойством – возможностью проведения электрического тока только в одном направлении.
Назначение
Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:
Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.
Прямое включение диода
На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.
Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:
Обратное включение диода
Теперь будет рассмотрен другой способ включения, во время которого изменяется полярность внешнего источника, от которого происходит передача напряжения:
Прямое и обратное напряжение
Напряжение, которое оказывает воздействие на диод, разделяют по двум критериям:
Сопротивление p-n-перехода является постоянно меняющимся показателем, в первую очередь на него оказывает влияние прямое напряжение, подающееся непосредственно на диод. Если напряжение увеличивается, то показатели сопротивления перехода будут пропорционально уменьшаться.
Это приводит к росту параметров прямого тока, проходящего через диод. Когда данный прибор закрыт, то на него воздействует фактически все напряжение, по этой причине показатели проходящего через диод обратного тока являются незначительными, а сопротивление перехода при этом достигает пиковых параметров.
Работа диода и его вольт-амперная характеристика
Под вольт-амперной характеристикой данных приборов понимается кривая линия, которая показывает то, в какой зависимости находится электрический ток, протекающий через p-n-переход, от объемов и полярности напряжения, воздействующего на него.
Подобный график можно описать следующим образом:
Принцип работы
Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.
Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.
Аноды с положительным зарядом воздействуют на электроны и притягивают их, а образованное поле выступает в качестве катализатора такой реакции. Также в этот момент формируется эмиссионный ток.
В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.
Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.
Конструкция диода
Одна из возможных конструкций диода показана ниже:
Рассмотрим одну из возможных конструкций прибора. Кристалл полупроводника 1 (например, с электронной проводимостью) размещен на металлической основе 3. На верхней части кристалла размещена примесь 2 (например индий), который обеспечивает наличие дырочной проводимости. Кристалл закрыт корпусом 4 во избежание различных механических повреждений p-n перехода.
С индиевой наплавки сделан изолированный вывод через стеклянный изолятор 5 – это анод прибора. Выводом же катода будет металлический корпус 3, которая также обеспечивает отвод тепла при работе устройства, чем защищает его от теплового пробоя и перегрева.
В свою очередь полупроводниковые элементы делят на:
Схемы включения диодов
Если возникнет необходимость пропускать через полупроводники токи, которые больше их номинальных, соединяют их параллельно, что позволит пропустить больший ток, но возникает необходимость использовать индуктивные делители, для выравнивания токов элементов, схема ниже:
При больших напряжениях – соединяют последовательно. Но для таких соединений необходимо применять специальных схемы коммутации, чтоб не допустить выход элементов из строя, они показаны ниже: