Физика атомного реактора Сопротивление материалов Математика решение задач Информатика Атомная энергетика безопасность Электротехника и электроника

Общий принцип действия и конструкции электрических машин Полупроводниковая электроника Трехфазный ток Принцип работы асинхронного двигателя Соединение нагрузки треугольником Полупроводниковые транзисторы


Функциональная классификация интегральных микросхем

  Практические возможности интегральной технологии в настоящее время таковы, что большинство маломощных функциональных узлов РЭА может быть реализовано в виде микросхем. Однако промышленное производство микросхем определенного типа целесообразно лишь тогда, когда данный тип находит массовое применение в РЭА.

Интегральные микросхемы по роду выполняемой функции разбиты на подгруппы: усилители, преобразователи, триггеры и т.д. Внутри каждой подгруппы микросхемы подразделены по виду выполняемой функции (усилители высокой частоты, преобразователи фазы, триггеры и т. д.).

При выборе микросхем для аппаратуры определенного типа необходимо руководствоваться не только функциональным назначением микросхемы, но и значением параметров, характеризующих свойства микросхемы и режимы работы.

Конкретные значения параметров и указания по применению приводятся в нормативнотехнической документации на изделие и в справочниках.

  Контрольные вопросы

1. Рассказать о современных разделах электроники: вакуумная электроника, полупроводниковая (твердое тело) электроника, оптоэлектроника, квантовая электроника, а также наноэлектроника.

Методы миниатюризации электронной аппаратуры.

Назовите микросхемы повышенного уровня интеграции.

На какие функциональные группы делятся интегральные микросхемы?

12.2. Электропроводность полупроводников.

12.2.1. Собственная проводимость

В отношении электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники, полупроводники и диэлектрики.

В металлах (проводники 1 рода) концентрация свободных электронов велика, поэтому сопротивление металлов электрическому току незначительно. В типичных диэлектриках концентрация свободных электронов ничтожно мала. Поэтому сопротивление диэлектриков значительно. В отношении электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Удельное сопротивление металлов порядка 106104 0м×см, полупроводников 1108 Ом×см, диэлектриков 10101015 Ом×см.

Характерной особенностью полупроводников является то, что их электрические свойства резко изменяются под влиянием ряда физических, факторов: температуры, освещения, электрического поля, примесей. К полупроводникам относятся окислы и сульфиды металлов, а также некоторые интерметаллические соединения. Классическая электронная теория не может полностью объяснить свойства полупроводников.

Проводимость полупроводника существенно зависит от внешних факторов – от температуры, от облучения и т.д. Свойства кристаллических полупроводников удовлетворительно объясняются зонной теорией.

 В атомах электроны занимают вполне определенные энергетические уровни. Внешние электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей и определяют валентность элемента и находятся на вполне определенных уровнях. Эти уровни называют валентными зонами. В полупроводниках валентная зона заполняется полностью, зоной проводимости становится свободная зона. Распределение электронов по уровням валентной зоны и зоны проводимости описывается функцией ФермиДирака

 , (12.1)

где функция f(E) – выражает вероятность нахождения электрона в квантовом состоянии с энергией Е при температуре T, энергия Ферми, k постоянная Больцмана. У собственного (чистого полупроводника) при абсолютном нуле градусов уровни валентной зоны заполнены полностью (f(E)= 1 для ), а на уровнях зоны проводимости электроны отсутствуют (f(E)= 0 для ). Поэтому полупроводник при Т= 0 ведет себя как диэлектрик. При абсолютном нуле в полупроводнике электроны не могут находиться в зоне проводимости, поэтому полупроводник является диэлектриком

 Зона между валентной зоной и зоной проводимости называется «запрещенная» зона. При повышении температуры в полупроводниках связь электрона с атомом ослабевает, и электрон за счет своей кинетической энергии, покидает свой уровень и переходит на уровень проводимости. Этот электрон становится электроном проводимости. При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют «дырка». В дырке образуется избыточный положительный заряд, по сравнению с остальными, нормальными связями. При наличии вакантных уровней поведение электронов в валентной зоне можно представить как движение положительно заряженных квазичастиц, получивших название «дырок». Представление о дырках отображает характер движения всей многоэлектронной системы в полупроводниках. При абсолютном нуле электроны в металлах занимают верхние валентные зоны. Этот уровень называют уровнем Ферми. Уровень Ферми зависит от свойств материала. Для собственных полупроводников уровень Ферми лежит посредине запрещенной зоны. В связи с малой величиной DЕ у полупроводников оказывается возможным при Т>0К тепловой переброс электронов из занятой валентной зоны в свободную зону проводимости (рис. 12.1). С ростом температуры интенсивность теплового переброса резко возрастает, так как вероятность, что при температуре Т электрон получит энергию DЕ пропорциональна

  . (12.2)

  Рис. 12.1

12.2.2. Примесная проводимость

Одновременно с появлением электронов в зоне проводимости в валентной зоне образуются свободные уровни (вакансии), которые могут быть заполнены электронами при сообщении им энергии, например, электрическим полем. Во внешнем поле вакансии перемещаются в направлении, противоположном движению свободных электронов, так как бы двигался положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Их называют дырками, а проводимость, обусловленная их движением дырочной проводимостью или проводимостью ртипа в отличие от обычной электронной проводимости (n типа) (рис. 12.2).

 Зонные диаграммы полупроводников 

  p типа nтипа

 

    Электроны 

 Зона проводимости   

 Ионированные доноры 

 Запрещенная зона

 Уровень Ферми

 Ионированные акцепторы 

   Валентная зона 

   

 Дырки 

 Рис. 12.2 

Для полупроводников pтипа уровень Ферми располагается в нижней половине запрещенной зоны, nтипа – в верхней половине запрещенной зоны. Собственная проводимость полупроводника обычно невелика, т.к. мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре оно равно 3*10см, а число атомов в 1смпорядка 1023 (рис. 12.3). Т.о., число свободных электронов составляет одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов. При наличии примесей, даже при очень малой концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Рассмотрим, как образуется проводимость у примесных полупроводников. В четырехвалентный кремний добавили небольшое количество пятиатомного мышьяка (рис. 12.4). Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов. Четыре из них будет участвовать в ковалентной связи данного атома с окружающими атомами кремния. Пятый валентный электрон окажется слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. При добавлении к основным атомам кремния одной десятимиллионной доли атомов мышьяка концентрация свободных электронов становится равной 10см. Это в тысяча раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электрон, называют донорными примесями. Полупроводники называют nтипа.

Если в качестве примеси использовать трехвалентный индий, то характер проводимости полупроводника меняется иначе. Для образования ковалентной связи с соседними атомами индию не хватает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси называют акцепторными.

 

 дырка

 Рис. 12.3

 

 Свободный элек

 


 Рис. 12.4

 Зонная диаграмма pn перехода

 

 Зона проводимости 

 Акцепторные 

  Донорные УровеньФерми 

 Запрещенная зона

 Валентная зона

  Рис. 12.5

 Поэтому удельная электропроводность собственного полупроводника складывается из электронной и дырочной проводимостей и вычисляется по формуле:

  , (12.3)

где ni концентрация свободных электронов, равная в собственном полупроводнике концентрация дырок (n = p = ni); Un и Up соответственно подвижности электронов и дырок (т.е. скорости) их перемещения вдоль электрического поля при напряженности поля Е=1В/м). Поскольку концентрации носителей тока пропорциональны f(Е), то согласно (12.2) и (12.3) электропроводность быстро растет с повышением температуры, изменяясь по закону

  , (12.4)

 где s0 – константа. 

Если в состав химически чистого полупроводника ввести нужные (донорные или акцепторные) примеси, то можно получить полупроводники только с электронным типом проводимости (n – полупроводники), либо только с донорным (р – полупроводником). Это связано с появлением в запрещенной зоне соответственно донорных или акцепторных уровней (рис. 12.5). Величины DEД, DEа носят названия энергии активации доноров и акцепторов.

Удельная электропроводность для примесного полупроводника с одним типом примеси.

  , (12.5)

 . (12.6)

Удельная электропроводность полупроводника с акцепторной и донорной примесями:

 , (12.7)

где DЕnp – энергия активизации примесного полупроводника.

Практически при исследовании температурной зависимости проводимости полупроводников часто пользуются не проводимостью, а просто сопротивлением полупроводника. Согласно выражениям:

для собственного полупроводника

  , (12.8)

для примесных полупроводников одного типа соответственно

 , (12.9) 

 , (12.10)

для примесного полупроводника с акцепторными и донорными примесями

 , (12.11)

Энергию активации можно определить из данных измерений сопротивления терморезистора при каких–нибудь двух температур Т1 и Т2

  и 

откуда  (12.12)

Уравнение баланса мощности является модификацией закона сохранения энергии для электрических цепей. Это базовое уравнение для проверки правильности выполненных расчетов тех или иных цепей. В левой части этого уравнения стоит арифметическая сумма мощностей, которые выделяются на сопротивлениях от токов, протекающих по ним. В правой части - мощность, отданная источниками в сеть.
Функциональная классификация интегральных микросхем