- •О.С.Агеева, т.Н.Строганова, к.С.Чемезова
- •Предисловие
- •1.Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Корпускулярно-волновой дуализм микрочастиц
- •Опыты Девиссона и Джермера (1927г.)
- •Опыты Тартаковского и Томсона (1928 г.)
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Волновая функция
- •1.4. Уравнение Шредингера
- •1.5. Задача квантовой механики о движении свободной частицы
- •1.6. Задача квантовой механики о частице в одномерной прямоугольной потенциальной яме
- •1.7. Понятие о туннельном эффекте.
- •1.8. Атом водорода в квантовой механике. Квантовые числа
- •Состояния электрона в атоме водорода
- •1.9. 1S– состояние электрона в атоме водорода
- •1.10. Спин электрона. Принцип Паули
- •1.11. Спектр атома водорода
- •1.12. Поглощение света, спонтанное и вынужденное излучения
- •1.13. Лазеры
- •1.13.1. Инверсия населенностей
- •1.13.2. Способы создания инверсии населенностей
- •1.13.3. Положительная обратная связь. Резонатор
- •1.13.4. Принципиальная схема лазера.
- •1.14. Уравнение Дирака. Спин.
- •2. Зонная теория твердых тел.
- •2.1. Понятие о квантовых статистиках. Фазовое пространство
- •2.2. Энергетические зоны кристаллов. Металлы. Полупроводники. Диэлектрики
- •Удельное сопротивление твердых тел
- •2.3. Метод эффективной массы
- •3. Металлы
- •3.1. Модель свободных электронов
- •При переходе из вакуума в металл
- •3.2. Распределение электронов проводимости в металле по энергиям. Уровень и энергия Ферми. Вырождение электронного газа в металлах
- •Энергия Ферми и температура вырождения
- •3.3. Понятие о квантовой теории электропроводности металлов
- •3.4. Явление сверхпроводимости. Свойства сверхпроводников. Применение сверхпроводимости
- •3.5. Понятие об эффектах Джозефсона
- •4. Полупроводники
- •4.1. Основные сведения о полупроводниках. Классификация полупроводников
- •4.2. Собственные полупроводники
- •4.3.Примесные полупроводники
- •4.3.1.Электронный полупроводник (полупроводник n-типа)
- •4.3.2. Дырочный полупроводник (полупроводник р-типа)
- •4.3.3.Компенсированный полупроводник. Частично компенсированный полупроводник
- •4.3.4.Элементарная теория примесных состояний. Водородоподобная модель примесного центра
- •4.4. Температурная зависимость удельной проводимости примесных полупроводников
- •4.4.1.Температурная зависимость концентрации носителей заряда
- •4.4.2.Температурная зависимость подвижности носителей заряда
- •4.4.3. Температурная зависимость удельной проводимости полупроводникаn-типа
- •4.4.5. Термисторы и болометры
- •4.5. Рекомбинация неравновесных носителей заряда в полупроводниках
- •4.6. Диффузия носителей заряда.
- •4.6.1. Диффузионная длина
- •4.6.2. Соотношение Эйнштейна между подвижностью и коэффициентом диффузии носителей заряда
- •4.7. Эффект Холла в полупроводниках
- •4.7.1. Возникновение поперечного электрического поля
- •4.7.2. Применение эффекта Холла для исследования полупроводниковых материалов
- •4.7.3. Преобразователи Холла
- •4.8. Магниторезистивный эффект
- •5. Электронно-дырочный переход
- •5.1.Образование электронно-дырочного перехода
- •5.1.1. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)
- •5.1.2.Прямое включение
- •5.1.3.Обратное включение
- •5.2.КласСификация полупроводниковых диодов
- •5.3. Вольт-амперная характеристика электроннно-дырочного перехода. Выпрямительные, детекторные и преобразовательные диоды
- •5.3.1.Уравнение вольт-амперной характеристики
- •Классификация полупроводниковых диодов
- •5.3.2.Принцип действия и назначение выпрямительных, детекторных и преобразовательных диодов
- •5.4. Барьерная емкость. Варикапы
- •5.5.Пробой электронно-дырочного перехода
- •5.6. Туннельный эффект в вырожденном электронно-дырочном переходе. Туннельные и обращенные диоды
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках.
- •6.1.Фоторезистивный эффект. Фоторезисторы
- •6.1.1.Воздействие излучения на полупроводник
- •5.1.2.Устройство и характеристики фоторезисторов
- •6.2.Фотоэффект в электронно-дырочном переходе. Полупроводниковые фотодиоды и фотоэлементы.
- •6.2.1.Воздействие света наp-n-переход
- •7.Люминесценция твердых тел
- •7.1.Виды люминесценции
- •7.2.Электролюминесценция кристаллофосфоров
- •7.2.1. Механизм свечения кристаллофосфоров
- •7.2.2. Основные характеристики электролюминесценции кристаллофосфоров
- •7.2.3.Электролюминесцентный источник света
- •7.3.Инжекционная электролюминесценция. Устройство и характеристики светодиодных структур
- •7.3.1.Возникновение излучения в диодной структуре
- •7.3.2.Конструкция светодиода
- •7.3.3.Основные характеристики светодиодов
- •7.3.4.Некоторые применения светодиодов
- •7.4 Понятие об инжекционных лазерах
- •8. Транзисторы
- •8.1.Назначение и виды транзисторов
- •8.2.Биполярные транзисторы
- •8.2.1 Структура и режимы работы биполярного транзистора
- •8.2.2.Схемы включения биполярных транзисторов
- •8.2.3.Физические процессы в транзисторе
- •8.3.Полевые транзисторы
- •8.3.1.Разновидности полевых транзисторов
- •8.3.2.Полевые транзисторы с управляющим переходом
- •8.3.3. Полевые транзисторы с изолированным затвором. Структуры мдп-транзисторов
- •8.3.4.Принцип действия мдп-транзисторов с индуцированным каналом
- •8.3.5. Мдп-транзисторы со встроенным каналом
- •8.4. Сравнение полевых транзисторов с биполярными
- •Заключение
- •1.Элементы квантовой механики 4
- •2. Зонная теория твердых тел. 42
- •3. Металлы 50
- •4. Полупроводники 65
- •5. Электронно-дырочный переход 97
- •6.Внутренний фотоэффект в полупроводниках. 108
- •7.Люминесценция твердых тел 113
- •8. Транзисторы 123
8.2.2.Схемы включения биполярных транзисторов
Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором. Общим называют электрод, относительно которого измеряют и задают напряжения.
8.2.3.Физические процессы в транзисторе
Схема включения с общей базой позволяет лучше раскрыть физические процессы, протекающие в транзисторе. Поэтому далее мы рассмотрим бездрейфовый n-p-n-транзистор в активном режиме в схеме с общей базой. Энергетическая диаграмма такого транзистора приведена на рис. 8.2.
Рис.8.2. Энергетическая диаграмма биполярного n-p-n транзистора в активном режиме. Ec – дно зоны проводимости Ev – потолок валентной зоны, кэб и кэб - контактные разности потенциалов эмиттерного и коллекторного переходов
На эмиттерный переход подают прямое напряжение (Uэб),его величина для транзистора малой мощности обычно составляет несколько долей вольта. Под действием этого напряжения создается внешнее электрическое поле, вектор напряженности которого направлен навстречу вектора диффузионного (внутреннего) электрического поля эмиттерного перехода. Чем больше напряжениеUэб,тем ниже потенциальный барьер (см. рис. 8.2) в эмиттерном переходе, тем больше носителей заряда (в данном случае электронов) преодолевает его и попадает из эмиттера в базу.
На коллекторный переход подают обратное напряжение. Как известно (см. раздел 5.1.3), при обратном смещении p-n-перехода через него идет ток неосновных носителей. Электроны, инжектированные в p-базу, являются в ней неосновными носителями. Неосновные носители, оказавшиеся вблизи коллекторного перехода, попадают в ускоряющее их электрическое поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор – происходит экстракция неосновных носителей заряда.
Таким образом, неосновные носители в базе распределены неравномерно: их концентрация велика вблизи эмиттерного перехода и мала вблизи коллекторного. Как следствие наличия градиента концентрации возникает диффузия. Перенос неосновных носителей (электронов)через базу в бездрейфовых транзисторах осуществляется посредством диффузии. Инжектированные из эмиттера электроны через базовую область доходят до коллекторного перехода.
Из принципа действия транзистора следует, что ток, текущий через эмиттерный переход Iэ, является управляющим током, от величины которого зависит ток в цепи коллектораIк (Iк – управляемый ток). В идеальном n-p-n транзисторе ток образован только электронами, причем все электроны, инжектированные в базу, доходят до коллекторного перехода (Iэ = Iк). Работа реального транзистора характеризуется следующими особенностями.
При малых напряжениях на эмиттерном переходе высота потенциального барьера на переходе еще велика. Тогда многие электроны не смогут преодолеть потенциальный барьер, однако вблизи середины p-n - перехода может происходить их рекомбинация с электронами. Составляющую прямого тока, связанную с процессом рекомбинации носителей в p-n -переходе, называют рекомбинационным током. С ростом напряжения на эмиттерном переходе вклад рекомбинационной составляющей тока уменьшается. Эмиттерный ток образуется не только при движении электронов из эмиттера в базу. Некоторый вклад в него вносят дырки, движущиеся из базы в эмиттер. Вклад дырочной составляющей тока необходимо уменьшать. В базе транзистора происходит рекомбинация инжектированных электронов с дырками базы. Желательно, чтобы эта рекомбинация была незначительна.
Чтобы уменьшить влияние последних двух факторов, уменьшают толщину базы и снижают концентрацию основных носителей (электронов в рассматриваемой структуре) в базе. Это достигается более высокой степенью легирования эмиттера по сравнению с базой.
Площадь коллекторного перехода обычно в несколько раз больше площади эмиттерного перехода, что позволяет коллектору собирать даже те неосновные носители заряда (электроны), которые передвигаются от эмиттера под некоторым углом к оси транзистора. Вывод базы располагают по возможности дальше от эмиттера. Несмотря на эти меры, незначительная часть инжектированных электронов все же доходит до базового вывода и рекомбинирует на нем.
Небольшое изменение тока связано также с рекомбинацией на поверхности кристалла, в объемах эмиттера и коллектора; возможна генерация носителей в коллекторном переходе и т.д.
Коллекторный переход смещается в обратном направлении, на него подается сравнительно высокое (единицы, десятки вольт) по модулю напряжение Uкб.Концентрация примесей (доноров) в коллекторе должна быть меньше, чем в эмиттере, поскольку в этом случае коллекторный переход получается более широким и возрастает его напряжение пробоя.
В результате принятых мер коллекторный ток транзистора в активном режиме примерно равен эмиттерному
, (8.2.1)
а ток базы мал: он значительно меньше как тока коллектора, так и тока эмиттера. Его можно найти, вычитая из эмиттерного тока коллекторный:
. (8.2.2)
Рассмотрим, как происходит усиление в транзисторе при активном режиме его работы.
В схеме с общей базой в выходной (коллекторной) цепи идет практически тот же ток, что и во входной, следовательно, усиление по току в данном случае отсутствует. Однако эта схема дает возможность получить усиление по мощности. Ввод носителей в область базы через эмиттерный переход связан с затратой сравнительно небольшой энергии, так как падение напряжения на эмиттерном переходе невелико. Однако носители, введенные в область базы, попадают затем в коллекторный переход, а оттуда – во внешнюю цепь. Падение напряжения на коллекторном переходе и на включенной последовательно с ним нагрузке значительно больше, чем на эмиттерном переходе. Значит, прохождение носителей через цепь коллектора вызывает отбор от источника питания значительно большего количества энергии, чем было затрачено на введение носителей в базу.
В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы, а ток базы существенно меньше тока эмиттера, таким образом, в схеме с общим эмиттером можно получить усиление как по мощности, так и по току.