Физические основы действия современных компьютеров (стр. 2 из 6)
Для начала рассмотрим принцип действия полупроводниковых приборов. Поскольку для компьютера наиболее важными является транзисторы, именно ими мы рассмотрение полупроводниковых устройств и ограничим.
Полупроводниками называют группу элементов и их соединений, у которых удельное сопротивление занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Исходным материалом для изготовления полупроводниковых приборов являются элементы четвертой группы периодической системы Менделеева (кремний, германия и т.п.), а так же их соединения. Все они являются кристаллическими веществами при нормальных условиях.
При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией, часть валентных электронов, получив необходимую энергию, уходят из ковалентных связей, при этом они становятся носителями электрических зарядов. Одновременно, при разрыве ковалентных связей, образуются и «дырки» – незаполненные ковалентные связи. В химически чистых полупроводниках, как легко догадаться, количество свободных электронов равняется количеству дырок. Таким образом, полупроводник не теряет электрической нейтральности, т.к. кол-во дырок и кол-во свободных электронов в ем равны. В электрическом и магнитных полях дырка ведет себя как частица с положительным зарядом, равным заряду электрона.
Дырка (незаполненная ковалентная связь) может быть заполнена электроном, покинувшим соседнюю ковалентную связь. Одна ковалентная связь разрывается, другая – восстанавливается. Таким образом получается впечатление, что дырка перемещается по кристаллу. Разрыв ковалентных связей, в результате которого образуются свободный электрон и дырка называется генерацией, а восстановление ковалентной связи – рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выделением некоторого кол-ва энергии, а рекомбинация – поглощением.
При отсутствии электрического поля свободные электроны и дырки совершают хаотические тепловые перемещения по кристаллу, что, соответственно, не сопровождается появлением тока. При наличие же внешнего электрического поля перемещение свободных электронов и дырок упорядочивается, и в результате через полупроводник начинает течь ток. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной (n-тип от “negative” – отрицательный), а дырок – соответственно дырочной (p-тип от “positive” – положительный).
Основным для чистых полупроводников является n-тип, т.к. электроны имеют большую подвижность. Если же внести в полупроводник атомы с более низкой валентностью (т.н. акцепторы), чем сам полупроводник, то он приобретет p-тип, т.к. низковалентные атомы охотно поглотят свободные электроны.
Область, где полупроводник с электронным типом проводимости стыкуется с полупроводником с дырочным типом проводимости называется p-n переходом.
Рассмотрим физические процессы, проходящие в монокристалле с разными типами проводимости.
В n-области концентрация электронов больше, чем в p-области и наоборот – для дырок.
Под действием градиента концентрации возникает диффузия основных носителей заряда. Электроны диффундируют в p-область, а дырки – в n-область. Возникают области с избыточными концентрациями неподвижных зарядов неосновного носителя для данного типа полупроводника. Таким образом возникает внутренне диффузионное поле Езап p-n перехода, и устанавливается контактная разность потенциалов между двумя типам полупроводника, которая зависит от материала, примеси и степени ее концентрации.
Под действием внутреннего диффузионного поля основные носители оттесняются от границы полупроводников, таким образом, на границе образуется тонкий слой, практически лишенный основных носителей заряда, обладающий высоким сопротивлением. Этот слой называется запирающим.
Неосновные носители свободно проходят через внутренне поле p-n перехода, т.к. оно для них является разгоняющим, и производят ток проводимости (дрейфа). Основные носителя, преодолевая диффузионное поле, создают диффузионный ток. При отсутствии внешнего поля диффузионный ток и ток дрейфа равны. Такое состояние называется равновесным.
Если к p-n переходу приложить внешнее прямое напряжение (положительный полюс подсоединен к p-области, отрицательный – к n. Внешнее электрическое поле этого источника противоположно внутреннему диффузному полю. Напряженность поля перехода падает, ширина запирающего слоя уменьшается, а вместе с ней – и высота потенциального барьера. Из-за уменьшение высоты потенциального барьера возрастает диффузионный ток, а токи дрейфа уменьшаются. В результате образуется результирующий т.н. прямой ток Iпр, текущий в направлении от p к n-области.
Если же приложит напряжение обратной направленности (т.н. обратное включение), то напряженность внутреннего поля p-n перехода возрастает, диффузионные токи уменьшаются практически до нуля (растет потенциальный барьер). Ток же дрейфа практически не меняет своего значения. Возникает обратный ток – Iобр, который пропорционален количеству неосновых носителей в полупроводнике и много меньше (примерно на 6 порядков) прямого тока. Таким образом, можно считать, что полупроводник с p-n переходом имеет одностороннюю проводимость.
При работе в p-n переходе может наблюдаться его пробой при обратном напряжении, т.к. при росте обратного напряжения растет напряженность внутреннего поля перехода, ведущий к росту подвижности носителей, формирующих обратный ток. При их достаточной скорости из-за разрыва ковалентных связей образуются добавочные электроны и дырки, которые, в свою очередь могут при соударениях могут создавать новые и новые носители. Этот процесс называется лавинным размножением и ведет к быстрому нарастанию обратного тока. Данный процесс обратим, пока он не перешел в тепловой. Наличие объемных зарядов и электрического поля в обедненном слое придает p-n переходу свойства электрической емкости ( т.н. барьерная емкость p-n перехода). Она зависит от площади перехода и подаваемого к нему напряжения.
(удельная электрическая проницаемость на площадь p-n перехода, деленная на четыре пи на ширину запорного слоя.
Физические характеристики, такие как ток пробоя, допустимые температуры работы, допустимая мощность рассеяния, мощность прибора и т.п. зависят от материала и и способа исполнения прибора.
Биполярный транзистор – монокристалл полупроводника, в котором созданы три области с чередующимися типами проводимости (p-n-p или n-p-n). Среднюю область называют базой, а крайние – коллектором и эмиттером. Переход между эмиттером и базой – эмиттерный переход, между базой и коллектором – коллекторный.
Назначение эмиттерного перехода – впрыскивание (инжекция) основных носителей эмиттера в базовую область.Инжекция эмиттерного перезода оценивается через коэффициент инжекции:
(отношение эмиттерного тока, обусловленного носителями эмиттера к общему току эмиттера, созданному как основными носителями эмиттера, так и основными носителями базы). Для повышения эффективности эмиттера и уменьшения составляющей тока основных носителей базы область эмиттера делают с большей концентрацией основных носителей, нежели область базы.
Для базы инжектированные эмиттером носителями являются неосновными. При прямо смещении эмиттерного перехода вблизи него в базе возникает значительный рост неосновных носителей. Создается диффузионный поток от эмиттерного перехода к коллекторному (где их наоборот – недостаток). Под действием ускоряющего поля неосновные носители базы втягиваются в область коллектора, что создает управляемый коллекторный ток Iку в его цепи.
Коэффициент переноса показывает какая часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллекторного перехода (т.к. естественно, достигают не все). Этот коэффициент определяется как отношение управляемого коллектором тока к току эмиттера, созданного основными носителями.
Также важным параметром является коэффициент передачи тока эмиттера (приращение тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменно напряжении на коллекторном переходе).
Этот коэффициент мало отличается от единицы (от 0.95 до 0.99). Но кроме коллекторного тока, созданного инжекцией, в коллекторной цепи течет еще и небольшой по величине обратный ток коллекторного перехода Iкбо, обусловленный неосновными носителями коллектора и базы. При изменении окружающей температуры обратный ток нарушает стабильность работы транзистора., т.к. Iк = Iку + Iкбо.
Можно также упомянуть, что каждый транзистор обладает рядом параметров. Часть из них можно назвать параметрами транзисторов при малых токах, а остальные – физическими параметрами транзистора.
Рассмотрим для начала параметры при малых токах. При малых токах транзистор можно рассматривать как линейный активный четырехполюсник, описываемый следующими уравнениями:
U1=h11I1+h12U2I2=h21I1+h22U2