Електричний струм у напівпровідниках.Терморезистор. Напівпровідниковий діод. Виготовлення інтегральних схем та їх використання.

Електричний струм у напівпровідниках 1. Електропровідність речовин характеризується наявністю великої кількості вільних зарядів та їх рухливістю. В провідниках є величезна кількість вільних зарядів немає, які мають хорошу рухливість. В діелектриках немає (майже) вільних зарядів. В напівпровідниках при звичайних умовах вільних зарядів, а при нагріванні, опроміненні, наявності домішок зявляється велика кількість вільних зарядів і вони стають провідниками. До них належать елементи IV групи таблиці Мєндєлєєва германій, кремній, селен, а також сполуки з елементів ІІІ групи і елементами V групи і ряд інших. 2. Провідність речовин залежить від температури наявності домішок та освітленості, так як ці фактори впливають на кількість вільних зарядів та їх рухливість. При нагріванні провідників І роду кількість вільних зарядів практично не міняється, а їх рухливість погіршується, що приводить до погіршення провідності. Наявність домішок також погіршує провідність. Освітленість практично впливає на провідність. При нагріванні діелектриків появляється незначна кількість вільних зарядів, тому провідність трохи покращується. При сильнішому нагріванні діелектрик швидше руйнується (плавиться, горить) ніж в ньому появиться достатньо велика кількість вільних зарядів. Наявність домішок також незначно покращує провідність. Освітленість майже не міняє. В напівпровідниках нагрівання, опромінення і наявність домішок різко збільшує кількість вільних зарядів і тому провідність значно покращується. 3. Розрізняють власну і домішкову провідність напівпровідників. Якщо напівпровідник нагріти або опромінити, то електрони почнуть відриватись від своїх атомів, а на їх місці виникне дірка (фактично позитивний іон), якій приписують позитивний заряд. Таким чином в напівпровіднику відбувається генерація (утворення) пар зарядів електрон – дірка, яких є однакова кількість. Провідність, створена власними носіями заряду, називається власною. Якщо електрон попадає в дірку, то відбувається рекомбінація, тобто зникнення пари зарядів. Якщо в напівпровідник германій добавити елемент V групи таблиці Мєндєлєєва мишяк, то чотирма своїми електронами він звяжеться з чотирма атомами германію, а пятий електрон лишившись без звязку відірветься і стане вільним. Тобто носіями заряду будуть негативні вільні електрони. Такий напівпровідник називається п-типу (від слова негатив), а домішки – донорними. Якщо в напівпровідник германій добавити елемент ІІІ групи, наприклад індій, то трьома своїми електронами він звязується з трьома атомами германію, а для звязку з четвертим атомом позичає електрон у якогось атома германія. На тому місці лишається позитивна дірка. Такий напівпровідник називається р-типу (від слова позитив), а домішки акцепторними. Провідність створена зарядами домішок називається домішковою.

Терморезистор Терморезистор (від греч. therme тепло, жар; від лати. resisto чиню опір), термістор напівпровідниковий резистор, електричний опір якого істотно убуває або зростає із зростанням температури. Для терморезистора характерні великий температурний коефіцієнт опору (ТКС) (у десятки разів що перевищує цей коефіцієнт у металів), простота пристрою, здатність працювати в різних кліматичних умовах при значних механічних навантаженнях, стабільність характеристик в часі. Терморезистор виготовляють у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб, намистин і тонких пластинок переважно методами порошкової металургії; їх розміри можуть варіюватися в межах від 110 мкм до 12 див. Основними параметрами терморезистора є: номінальний опір, температурний коефіцієнт опору, інтервал робочих температур, максимально допустима потужність розсіяння. Термістор був винайдений Самьюелем Рубеном (Samuel Ruben) в 1930 році і має патент США номер #2,021,491. Розрізняють терморезистори з негативним і позитивним ТКС. Терморезистори з негативним ТКС виготовляють з суміші полікрісталлічеськіх оксидів перехідних металів (наприклад, MNO, СoO?, NIO, CUO), легованих Ge і Si, напівпровідників типа AIII BV, стеклообразних напівпровідників і інших матеріалів. Розрізняють терморезистори нізкотемпераурниє (розраховані на роботу при температурах нижче 170 До), середньо-температурні ( До) і високотемпературні (вище 570 До). Крім того, існують терморезистори, призначені для роботи при 4.2 До і нижче і при До. Найбільш, широко використовуються среднетемпературниє терморезистори з ТКС від 2,4 до 8,4 % К-1 і з номінальним опором Ом. Режим роботи терморезисторів залежить від того, на якій ділянці статичної вольт-амперної характеристики (ВАХ) вибрана робоча крапка. У свою чергу ВАХ залежить як від конструкції, розмірів і основних параметрів терморезистора, так і від температури теплопровідності навколишнього середовища, теплового зв'язку між терморезистором і середовищем. Терморезистори з робочою крапкою на початковій (лінійному) ділянці ВАХ використовуються для вимірювання і контролю температури і компенсації температурних змін параметрів електричною ланцюгів і електронних приладів. Терморезистори з робочою крапкою на низхідній ділянці ВАХ (з негативним опором) застосовуються як пускові реле, реле часу, вимірники потужності електро-магнітного випромінювання на СВЧ, стабілізатори, температура і напруга. Режим роботи терморезистора, при якому робоча крапка знаходиться також на спадаючій ділянці ВАХ (при цьому використовується залежність опору терморезистора від температури і теплопровідності навколишнього середовища), характерний для терморезисторів, регулювання рівня рідких і сипких середовищ; дія таких терморезисторів заснована на виникненні релейного ефекту в ланцюзі з терморезистором при зміні температури навколишнього середовища або умов теплообміну терморезистора з середовищем. Виготовляються також терморезистори спеціальної конструкції з непрямим підігрівом. У таких терморезисторах є подогревная обмотка, ізольована від напівпровідникового резістівного елементу (якщо при цьому потужність, що виділяється в резістівном елементі, мала, то тепловий режим терморезистора визначається температурою підігрівача, тобто струмом в нім). Таким чином, з'являється можливість змінювати стан терморезистора, не міняючи струм через нього. Такий терморезистор використовується як змінний резистор, керований електрично на відстані. З терморезисторів з позитивним температурним коефіцієнтом найбільший інтерес представляють терморезистори, виготовлені з твердих розчинів на основі BaTiO3. Такі терморезистори зазвичай називають позісторамі. Відомі терморезистори з невеликим позитивним температурним коефіцієнтом (0,50,7 % К-1), виконані на основі кремнію з електронною провідністю; їх опір змінюється з температурою приблизно по лінійному закону. Такі терморезистори використовуються, наприклад, для температурної стабілізації електронних пристроїв на транзисторах. Хотів би відмітити, що графік зображений на малюнку "Вольт-амперна характеристика (ВАХ) для терморезистора." некоректний, оскільки неправильно розташовані осі, потрібно повернути графік на 90 градусів вліво і інвертувати по вертикалі для терморезистора з позитивним ТКС, для випадку з негативним ТКС все вірно.

Напівпровідниковий діод Напівпровіднико́вий діо́д ( рос. полупроводниковый диод, англ.. semiconductor (crystal) diode,нім. н. Halbleiterdiode f) це напівпровідниковий прилад з одним випрямним електричним переходом і двома зовнішніми виводами.. Випрямним електричним переходом в напівпровідникових діодах може бути електронно-дірковий перехід, гіперперехід або контакт метал напівпровідник. Випрямний перехід крім ефекту випрямлення має й інші властивості, що використовуються для створення різних видів напівпровідникових діодів: випрямних діодів, помножувачів, модуляторів, стабілітронів, лавинно-пролітних діодів, тунельних діодів,варикапів та інших. Тому за призначенням напівпровідникові діоди поділяють на випрямні, високочастотні та надвисокочастотні, імпульсні, опірні (стабілітронів), чотиришарові перемикаючі,фотодіоди, світлодіоди, тунельні діоди та ін. Основні параметри напівпровідникового діода I s струм насичення (тепловий струм); R б опір бази діода; R а активний опір; R Д диференційний опір; C б бар'єрна ємність; С Д дифузійна ємність R тп к тепловий опір перехід-корпус; К в коефіцієнт випростування; φ к контактна різниця потенціалів. Проектування Проектування При автоматизованому проектуванні мікроелектронної апаратури (МЕА) широко використовуються моделі елементної бази, зокрема, моделі напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (ІМС). Найбільш поширеними є топологічні моделі, наведені у вигляді еквівалентної заступної схеми або неспрямованого графа, вітки яких відбивають шляхи розповсюдження фізичного процесу у приладів. Застосування Застосування Застосовуються в схемах перетворення змінної напруги у постійну, в схемах захисту, логічних елементах та ін. схемах.

Інтегральні схеми та їх використання Топографія інтегральної мікросхеми (ТІМС, англ.Semiconductor intellectual property core, IP Core або Intellectual Property Rights on Integrated Circuit) мікроелектронний виріб кінцевої або проміжної форми, призначений для виконання функцій електронної схеми, елементи і з'єднання якого неподільно сформовані в об'ємі або на поверхні матеріалу, що становить основу такого виробу, незалежно від способу його виготовлення. ТІМС є комплексним описом структури, функцій та взаємозв'язків компонентів архітектури електронної мікросхеми. Права на використання такої архітектури є інтелектуальною власністю певної особи. Власник прав інтелектуальної власності на ТІМС може видати ліцензіюна її використання іншому виробнику або використовувати ТІМС виключно у власному виробництві. Термін «топографія інтегральної мікросхеми» був введений у науковий обіг за радянських часів. Окремі дослідники критикують цей термін оскільки він не відповідає суті явища, яке описує. В українській юридичній термінології пропонується поступовий перехід до терміну «компонування інтегральної мікросхеми».