Елементи квантової механіки

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

В даний час розвиток обчислювальної техніки проходить, в основному, у двох напрямках:

1. розвиток та удосконалення схематичних рішень засобів ОТ

2. удосконалення архітектурних рішень ВТ

Одним з основних показників якості засобів ОТ є продуктивність (швидкодія) обчислювальної системи. Необхідно відзначити, що основний резерв підвищення продуктивності в даний час слід шукати у розвитку другого напрямку, проте, це аніскільки не означає, що перший напрямок, як стверджують деякі автори, себе вичерпало.

Розвиток комп'ютерної електроніки нерозривно пов'язано (визначається) з досягненнями в галузі мікроелектроніки. Основними елементами ЕОМ є різноманітні інтегральні схеми (ІС), що представляють собою набір електрично пов'язаних між собою активних (напівпровідникові структури) і пасивних (резистори, конденсатори) компонентів, які виконують певні функції.

Основним компонентом ІС є напівпровідникові прилади, параметри яких в основному визначають параметри ІС і, отже, при однакових архітектурних рішеннях ЕОМ і її параметри (в тому числі і продуктивність).

Фізичні процеси, що протікають в напівпровідникових приладах неможливо пояснити не вдаючись до основних положень квантової механіки і фізики твердого тіла. З курсу фізики відома двоїста природа світла (хвильова і корпускулярна).

У 1924р. фізик де-Бройль висловив гіпотезу, яка потім була підтверджена експериментально, згідно з якою такими ж властивостями повинні володіти і мікрочастинки (електрони, протони, атоми і т.д.). Співвідношення де-Бройля:

h n = E

l = h / m J, де

-34

h - постійна Планка; = 0,6 * 10 Дж × з

E - енергія частинки

n - частота випромінювання

m - маса частинки

J - швидкість частинки

Так як мікрочастинки (зокрема електрони) мають властивості корпускули і хвилі, то описувати їх рух методом класичної механіки неможливо. Рівняння, що описує їх рух, було знайдено Шредінгер і носить його ім'я:

2 2 2 2 2 2 2

dy / d t = ђ / 2 m (dy / d x + dy / d y + dy / d z) - U (x, y, z, y) де

ђ = h / 2 p

y (x, y, z, t) - так звана хвильова функція - рішення рівняння

U - потенційна енергія частки

У загальному випадку рішення рівняння Шредінгера зустрічає труднощі. Для практичних завдань рівняння часто істотно спрощується (наприклад, y не є функцією часу; для інших завдань досить розглядати рух лише по одній координаті і т.д.).

Вирішуючи приведене рівняння з різними обмеженнями (окремі випадки), можна отримати фундаментальні положення, що пояснюють багато процесів в твердому тілі (фізика твердого тіла). Наприклад, таким чином, вдалося пояснити явище тунельного ефекту - подолання часткою, що має енергію E потенційного бар'єру висотою U і кінцевої товщини d, навіть тоді, коли U> E. Причому, легко доводиться, що при цьому мікрочастинка, що просочилася (туннеліруемая) через бар'єр, зберігає свою колишню енергію Є.

Як ми побачимо пізніше, явище тунельного ефекту досить широко використовується в схемотехнике ЕОМ.

Напівпровідник.

У природі всі речовини мають здатність в тій чи іншій мірі проводити електричний струм. Це властивість характеризується значенням ідеальної провідності s.

-10 -9 -4 -3

0 10 10 10 10 s

Елементи квантової механіки


Ідеальний Діелект-Напівпровідники Напівпровідники s = ¥

Елементи квантової механіки діелектрик рік Ідеальний

Елементи квантової механіки провідник

Такий розподіл дуже умовний, особливо між ПП і діелектриками (принципових відмінностей немає). Що стосується відмінностей між металами і напівпровідниками, то різниці тут більш принципові.

В даний час, найбільш широке застосування в інтегральній технології отримав ПП - кремній. Тому, в подальшому, всі приклади, крім особливо обумовлених, засновані на властивостях кремнію.

Переважна більшість напівпровідників (за винятком т.з. аморфних ПП) мають яскраво виражену кристалічну структуру і являють собою в основному монокристали. Так найпростіша кристалічна решітка Si - куб. У вершинах куба (для тетраедра і в центрах граней) знаходяться атоми Si. Відомо, що Si - 4-х валентний тобто 4 електрони зовнішньої оболонки відсутні. Такий рівень є енергетично нестійким і атом Si намагається захопити 4 відсутні е з поряд знаходяться аналогічних атомів, у свою чергу запозичуючи їм свої зовнішні е. При цьому виникають специфічні обмінні сили, обумовлені по парним об'єднанням валентних е сусідніх атомів. Такий зв'язок називається ковалентним (або просто валентної).

Овал: SiОвал: - -Овал: - -Овал: -Овал: SiОвал: Si

- -

Овал: - -Овал: -Овал: -Овал: Si |

Овал: SiОвал: - -Овал: SiОвал: - -Овал: Si +

Овал: - - -

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

Овал: Si а)

Елементи квантової механіки b) - -

Оскільки структура кристала регулярна, то це призводить до анізотропії - залежності властивостей від напрямку. Орієнтація кристала задається за допомогою кристалографічних осей і перпендикулярних їм кристалографічних площин. Ці осі і площини позначаються тризначними індексами Міллера (осі [], площини ()).

Елементи квантової механіки Z (110)

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 3 | 2 [101]

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 4 1 (100)

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки (111)

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

8 Елементи квантової механіки 7 X [100]

5 Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 6 [111]

Y a) b) c)

Кожній кристалографічної площини відповідає різна щільність _________ атомів, тому й відмінність у властивостях.

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

1,4 2,3 4 3 2 4 1,3 2

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 1,8

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 5,6 7,8 5 7 5 6,8 7

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 6

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

а) b) c)

НОСІЇ ЗАРЯДУ У ПП.

Електропровідність речовини пояснюється наявністю вільних носіїв заряду, які можуть переміщатися в об'ємі речовини, або під впливом поля, або при наявності градієнта їх концентрації в речовині (прагнення до вирівнювання концентрації).

Як же утворюються вільні носії заряду в ПП?

Ідеальний ПП при Т = абсолютного нуля (ПП не має дефектів кристала, тому валентні е всіх атомів беруть участь у ковалентних зв'язках, тобто вони не вільні) є ідеальним діелектриком. При підвищенні Т ° (*) електрони здобувають додаткову енергію і в кінцевому підсумку деякі ковалентні зв'язки розриваються, утворюючи вільні е і незаповнену зв'язок - «дірку» поблизу атома з відсутньою е (утворюється електронна діркова пара). Такий процес називається термогенерации. Відсутність е недовговічне (час життя), на його місце приходить е з сусідніх атомів (рекомбінація), тобто «Дірка» дрейфує. Така провідність ПП називається власною провідністю, а ПП - власним ПП (особливість - кількість е завжди дорівнює кількості «дірок»).

Цікаві явища спостерігаються при заміщенні деяких атомів Si так званими домішковими (домішка заміщення, є ще і домішка впровадження) атомами іншої валентності (3 і 5) (копр. 5 вал. Р або 3 вал. Бор, Аl).

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки


Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки

Елементи квантової механіки
Елементи квантової механіки
Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки
Елементи квантової механіки


Овал: Іон -Овал: Іон +

Елементи квантової механіки
Овал: Si


a) b)

У першому випадку 9 е атома фосфору легко «відривається» від нього утворюючи іон +, а е додається до власних вільним і і рівновага - «дірка» порушується. Провідність стає переважно е - ної (n - провідність).

У другому випадку всі 3 е бору пов'язані з сусідніми атомами Si, утворюючи «дірку», а атом домішки перетворюється в нерухомий іон -. ПП набуває дірковий (Р) провідність. Такі провідності називаються домішковими проводимостями. Носії, що знаходяться в більшості, називаються основними, іншого типу не основними.

ПАРАМЕТРИ НАПІВПРОВІДНИКІВ

е окремо взятого атома залежить від того, на якій оболонці він знаходяться, мають строго одиночне значення енергії. Під впливом міжатомних сил в кристалі ці енергетичні рівні розширюються і перетворюються в енергетичну зону (Ефект Штарка). Нас буде цікавити енергетична зона зовнішньої оболонки (т.зв. валентна зона). Для того, щоб ті покинув валентну зону і став вільним, що забезпечує провідність, йому необхідно повідомити певну додаткову енергію, після чого він потрапляє в так звану зону провідності.

Величина додаткового енергетичного імпульсу різна для різних напівпровідників і визначає ширину так званої забороненої зони. Власне, ширина забороненої зони, а, отже, і вид зонної діаграми, і відрізняє ПП від діелектрика.

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки W (енергія)

j Зона провідності

Елементи квантової механіки


Елементи квантової механіки                            Зона провідності

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки                                                    донорно (n)

                                                    домішка Заборонена зона

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки    Заборонена зона {

акцент. (р)

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки Валентна зона домішка Валентна зона

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки                                                                                             

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки
Елементи квантової механіки


                                      ПП Діелектрик

Таким чином, ширина забороненої зони визначає енергію, необхідну для переходу е з валентної зони в зону провідності, і є найважливішим параметром ПП. Якщо е повертається в валентну зону, то відбувається рекомбінація е і дірки.

В електроніці оцінка енергії е виробляється величиною

W = g j, де

j - потенціалів, що пройшли елементарним зарядом (іноді, енергетичним потенціалом).

Залежно від кількості атомів домішки і від енергії, одержуваної е зовнішніх оболонок (зокрема, від Т ° ПП) кількість е зони провідності буде по-різному. Але ж кількість носіїв струму при наявності поля буде визначати, зокрема, величину струму в ПП. Тому кількість таких е («дірок») є важливим параметром. Однак, сама кількість е («дірок») ще ні про що не говорить. Важлива їхня концентрація (тобто кількість на одиницю об'єму).

Концентрація носіїв (позначається n - для е і p - для «дірок») - дуже важливий параметр ПП. Концентрація сильно залежить від Т ° (наприклад, збільшення Т на 5% збільшує концентрацію на ~ 3 рази) і від ширини забороненої зони (обернено пропорційно). У ПП концентрація носіїв нерівномірна (тобто існує градієнт концентрації). Такий нерівномірний розподіл носіїв називається Больумановскім рівновагою і пояснюється виникненням внутрішнього електричного поля в ПП, перешкоджає вирівнюванню концентрації.

Рух носіїв в електричному полі напруженістю Е називається дрейфом і величина дрейфового струму:

i = s E, де

s - питома провідність, важливий параметр ПП (іноді використовують питомий електроопір r = 1 / s).

Оскільки в ПП є 2 типи носіїв, то

s = qn m n + qp m p, де

q - одиничний заряд

n і p - концентрація

m n і m p - рухливість носіїв, важливий параметр ПП.

У вакуумі носій під впливом поля Е буде рухатися рівноприскореному. Інша справа - тверде тіло. Прискорюючись, носії постійно «стикаються» з атомами (відчувають розсіювання). На довжині вільного пробігу носії рухаються рівноприскореному, потім, зіткнувшись, втрачають швидкість і знову прискорюються. Тому середня дрейфова швидкість _

J = m Е, де

m - коефіцієнт пропорційності, званий рухливістю носія, і залежить від його ефективної маси (для Si m e ~ 3 m p).

Швидкодія напівпровідникових приладів прямо пропорційно рухливості носіїв ПП, на основі якого виконаний прилад.

Рухливість - величина не постійна і залежить від Т °, причому неоднозначно, наприклад

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки m Так, для Si m можуть змінюватися в діапазоні робочих температур

Елементи квантової механіки від -50 ° С до +125 ° С в 4-5 разів.

Т

ЕФЕКТ ПОЛЯ

Ефект поля - це зміна концентрації носіїв (а, отже, провідності) у приповерхневому шарі ПП під впливом зовнішнього електричного поля.

Створимо конструкцію МДП:

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиПодвійні круглі дужки: P ППЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки 150мГц

ВЧ fпереключателя> 1ГГЦ

4) Діоди Шотткі утворюються на межі метал - напівпровідник. Працює тільки на основних носіях (СД = 0). Зменшуючи площа переходу, зменшують СБ Тому fпереключателя = 3 - 15 ГГц.

Застосовується дуже широко.

5) Фотодіоди - засновані на змінах провідності в залежності від освітленості.

6) Світлодіоди - використовується явище зміни світла в деяких широкозонних ПП (фосфід галія, карбід кремнію і т. д.) при рекомбінації е і «дірок».

Гетеропереходи, діоди з накопиченням заряду, варикапи, параметричні діоди,

інжекупонние фотодіоди, фотоелементи координатно-чутливі фотоприймачі, лазер на основі pn переходу, інжекупонний гетеролазер, варистори - особливості цих специфічних pn переходів

див. [6] Вакулін, Стафєєв «Фізика ПП приладів».

Раніше були гомопереході.

Гетероперехід - перехід між ПП різної фізико - хімічної природи (наприклад Si - Ge, Si - GaAs, GaAs - GaP (фосфід галія)), причому це не обов'язково pn переходи, можуть бути і nn, pp (різна ширина забороненої зони в напівпровідниках)

Діоди з накопиченням заряду - для формування фронтових сигналів.

Варікани - ємність (бар'єрна), керована U

Варистори - нелінійне напівпровідниковий опір

Біполярний транзистор (Т)

Транзистором називають ПП прилад, що володіє підсилювальними властивостями по потужності. Саме посилення потужності характеризує транзистор, як підсилювальний прилад. Не можна говорити про транзисторі, як про підсилювачі струму. Тоді трансформатор струму є підсилювачем, хоча відомо, що він підсилює струм, але «гасить» напруга. Аналогічно і транзистор напруги - збільшує напругу за рахунок струму.

За принципом дії розрізняють:

- Біполярні Т

- Уніполярні Т

Назва Т визначається типом носія в транзисторі:

Елементи квантової механіки основні

Елементи квантової механіки біполярні уніполярні один тип - основний

неосновні

Біполярний транзистор являє собою сукупність взаємодіючих зустрічно - включених pn переходів, що мають загальну область - базу.

р

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки Е Б К

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки > N2, на б) це відбивається позначкою n +. Сильно легований електрод з меншою площею називається емітером, менш легований з більшою площею - колектором (збирає). Процеси в переходах n1 - p і n2 - p взаємно впливають один на одного, тому що товщина бази W 0, то

Елементи квантової механіки U c спочатку утворюється збіднений (акцен-

U битий) шар (поки всі «дірки» услід-

+ - N + ствие ефекту поля не відтіснив

Елементи квантової механіки U 34 углиб ПП), а потім утворюється Інверсія-

ний шар n - провідності, тобто інду-

мально ймовірнісним і модифікується. При подальшому збільшенні

U 3> 0 ширина каналу практично не

змінюється (1-2 мкм), а змінюється концентрація n - носіїв (е). Передавальні характеристики I з = | (U з) для МДП транзисторів з індукованим каналом n зображені на малюнку.

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки I c Характеристикою є точка по осі Х, відповід-

U c3 U c2 ствующая напрузі на затворі, при якому

індукується канал (порогове напруга). З

U c1 характеристики видно, що МДП транзистор може

працювати тільки в режимі збагачення (при поклади-

тільних напругах на затворі). Вихідні

U c3> U c2> U c1 характеристики мають вигляд:

Елементи квантової механіки I c

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки U з

На характеристиках видно 2 області: крута і полога. U З3

Полога область пояснюється тими ж процесами, що U З2

і в польовому Т. Підсилювальні властивості транзистора

характеризуються крутий областю. U з1

g = dI c / dU з, при U c = const U з = U потоку

У загальному випадку транзистор можна розглядати як

Чотириполюсник (четвертий електрод - підніжка), U З3> U З2> U з1> 0 U c

Яка може виконувати функції затвора. Тому іноді вводять параметр - крутизна по підніжці, на відміну від крутизни по затвору.

g п = dI c / dU п, при U c = const

МДП ТРАНЗИСТОРИ з вбудованим КАНАЛОМ

Можна створити приповерхневий канал шляхом легування шару в процесі виготовлення Т. Передавальні характеристики такого Т будуть мати вигляд:

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки Тобто транзистор може працювати як в режимі збагачення

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки I c каналу, так і в режимі збідніння. Вхідна напруга

може бути різнополярним.

Вихідні характеристики будуть мати вигляд:

Елементи квантової механіки Незважаючи на властивість МДП I c

транзистора з вбудованим

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки каналом посилювати разнопо-

лярні сигнали, Т з індуці-

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки ванням каналом застосовується U з> 0

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки U з частіше.

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки U відступ U з = 0

Транзистори з ізольованим затвором володіють: U з <0

Елементи квантової механіки - Великим R вх, ніж у польових Т U з = U відсікання

- Більшою радіаційною стійкістю

- Великим швидкодією, особливо Т з n - каналом U c

(Рухливість n - носіїв приблизно в 3 рази> ніж р).

Надалі будемо розглядати схеми, побудовані на транзисторах з ізольованим затвором.

СХЕМИ ВКЛЮЧЕННЯ МДП ТРАНЗИСТОРОВ

Хоча МДП транзистор і є чотириполюсником, однак, управління з боку підніжки на практиці не знаходить застосування. Через малої крутизни і порівняно низького R вх. Найбільш широке застосування на практиці знайшла схема із загальним витоком, що має деяку схожість зі схемою з загальним емітером. Схема має високим вхідним опором і носить яскраво виражений ємнісний характер (схема а)).

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки + Е п

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механіки I o R н

Елементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механікиЕлементи квантової механіки U вих · + Е п

Елементи квантової механіки         I з »0

n U вих

U вх R н

U вх

а) в)

Коефіцієнт підсилення по напрузі визначається крутістю характеристики і завжди>> 1. Транзистор може працювати як в крутий, так і в пологій областях стічних (вихідних) характеристик .. Вихідний опір R вих »R н має в реальних схемах досить велику величину, тому що для досягнення високого До u потрібно використовувати високоомні R н. Рідше використовується схема включення з загальним стоком (схема в)), подібна схемі з ОК. Схема не інвертується, тому носить назву «істоковий повторювач». До u <1 за рахунок глибокої ООС через R н. Цим же пояснюється і дуже висока R вх (R вхос>> R вх), яке також носить ємнісний характер. Схема має низьким вихідним опором і, найчастіше, використовується для узгодження джерела сигналу, що має високоомний вихід з нізкоомной навантаженням.

Схема включення із загальним затвором застосовується вкрай рідко.

ЛІТЕРАТУРА

1. І. П. Степаненко «Основи мікроелектроніки» (М. Сов радіо 1980р.)

2. А. Я. Федоров «Основи фізики напівпровідникових приладів» (М. Сов радіо 1968р.)

3. К. В. Шалімов «Фізика напівпровідників» (М. Енергія 1976 р.)

4. Г. І. Єпіфанов «Фізичні основи мікроелектроніки» (М. Сов радіо 1971р.)

5. Г. І. Єпіфанов «Фізика твердого тіла» (М. Сов радіо 1965р.)

6. І. М. Вакулін, В. І. Стафєєв «Фізика напівпровідникових приладів» (М. Сов радіо 1986р.)

7. А. І. Курносов, Е. Н. Воронков «Напівпровідникова мікроелектроніка» (Вища школа)

8. Б. Г. Бондар та ін «Мікроелектроніка» (Вища школа 1981р.)


Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
57.6кб. | скачати


Схожі роботи:
Постулати квантової механіки
Принципи квантової механіки
Введення в аксіоматику квантової механіки
Концепція невизначеності квантової механіки
Основні ідеї квантової механіки
Основні поняття квантової механіки
Класичні підстави квантової механіки
Найпростіші задачі квантової механіки
Основні поняття та образи квантової механіки
© Усі права захищені
написати до нас