ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.03.2024
Просмотров: 211
Скачиваний: 0
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
U 0 МДП-транзисторов. В противном случае МДП-транзисторы не открываются. Снижение U 0 достигается уменьшением толщины
диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу.
Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля.
Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент
(пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Рис. 52,а соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет.
Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет.
В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53.
Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и
поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может
составлять 90° .
В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний (горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), т.е. отличающиеся поляризацией света на 90° . Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90° . Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр
2. Пиксел «светится». Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, т.е. от поданного на электроды напряжениея.
Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать
пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД.
Управление свечением пикселов дисплея осуществляется
контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K).
Мощный выпрямительный диод
К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА).
Согласно (27), при заданном обратном напряжении Uобр < Uпр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя Uпр. Увеличение w, согласно (26б), достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки Uпр намного меньше и в качестве высоковольтных диодов они не используются.
Толщина p-n перехода будет ещё больше, если сделать слаболегированной и вторую область. Однако в этом случае уменьшатся градиенты концентрации обоих видов носителей и поэтому окажется небольшим диффузионный прямой ток. Поэтому вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока.
Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока Jпр = Iпр/S, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление
открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n диодов.
Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, ассиметричные переходы наиболее распространены.
Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный.
Импульсные и высокочастотные диоды
Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов.
Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов, согласно (16), достигается уменьшением площади контакта S. На сегодня, благодаря интегральной технологии, она может составлять всего несколько десятков нм2. Однако уменьшение S находится в противоречии с необходимостью обеспечить заданный прямой ток. Поэтому выбор S и других величин в (16) всегда компромиссен. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной εε0.
Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.
В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n+ диоды
с обычной (а) и тонкой базой (б):
а) б)
Рис. 17
Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряд, а также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость.
Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ.
Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.
Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но и в составе других элементов.
Стабилитрон
Стабилитрон– диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 1250 С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.
Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18:
Рис. 18
Здесь Uвх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение
диэлектрического слоя транзисторов. В настоящее время она составляет всего несколько межатомных расстояний и близка к своему пределу.
58. Жидкостно-кристаллические экраны.
Основным типом информационных дисплеев являются жидкокристаллические дисплеи, ЖКД. Они получили массовое распространение (мониторы ПК, ТВ экраны, смартфоны, часы и т.п.). В ЖКД используется особый тип веществ – жидкие кристаллы (ЖК). Оптические свойства ЖК зависят от силы элетрического поля.
Упрощенно работу ЖКД иллюстрирует рис. 52. Каждый элемент
(пиксел) ЖКД имеет два прозрачных электрода, между которыми помещено ЖК вещество. С внутренней стороны имеется источник света, например, в виде светодиода с желаемой цветностью. Рис. 52,а соответствует случаю, когда напряжение на электроды не подано и электрического поля нет.
Молекулы ЖК при этом ориентированы хаотично и свет не пропускают. При подаче напряжения молекулы под действием поля ориентируются вдоль силовых линий поля и пропускают свет.В реальности пиксел ЖКД имеет более сложное устройство, рис. 53.
Молекулы ЖК в отсутствие поля имеют спиралевидную форму и
поэтому изменяют плоскость поляризации проходящего через ЖК света. При определённой толщине и свойствах слоя ЖК изменение плоскости поляризации может
составлять 90° .
В таком пикселе имеются два поляризацинных фильтра – внутренний (горизонтальный, 1) и наружный (вертикальный, 2), т.е. отличающиеся поляризацией света на 90° . Входящий в пиксел свет поляризуется фильтром 1 горизонтально. Молекула ЖК в отсутствие поля обеспечивает поляризацию света на 90° . Поэтому свет приобретает вертикальную поляризацию и беспрепятственно проходит наружу через внешний поляризационный фильтр
2. Пиксел «светится». Если на прозрачные электроды 3, 4 подано напряжение, молекулы ЖК «вытягиватся» и перестают изменять поляризацию света. Горизонтально поляризованный свет не проходит через внешний фильтр с вертикальной поляризацией, пиксел не светится. Очевидно, что яркость свечения зависит от силы электрического поля, т.е. от поданного на электроды напряжениея.
Как уже отмечалось, цвет свечения зависит от цвета свечения светодиода. Поэтому каждый элемент изображения может содержать
пикселы с красным, зелёным и синим светодиодами (RGB). Их суммарный свет, в зависимости от поданных напряжений, может создавать любой цвет свечения. Этот принцип является основным при содании цветных ЖКД.
Управление свечением пикселов дисплея осуществляется
контроллером, способным управлять матрицей ЖКД. Количество пикселов в ЖКД сегодня может достигать десятков миллионов (форматы HD, 4K).
Четырнадцатый билет
14. Мощный выпрямительный диод, импульсные и высокочастотные диоды, стабилитрон, варикап. Свето- и фотодиоды. Солнечные батареи.
Мощный выпрямительный диод
К мощным относят высоковольтные и сильноточные диоды, переход которых способен выдерживать большие обратные напряжения (до нескольких кВ) и большие прямые токи (до нескольких кА).
Согласно (27), при заданном обратном напряжении Uобр < Uпр напряжённость поля в p-n переходе можно понижать, увеличивая толщину его обеднённого слоя w. Тем самым достигается увеличение напряжения пробоя Uпр. Увеличение w, согласно (26б), достигается уменьшением концентрации примесей. Поэтому одну из областей, базу высоковольтного p-n диода делают слаболегированной. В m-n диодах Шотки Uпр намного меньше и в качестве высоковольтных диодов они не используются.
Толщина p-n перехода будет ещё больше, если сделать слаболегированной и вторую область. Однако в этом случае уменьшатся градиенты концентрации обоих видов носителей и поэтому окажется небольшим диффузионный прямой ток. Поэтому вторую область перехода, эмиттер, делают сильнолегированной. Это позволяет сделать достаточно большой электронную или дырочную составляющие диффузионного тока. Тем самым обеспечивается необходимое значение прямого тока.
Увеличение допустимого прямого тока достигается также за счёт увеличения площади p-n и m-n переходов. При этом снижается плотность прямого тока Jпр = Iпр/S, которая не должна превышать критического значения. Кроме того, при увеличении S уменьшается сопротивление
открытого состояния, что уменьшает тепловые потери при больших токах. Особенно большой прямой ток достигается в диодах Шотки, так как их напряжение открытого состояния и тепловые потери в 2…3 раза меньше, чем у p-n диодов.
Поскольку в ассиметричных p-n переходах (с эмиттером и базой) одновременно максимизируется обратное напряжение и прямой ток, именно такие, ассиметричные переходы наиболее распространены.
Мощные выпрямительные диоды применяются в выпрямителях – преобразователях переменного тока в постоянный.
Импульсные и высокочастотные диоды
Импульсные диоды должны обладать минимальным временем переключения из закрытого состояния в открытое и наоборот. В высокочастотных диодах минимальны паразитные реактивные составляющие токов. То и другое обеспечивается, в основном, минимизацией барьерной и диффузионной ёмкостей диодов.
Уменьшение барьерной ёмкости m-n и p-n переходов, согласно (16), достигается уменьшением площади контакта S. На сегодня, благодаря интегральной технологии, она может составлять всего несколько десятков нм2. Однако уменьшение S находится в противоречии с необходимостью обеспечить заданный прямой ток. Поэтому выбор S и других величин в (16) всегда компромиссен. Известны также попытки перехода от кремния к полупроводникам с меньшей величиной εε0.
Диффузионная ёмкость отсутствует в диодах Шотки, что делает их основным типом для указанных применений.
В диодах с p-n переходом диффузионную ёмкость удаётся уменьшить за счёт уменьшения толщины базы. На рис. 17 изображены p-n+ диоды
с обычной (а) и тонкой базой (б):
а) б)
Рис. 17
Т.к. у этих диодов эмиттером является сильнолегированная n-область, при прямом напряжении будет наблюдаться преимущественно электронный диффузионный ток. Рис. 17 демонстрирует распределение свободных электронов в обоих диодах. Очевидно, что в диоде с тонкой базой пространство, где существует диффузионный заряд, а также сам этот заряд, намного меньше. Поэтому здесь намного меньше и диффузионная ёмкость.
Согласно (17), диффузионную емкость p-n диода можно также уменьшить, уменьшив среднее время жизни неосновных носителей в базе τ.
Для этого, например, можно несколько увеличить концентрацию примеси в базе, что вызовет более интенсивную рекомбинацию и уменьшение τ.
Всё сказанное в равной степени относится к m-n и p-n переходам в интегральных схемах, где они используются не только в качестве диодов, но и в составе других элементов.
Стабилитрон
Стабилитрон– диод, предназначенный для стабилизации напряжения в режиме электрического пробоя. В таком диоде используется кремниевый p-n переход, отличающийся способностью работать при температурах до 1250 С и малой склонностью к возникновению теплового пробоя.
Схема включения стабилитрона представлена на рис. 18:
Рис. 18
Здесь Uвх – нестабильное напряжение источника питания – батареи, аккумулятора, солнечной батареи и т.п. На стабилитрон подано обратное напряжение