Елементи зонної теорії напівпровідників

Елементи зонної теорії напівпровідників

Різні речовини по різному проводять електричний струм. Так, для багатьох металів (алюміній, мідь, залізо, тощо) питомий опір r при кімнатній температурі не перевищує 10^-7Ом × м. Речовини з таким питомим опором прийнято називати провідниками. Навпаки, такі речовини як скло, фарфор, парафін тощо практично не проводять електричний струм. Їх питомий опір становить 10¹² - 10¹⁴Ом × м. Такі речовини називаються ізоляторами.

Поряд із провідниками та ізоляторами існує також цілий клас речовин, які називаються напівпровідниками. Їх питомий опір вищий, ніж у металів, але нижчий, ніж у ізоляторів, і перебуває в широких межах – від 10^-5 до 10⁶ Ом × м.

Експериментальні дослідження показують, що в широкому діапазоні температур для провідників справедливі співвідношення для опору R і питомого опору r

і ,      (1)

де  і  – опір і питомий опір при температурі ,  – температурний коефіцієнт опору, t – температура по шкалі Цельсія.

Залежність питомого опору r від температури t : ростом температури питомий опір чистих металів зростає.

В той же час для напівпровідникових речовин питомий опір з ростом температури зменшується Отже для металів a приймає додатні значення, а для напівпровідників – від’ємні.

Різниця в знаках температурного коефіцієнту опору металів і напівпровідників не єдина їх відмінність. Досліди показують, що в металах струм переноситься негативними зарядами – електронами, тоді як в напівпровідниках струм створюється в загальному випадку рухом як негативних, так і позитивних зарядів.

Електронно-дірковий перехід

Електронно-дірковий перехід утворюється на границі двох напівпровідників з різним типом домішкової провідності (див. рис. 2.12). Важливо підкреслити, що електронно-дірковий перехід з потрібними для створення напівпровідникових приладів властивостями повинен бути отриманим в єдиній кристалічній структурі, в різні області якої вводяться акцепторні та донорні домішки. Для цього використовують технологію плавлення (технологія сплавного діода).

На границі розділу областей р і n навіть за відсутності зовнішніх джерел електрорушійної сили утворюється потенціальний бар’єр, який власне і є електронно-дірковим переходом (р-n перехід). Це пояснюється тим, що в приграничній області дірки із р-області внаслідок дифузії рекомбінують з електронами із n-області, збільшуючи кількість зарядово не скомпенсованих іонів решітки (збіднений носіями заряду шар). Зменшення кількості носіїв заряду приводить до збільшення опору р-n переходу. Електричне поле подвійного зарядженого приконтактного шару забезпечує дрейфовий струм неосновних носіїв. Рівновага настає, коли цей струм дорівнює дифузійному струму основних носіїв. Товщина збідненого шару d – потенціального бар’єру – залежить від багатьох факторів і може скласти декілька мікрон (див. рис. 2.13).

 

Е) логічні схеми на діодах;

Діоди можуть використовуватись для реалізації різноманітних схем, що виконують логічні операції.

Є) тунельні діоди ;

Тунельні діоди – це діоди, в яких використовуються напівпровідники з надзвичайно великою концентрацією домішок. (10¹⁹¸10²¹см³).

Транзистори

Транзистор (від англ.: transfеr - переносити і резистор), напівпровідниковий прилад для посилення, генерування і перетворення електричних коливань, виконаний на основі монокристалічного напівпровідника (переважно Si або Ge), що містить не менше трьох областей з різною, - електронною (n) і дірковою (p) - провідністю.

Електронна промисловість випускає широкий асортимент транзисторів, застосування яких дозволяє створити економічну по живленню, малогабаритну і надійну апаратуру.

Класифікація транзисторів представлена на рис. 2.23.

Біполярні транзистори

Основним елементом транзистора є кристал германію або кремнію, в якому створені три області різної провідності. Дві крайні області завжди мають провідність одного типу, протилежного провідності середньої області. Такі прилади називаються транзисторами типу npn або pnp (див. правий рис. 2.24). Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – колектором, інша – емітером. Область бази в транзисторі є дуже тонкою – близько декількох мкм. Крім того, концентрація атомів домішки в базі незначна – в багато разів менша, ніж в емітері.

Отже, такий транзистор має два p-n переходи, які називаються колекторним та емітерним.

 

Польові транзистори

Польові транзистори – це транзистори, в яких носіями струму є або електрони або дірки, тобто носії одного знаку. Тому такі транзистори називаються уніполярними.

В основу роботи польового транзистора покладена залежність опору деякого струмопровідного шару – каналу від прикладеної напруги, тобто від величини електричного поля, з чим і пов’язаний термін „польовий транзистор”. Польові транзистори поділяються на польові транзистори з управляючим p-n переходом і польові транзистори з ізольованим затвором.

 

2.6.2.1. Принцип дії польового транзистора з управляючим p-n переходом

Основою приладу є кристал домішкового напівпровідника, наприклад n – типу, з двома омічними контактами, які називаються витік і стік. Між витоком і стоком розміщений p-n перехід, у якого зі сторони р – області знаходиться омічний контакт – затвор. При прикладенні до p-n переходу, тобто, наприклад, між контактами затвор і витік зворотної напруги, збіднена область p-n переходу розширюється, в результаті чого переріз каналу зменшується.

Носії заряду (електрони) протікають по каналу між витоком і стоком, створюючи таким чином електричний струм і_с. Подаючи зворотну напругу на вхід затвор - витік ми можемо регулювати ширину p-n переходу і регулювати ширину каналу, по якому протікає електричний струм, а отже і сам електричний струм через транзистор. Польові транзистори мають низку суттєвих переваг над біполярними, важливих для використання в обчислювальній техніці:

1. Вхідний опір польових транзисторів набагато більший від опору біполярних, що важливо для електричних схем, де потрібне економне споживання потужності для управління приладом (наприклад, у комп’ютерів). Крім того, великий вхідний опір транзистора спрощує узгодження послідовних каскадів електричних схем.

2. В каналі польового транзистора рух носіїв заряду відбувається під дією електричного поля на відміну від дифузійного руху носіїв в біполярному транзисторі. Цей факт суттєво підвищує швидкодію приладів, побудованих на основі польових транзисторів.

 

Інтегральні мікросхеми

Інтегральні мікросхеми складаються із з’єднаних провідним матеріалом груп функціонально пов’язаних схемних елементів (діодів, транзисторів, резисторів, конденсаторів) в єдиній напівпровідниковій матриці і розміщених в окремій капсулі.

Кожна інтегральна мікросхема, як єдиний прилад, замінює одну або декілька радіотехнічних схем: підсилювачів, генераторів, логічних схем, тощо. Необхідні з’єднання окремих елементів радіотехнічних схем здійснюються вже в технологічному процесі виготовлення інтегральної схеми. З’єднання між елементами схеми здійснюється не зовнішніми провідниками, а за допомогою плівкової або напівпровідникової технології на поверхні або в глибині напівпровідника.

Основою інтегральних мікросхем є напівпровідниковий кристал. Розрізняють три групи інтегральних мікросхем: плівкові, напівпровідникові і гібридні. В напівпровідникових інтегральних схемах всі елементи і між елементні з’єднання виконані в об’ємі і на поверхні напівпровідникової пластини. Кількість елементів може досягати декількох мільйонів. В якості активних елементів в напівпровідникових інтегральних схемах в основному використовуються біполярні транзистори та польові транзистори з ізольованим затвором.

Оперативна пам’ять

Оперативна пам’ять (ОП) – це робоча область процесора комп’ютера. В ній під час роботи зберігаються програми і дані. Вона часто розглядається як тимчасове сховище, оскільки інформація в ОП зберігається тільки при ввімкненому комп’ютері.

Пристрої ОП інколи називають запам’ятовуючими пристроями з довільним доступом (англ.:RAM - Random Access Memory – пам’ять з довільним доступом). Це означає, що звернення до даних, які зберігаються в ОП, не залежать від порядку зберігання в ній. Зараз поняття RAM означає основний робочий простір пам’яті, який створюється мікросхемами динамічної оперативної пам’яті (Dinamic RAM – DRAM) і статичної оперативної пам’яті (Static RAM – SRAM). RAM є енергозалежною пам’яттю. Це означає, що після виключення ПК дані, які в ній зберігаються, будуть втрачені, якщо їх не зберегти на жорсткому диску або пристрої зовнішньої пам’яті.

Фізично ОП в системі є набором мікросхем або модулів, які підключені до системної плати.

В сучасних ПК використовуються запам’ятовуючі пристрої трьох основних типів:

1. ROM (англ.:Read Only Memory, ПЗП – постійний запам’ятовуючий пристрій);

2. DRAM;

3. SRAM.

 

Будова і принцип дії SST.

Описаними вище комірками пам’яті на основі транзисторів з плаваючим затвором не обмежується різноманіттям можливих конструкцій. Широкого вжитку набула комірка SST. Будовою вона нагадує комірку на основі ЛІЗМОН, але в ній змінені форми плаваючого і управляючого затворів (див. рис. 2.38).

Управляючий затвор має вигнуту форму, так що одночасно знаходиться над витоком і краєм стоку. Плаваючий затвор при такій конструкції управляючого може знаходитись між ним і витоком. Це суттєво спрощує процеси інжекції „гарячих” електронів і тунелювання Фаулера-Нордхейма, яке відбувається не в область витоку, а в область управляючого затвору. Така будова транзистора значно підвищує його довговічність за рахунок довшого збереження структури діелектрика.

Будова і принцип дії MLC .

Комірка MLC відноситься до так званих багаторівневих комірок. В ній одночасно може зберігатись декілька біт інформації. Принцип роботи такого транзистора полягає в наступному. Як видно з рис. 2.33 при наявності заряду на плаваючому затворі, провідний канал перекривається і струм через транзистор припиняється. Транзистор можна відкрити подаючи деякий більший потенціал (пороговий потенціал) на управляючий затвор. Таким чином, по значенню порогового потенціалу на управляючому затворі можна судити про кількість заряду на плаваючому затворі. В MLC є можливість розрізняти за допомогою порогового потенціалу різну кількість заряду на плаваючому затворі: немає заряду – відповідає логічному „11”, одна третина заряду – відповідає логічному „10”, дві третини – логічному „01”, повністю заряджений плаваючий затвор – логічному „00”. Це означає, що в одній комірці пам’яті можна зберігати два біта інформації. В сучасних розробках є можливість розрізняти 16 рівнів порогового потенціалу, що відповідає 4 бітам.

Твердотільні накопичувачі.

Твердотільний накопичувач (Solid State Drive) — це напівпровідниковий накопичувач, що складається з мікросхем пам’яті і контролера (подібно до флеш-пам’яті). Існують два види SSD - накопичувачів, які базуються на використанні енергозалежної (RAM SSD) і незалежної (NAND або Flash SSD) пам’яті. Перші характеризуються швидким читанням, записом і пошуком інформації в пристрої пам’яті і використовуються в основному для прискорення роботи великих систем управління базами даних і потужних графічних станцій. Основним їх недоліком є надзвичайно висока вартість. Інші ж мають набагато нижчу вартість (від $2 за ГБ) і характеризуються відносно невеликими розмірами і низьким енергоспоживанням, і саме вони є найбільш перспективними.

Використовується дві технології для виробництва твердотільної пам’яті:

1. NAND SSD (SLC);

2. MLC.

SLC (Single Level Cell) — технологія, при якій кожна комірка пам’яті використовується для зберігання одного біта даних. У свою чергу MLC (Multi Layer Cell) дозволяє зберігати у комірці 4 біта даних. Зрозуміло, що на основі MLC можна створювати більш місткі SSD - диски. Недоліком є те, що вони при цьому програють в швидкості читання/запису в порівнянні з технологією SLC (приблизно в півтора рази).

Найочевидніша перевага SSD перед звичними жорсткими дисками полягає в його монолітності. Якщо HDD мають рухомі частини (в більшості вінчестерів диски обертаються зі швидкістю 7200об/с), то в SSD рухомих частин немає. Це гарантує вищу надійність роботи пам’яті — адже чим менше рухомих деталей, тим надійніший пристрій. Це також гарантує повну безшумність флеш-дисків.

Окрім очевидних, SSD має також ряд інших переваг. Зокрема, варто відзначити, що твердотільні накопичувачі мають в 2-3 рази меншу вагу ніж вінчестери. Але часто найбільше значення має на порядок менше енергоспоживання SSD - дисків в порівнянні з HDD.

Окрім переваг, на зразок пониженої шумності і надійності, в SSD - накопичувачів є свої переваги при читанню/запису даних. Твердотільні накопичувачі працюють на абсолютно однакових фізичних елементах - елементах пам’яті. При читанні файлу, що займає декілька блоків, весь процес фактично займає час, потрібний для доступу до одного блоку, оскільки SSD може працювати паралельно з декількома елементами пам’яті. Магнітна головка HDD працює послідовно з кожною коміркою пам’яті, тому вона буде послідовно проходити блоки і читати з них інформацію. Швидкість зчитування при цьому досить суттєво падає, оскільки потрібна інформація знаходиться в різних секторах диску. І тому HDD витрачає в середньому 12-13мс на позиціювання головки і дообертання диску до потрібного місця. В SSD же на весь процес витрачається близько 0,01мс.

Серйозною проблемою у них є життєвий цикл. Так, час життя комірки пам’яті SSD в середньому складає біля 10 тис. перезаписів (хоча деякі виробники заявляють про більшу кількість). Крім того, у SSD неможливо записати нову інформацію поверх старої без всяких попередніх дій як у жорстких дисків. Інший суттєвий недолік, який і є визначальним для користувача, — висока ціна SSD - накопичувачів..

Флеш-пам’ять

Найновішим типом змінного накопичувача, не основаного на принципі магнітного запису є флеш-пам’ять (Flash - memory). Флеш-пам’ять можна означити як особливий вид енергонезалежної, напівпровідникової пам’яті з можливістю перезапису. Вона:

1. енергонезалежна, оскільки не вимагає додаткової енергії для зберігання даних. Енергія потрібна тільки для запису.;

2. має можливість перезапису даних як окремих блоків пам’яті, так і пам’яті цілком;

3. напівпровідникова (твердотільна), оскільки побудована на основі інтегральних мікросхем і не має рухомих механічних частин (як жорсткі диски або СD).

Принципова відмінність флеш-пам’яті від RAM полягає в її енергонезалежності. Ця пам’ять може на протязі необмеженого часу (десятки років) зберігати інформацію при відсутності зовнішнього живлення.

Основною структурною одиницею, яка використовується для зберігання біта інформації, у флеш-пам’яті є МДН транзистор з плаваючим затвором. Заміни пам’яті DRAM і SRAM флеш-пам’яттю не відбувається через такі причини:

1. Суттєво повільніша робота;

2. Обмеження по кількості циклів перезапису (10⁴ – 10⁶).

Архітектура флеш-пам’яті

Комірка флеш-пам’яті на основі транзистора з плаваючим затвором може використовуватись для створення масивів енергонезалежної пам’яті. Для цього потрібно певним чином об’єднати в один масив множину таких комірок, тобто створити архітектуру пам’яті.

Архітектура NOR

Дана архітектура була розроблена для флеш-пам’яті фірмою Intel в 1988 році. За допомогою такої схеми здійснюється перетворення вхідної напруги у вихідну, яка відповідає логічним „0” і „1”. Пояснимо принцип дії такої схеми. Для цього умовно припустимо, що опір відкритого транзистора дорівнює нулю, а опір закритого - якомусь дуже великому значенню (що є недалеким від істини). Нехай в початковому стані на вході всіх транзисторів схеми немає сигналу („0”), вони закриті, відповідно на виході С є потенціал, оскільки вся схема є подільником напруги. Потенціал на виході відповідає логічній „1”. Якщо на вході А є сигнал, а на вході В – нема, то транзистори Т3 відкривається, його опір стає рівним нулю, і, значить, потенціал на виході стає рівним нулю (логічний „0”). Те ж саме спостерігається при відсутності сигналу на вході А, і присутності – на В. Тепер транзистор Т4 відкривається і закорочує вихід С на корпус. При подачі напруги на обидва входи А і В схеми всі транзистори відкриються і знову потенціал на виході С дорівнює нулю.

Недоліки:

Погане масштабування.Kомірка пам’яті покрита сіткою провідників ліній слів і біт. Оскільки запис інформації в комірку відбувається методом інжекції „гарячих” електронів, що вимагає високої напруги, всі лінії слів, біт і витоків необхідно розміщувати на достатньо великій відстані одна від одної для забезпечення достатньої ізоляції. Це є причиною неможливості зменшення площі мікросхем шляхом мінімізації розмірів транзисторів нижче деякого масштабу.

Іншим недоліком такої комірки є ефект надлишкового видалення заряду з плаваючого затвору, який не може компенсуватись процесом запису. В результаті, на плаваючому затворі утворюється додатній заряд і транзистор завжди залишається у відкритому стані.

Архітектура N AND .

Дану архітектуру флеш-пам’яті розробила фірма Toshiba в 1989 році.Схема логічного елемента, який отримав назву (NAND – Not AND – в булевій математиці означає „і - не”)

Архітектура NAND у флеш-пам’яті застосовується найчастіше у матриці, елемент якої показано на рис. 2.45.Тут, як і в архітектурі NOR, вхідні сигнали ідуть по лініях слів на управляючі затвори, а вихідні сигнали знімаються по лініях біт. При проходженні одночасно сигналів на два сусідні транзистори з плаваючими затворами („1”) і на два транзистори з селективних ліній вони відкриваються, їх опори стають близькими до нуля і на лінії біт потенціал стає рівний нулю („0”). Будь які інші варіанти з відкриттям лише одного транзистора будуть давати на виході „1”. Селективні лінії необхідні для керування записом і зчитуванням необхідних комірок.

Якщо порівнювати архітектури NOR і NAND, то можна відзначити більшу швидкість читання у першої і запису (причому, набагато) у другої архітектури.

Архітектура NAND найчастіше застосовується в картах пам’яті.

Елементи зонної теорії напівпровідників

Різні речовини по різному проводять електричний струм. Так, для багатьох металів (алюміній, мідь, залізо, тощо) питомий опір r при кімнатній температурі не перевищує 10^-7Ом × м. Речовини з таким питомим опором прийнято називати провідниками. Навпаки, такі речовини як скло, фарфор, парафін тощо практично не проводять електричний струм. Їх питомий опір становить 10¹² - 10¹⁴Ом × м. Такі речовини називаються ізоляторами.

Поряд із провідниками та ізоляторами існує також цілий клас речовин, які називаються напівпровідниками. Їх питомий опір вищий, ніж у металів, але нижчий, ніж у ізоляторів, і перебуває в широких межах – від 10^-5 до 10⁶ Ом × м.

Експериментальні дослідження показують, що в широкому діапазоні температур для провідників справедливі співвідношення для опору R і питомого опору r

і ,      (1)

де  і  – опір і питомий опір при температурі ,  – температурний коефіцієнт опору, t – температура по шкалі Цельсія.

Залежність питомого опору r від температури t : ростом температури питомий опір чистих металів зростає.

В той же час для напівпровідникових речовин питомий опір з ростом температури зменшується Отже для металів a приймає додатні значення, а для напівпровідників – від’ємні.

Різниця в знаках температурного коефіцієнту опору металів і напівпровідників не єдина їх відмінність. Досліди показують, що в металах струм переноситься негативними зарядами – електронами, тоді як в напівпровідниках струм створюється в загальному випадку рухом як негативних, так і позитивних зарядів.

123456Следующая ⇒

Поделиться: