Рисунок 3.9. МДП-транзистор в активном режиме работы

На третьем слайде показана работа полевого транзистора в режиме отсечки. По мере роста напряжения исток-сток V_DS в канале наступает такой момент, когда произойдет смыкание канала (смыкание канала, или отсечка, произойдет у стока), т.е. заряд электронов в канале в некоторой точке станет равным нулю. Рисунок 3.10 - МДП-транзистор в режиме отсечки. Это соответствует условию: , изображенному в нижнем правом углу анимации.

Пользователь, меняя напряжение стока V_DS, видит, как точка канала сдвигается от стока к истоку. В первом приближении при этом на участке плавного канала от истока до точки отсечки падает одинаковое пороговое напряжение, не зависящее от напряжения исток-сток.

В правой части экрана расположена зависимость тока стока от напряжения на стоке. Изменяя напряжение на стоке, пользователь видит, на каком участке зависимости он находится.

Рисунок 3.10. МДП транзистор в режиме отсечки

3.8 «Полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки»

Анимация содержит один слайд, на котором изображены физические процессы в полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шоттки. Рисунок 3.11 - Полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки.

Пользователь может менять напряжение на затворе V_GS от 0 до -2,5 В и напряжение исток - сток V_DS от 0 до 5 В. При приложении напряжения V_GS к затвору полевого транзистора (V_GS > 0), происходит расширение обедненной области в полупроводниковую подложку, поскольку затвор легирован существенно сильнее, чем подложка (N_D >> N_A). При этом уменьшается поперечное сечение канала, а, следовательно, увеличивается его сопротивление. Приложенное напряжение исток-сток V_DS вызовет ток в цепи канала полевого транзистора. Знак напряжения V_DS необходимо выбирать таким образом, чтобы было бы противоположно по знаку напряжению V_GS.

Рисунок 3.11. Полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки.

В правой части анимации показаны вольтамперные характеристики в полевом транзисторе с затвором в виде барьера Шоттки. Их отличительной особенностью является то, что при напряжении на затворе V_G = 0 канал транзистора открыт и величина тока через него максимальна.

3.9 «Диодный тиристор»

Данная анимация содержит 11 слайдов. На первом слайде показаны: структура тиристора, зонная диаграмма тиристора и дано определение диодного тиристора. Навигация по слайдам производится путем нажатия на управляющие кнопки «вперед», «назад», «начало» и с помощью выбора точки на вольтамперной характеристике, расположенной в правом верхнем углу некоторых последующих слайдов. Рисунок 3.12 - Работа тиристора в закрытом состоянии. Альфа = 0,4.

На последующих нескольких слайдах показаны зонные диаграммы тиристора при различных коэффициентах передачи эмиттерного тока (б = 0,2; 0,3; 0,4; 0,49; 0,51), коэффициента переноса к и коэффициента инжекции . Для того чтобы увидеть анимацию токов в диодном тиристоре необходимо нажать на соответствующую кнопку и пользователь перейдет к слайду где показаны компоненты тока при необходимых ему параметрах. Кроме анимации компонент тока, пользователь увидит, на каком участке вольт-амперной характеристики он находится. Рисунок 3.12 - Работа тиристора в закрытом состоянии. Альфа = 0,4.

Рисунок 3.12. Работа тиристора в закрытом состоянии. Альфа = 0,4

В анимации показаны основные физические процессы в диодном тиристоре, а имненно:

· Инжекция в базы диодного тиристора

· Рекомбинация (как зона - зона, так и с помощью рекомбинационных центров - «ловушек»)

· Диффузия через базы

· Генерация носителей заряда в p-n переходе П₃

3.10 «Диод Ганна»

Анимация имеет три слайда. На первом слайде изображены физические процессы при междолинном переходе. В левой части анимации изображена схематическая диаграмма, показывающая энергию электрона в зависимости от волнового числа в области минимумов зоны проводимости арсенида галлия n-типа.

В правой части анимации расположена N-образная вольт-амперная характеристика диода Ганна, где E - электрическое поле, создаваемое приложенной разностью потенциалов; J - плотность тока и пользовательское меню, позволяющее переходить от одного участка вольт-амперной характеристики к другому, меняя напряженность электрического поля. Рисунок 3.13 - Диод Ганна. Междолинные переходы.

Рисунок 3.13. Диод Ганна. Междолинные переходы

Если напряженность поля в образце мала, то все электроны находятся в нижней долине зоны проводимости. Поскольку средняя тепловая энергия электронов значительно меньше энергетического зазора между дном верхней и нижней долин зоны проводимости, они не переходят в верхнюю долину.

Когда напряженность поля достигает порогового значения E_П, появляются электроны, способные переходить в верхнюю долину зоны проводимости.

Дальнейшее увеличение поля приводит к росту концентрации электронов в верхней долине. Переход из нижней долины в верхнюю сопровождается значительным ростом эффективной массы и уменьшением подвижности, что ведет к уменьшению скорости дрейфа.

При этом на вольт-амперной характеристике образца появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС).

При нажатии на управляющую кнопку «Формирование доменов сильного электрического поля», пользователь переходит на слайд с соответствующим названием.

На втором слайде, в левой части анимации, изображены распределение объемного заряда, напряженности поля и плотность тока в образце при формировании домена сильного поля. Рисунок 3.14 - Диод Ганна. Формирование доменов сильного электрического поля.

Рисунок 3.14. Диод Ганна. Формирование доменов сильного электрического поля

В правой части анимации изображены вольт-амперная характеристика диода Ганна, управляющие кнопки «Play» и «Stop», позволяющие запустить и остановить анимацию формирования доменов сильного электрического поля и краткое пояснение физических процессов, изображенных в анимации.

При приложении электрического поля E (E_пор ? 2-3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n-типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Также, внутри домена, меняются объемный заряд, напряженность и плотность тока.

Этот процесс прекратится и дипольный слой достигнет стабильной конфигурации, когда плотность тока внутри и вне его станет одинаковой и будет соответствовать точкам вольт-амперной характеристики, лежащим вне участка отрицательной дифференциальной проводимости и пользователь может перейти к третьему слайду анимации.

На третьем слайде анимации изображены физические процессы, происходящие в диоде Ганна при генерации СВЧ колебаний. Рисунок 3.15 - Диод Ганна. Генерация импульсов тока.

Рисунок 3.15. Диод Ганна. Генерация импульсов тока

В левой части анимации изображен уже сформировавшийся участок сильного электрического поля - «домен», дрейфующий от катода к аноду со скоростью ~10⁷ см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется.

Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец.

Моменту исчезновения домена у анода - восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т.е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.

В правой части анимации изображены вольтамперная характеристика диода Ганна и краткое пояснение физических процессов, изображенных в анимации.

3.11 «Физические процессы в биполярном транзисторе»

Данная анимация имеет 5 слайдов. На первом слайде (Рисунок 3.16 - Биполярный транзистор в схеме с общей базой) представлены общие сведения о биполярном транзисторе. При наведении курсора на любую область транзистора появляется всплывающая подсказка с названием этой области. По умолчанию на рисунке изображен биполярный транзистор в схеме с общей базой, но при желании пользователь может увидеть биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером. Для этого достаточно нажать на кнопку «общий эмиттер», расположенную в нижней части анимации. В правом нижнем углу анимации расположена кнопка «информация» при нажатии на которую появляется всплывающая подсказка с определением биполярного транзистора.

Рисунок 3.16. Биполярный транзистор в схеме с общей базой

На втором слайде (Рисунок 3.17 - Зонная диаграмма биполярного транзистора) изображена зонная диаграмма биполярного транзистора. На которой подписаны:

· Вершина валентной зоны

· Дно зоны проводимости

· Середина запрещенной зоны (всплывающая подсказка при наведении на уровень курсором)

· Уровень энергии Ферми (всплывающая подсказка при наведении на уровень курсором)

· Равновесная концентрация электронов как неосновных носителей в полупроводнике p - типа ()

· Равновесная концентрация дырок как основных носителей в полупроводнике p - типа ()

· Равновесная концентрация дырок как неосновных носителей в полупроводнике n - типа ()

· Равновесная концентрация электронов как основных носителей в полупроводнике n - типа ()

Рисунок 3.17. Зонная диаграмма биполярного транзистора

На следующих слайдах показаны физические процессы в биполярном транзисторе. В верхнем левом углу расположены значения коэффициентов наиболее влияющих на следующие физические процессы: инжекцию, рекомбинацию, диффузию и экстракцию. При нажатии на любой из коэффициентов появится всплывающая подсказка с названием коэффициента, с его физическим смыслом и формулой для его расчета.

На третьем слайде показаны компоненты тока в биполярном транзисторе при коэффициенте передачи тока эмиттера (б) 0.81, коэффициенте переноса () 0.9 и коэффициенте инжекции () 0.9. Рисунок 3.18 - Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,81; = 0,9; = 0,9)

При прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный.

В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинировавших основных носителей в базе через внешний контакт должно подойти такое же количество носителей.

Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор.

Анимация количественно показывает компоненты тока в биполярном транзисторе. Полный ток эмиттера взят 10 носителей. В базу инжектируется 9 (90%) дырок, т.к. =0,9 (коэффициент инжекции или эффективность эмиттера) и показывает долю полезного дырочного тока в полном токе эмиттера.

Рисунок 3.18. Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,81; = 0,9; = 0,9)

Из 9 инжектированных дырок 8 (90%) проходят без рекомбинации через базу и экстрагируются в коллекторный переход, так как, = 0,9 (коэффициент переноса) показывает долю эмиттерного дырочного тока без рекомбинации дошедшего до коллекторного перехода. Таким образом, на рекомбинационный ток базы остается 1 носитель (10%).

Такие значения коэффициентов являются наиболее эффективными для биполярного транзистора.

Рассмотрим биполярный транзистор с низкой эффективность эмиттера - = 0,4. Для этого необходимо выбрать соответствующий слайд в анимации. Рисунок 3.19 - Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,36; = 0,9; = 0,4)

Так как, эффективность эмиттера низкая ( = 0,4), то доля полезного дырочного тока составляет всего 40% от полного эмиттерного тока. Из 20 носителей заряда в полезном токе участвует только 8, что наглядно изображено на анимации. Из инжектированных носителей 90% (7 штук) проходят без рекомбинации через базу и экстрагируются в коллектор, на рекомбинацию в базе остается 10% инжектированных носителей (1 штука).

Таким образом, при таких значениях коэффициентов сохраняется малый рекомбинационный ток в базе и значительно уменьшается полезный эмиттерный ток, а, следовательно, и диффузионный ток тоже, что нежелательно для биполярного транзистора.

Рисунок 3.19. Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,36; = 0,9; = 0,4)

На последнем слайде анимации показаны физические процессы в биполярном транзисторе при низком коэффициенте переноса = 0,4. Рисунок 3.20 - Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,36; = 0,4; = 0,9).

Рассмотрим, как меняются токи в этом случае. Возьмем полный эмиттерный ток за 10 носителей. Из них 9 инжектируются в базу, так как эффективность эмиттера высокая ( = 0,9).

Так как коэффициент переноса низкий = 0,4, всего 40% носителей (4) продиффундируют через базу без рекомбинации и экстрагируются в коллектор. 60% носителей (5) прорекомбинируют в базе биполярного транзистора, что наглядно показано в анимации.

Таким образом, при таких значениях коэффициентов сохраняется полезный эмиттерный ток, но существенно возрастает рекомбинационный ток в базе, снижая диффузионный ток, что нежелательно для биполярного транзистора.

Рисунок 3.20. Компоненты тока в биполярном транзисторе (б = 0,36; = 0,4; = 0,9)

Пользователь, меняя коэффициенты инжекции и переноса, следовательно, и коэффициент передачи тока эмиттера, может видеть «своими глазами» как изменяются компоненты тока в биполярном транзисторе, что, несомненно, помогает более эффективно усвоить данный материал.

Заключение

Освоены программные и технические средства, методы и оболочки для разработки мультимедийных приложений и курсов дистанционного обучения.

Созданы десять мультимедийных приложений (в среде Macromedia Flash MX) предназначенные для сопровождения учебного пособия «Твердотельная электроника» и встроены в электронную версию данного пособия.

Создан мультимедийный фрагмент - видеоролик (потоковое видео) по теме «Полевой транзистор с затвором в виде барьера Шоттки».

Список литературы

1. Distance Education: What Works Well by Michael Corry (Editor), Chih-Hsiung Tu (Editor) (Дистанционное образование: то, что хорошо работает.)

2. httр://www.mesi.ru/niiot/mat_2.html

3. httр://www.cdo.ru/news/edu22032000_02.htm

4. Оценка качества метаданных и учебных объектов при построении электронных курсов. Building quality assurance into metadata creation: an analysis based on the learning objects and e-рrints communities of рractice. Jane Barton, Sarah Currier, Jessie M.N. Hey

5. httр://solidlab.by.ru/рrojects/рublic/students/рrj2/techdoc__3.htm

6. httр://ito.edu.ru/2001/ito/III/1/III-1-35.html (О некоторых направлениях использования интегральной среды разработки и использования сетевых курсов (ИСРИСК) WebCT в учебном процессе. Андреев А. А, Ильченко О.А., Рубин Ю.Б., Самойлов В.А. Московский Государственный Университет Экономики, Статистики и Информатики (МЭСИ), г. Москва)

7. httр://ito.edu.ru/2002/III/2/III-2-257.html (Среда дистанционного обучения learning sрace 5.0 - готовое решение для учебных заведений. Гусев П.В. ООО «Дистанционное обучение», г. Москва)

8. httр://dimon.biр.ru/soft/9.html - программные средства разработки мультимедийных приложений (аудио, видео, графика, анимация)

9. httр://www.distance-learning.ru - Конструктор виртуального лабораторного практикума

10. httр://griada.narod.ru/rff/deрartments/Staff/Tsikin.html - Радиофизический факультет СПбГПУ: Кафедра «Радиотехника и телекоммуникации»

11. httр://www.informika.ru/text/magaz/it/ - журнал «Информационные технологии»

12. Зи С.М. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1984, т. 1,2. - 910 с.

13. Шур М.С. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Мир, 1992, т. 1,2. - 974 с.

14. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 570 с.

15. Гаман В.И. Физика полупроводниковых приборов. - Томск: Изд-во Томского университета, 1989. - 336 с.

16. Терещук Р.М. Полупроводниковые приемно-усилительные устройства: Справочник радиолюбителя / 4-е издание, стер. - Киев: Наук. Думка 1989. - 800 с.

17. Бочаров Л.Н. Полевые транзисторы. - М.: Радио и связь, 1984, - 80 с.

18. Полупроводниковые приборы: транзисторы: Справочник / Н.Н. Горюнова. М.; Энергоатомиздат, 1985. 904 с.

19. Дэвид Хеллер, Дороти Хеллер Мультимедийные презентации. Киев, BHV, 1997 г.

20. Л.Дж. Скибб, С. Хэйфместер Оптимизация мультимедиа. Киев, DiaSooft, 1997 г.

21. http://www.3dnews.ru/software/flash/index.htm - Создание flash-анимации при помощи программы SwishMAX, С. Бондаренко, М. Бондаренко

22. http://www.themix.ru/info/page020.htm - Использование Flash-анимации при создании Web-страницы

23. http://www.softline.ru/ - Macromedia Flash MX 2004

24. http://www.cnews.ru/newsline/index.shtml? 2003/03/28/142540 - Hi-Tech News

25. Дж. МакДональд, К. Петерс, Т. Ярд и др. Flash MX Studio: практическое пособие / Пер. с англ. - М.: Издательство «СП ЭКОМ», 2003.-688 с.: илл.

26. Назаров А.И. Инновационные технологии в системе открытого обучения физике в региональном вузе / А.И. Назаров; ПетрГУ. - Петрозаводск, 2004. - 208 с.

Размещено на Allbest.ru