ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые приборы являются основными приборами твердотельной электроники. Это приборы, действие которых осно­вано на использовании свойств полупроводника. Различают элек- тропреобразовательные, фотоэлектрические, теплоэлектрические, тензоэлектрические, магнитоэлектрические полупроводниковые приборы и др. Рассмотрим физические основы работы, техниче­ские характеристики и области применения основных типов полу­проводниковых приборов.

6.1. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод представляет собой электропреобра- зовательный полупроводниковый прибор с электрическим перехо­дом (или переходами), имеющим два электрода. В зависимости от 112

функционального назначения полупроводникового диода различа­ют выпрямительные полупроводниковые диоды, смесительные по­лупроводниковые диоды или смесительные детекторы, модулятор­ные диоды, переключательные диоды, генераторные полупровод­никовые диоды, умножительные диоды, параметрические полупро­водниковые диоды.

Конструктивно полупроводниковые диоды могут выполняться на точечном переходе (точечный диод) или на плоскостном перехо­де (плоскостной диод), а также на основе МДП- или МОП-структу- ры. На рис. 6.1 представлена типовая конструкция полупроводни­кового диода. Основное свойство диода заключается в его односто­ронней проводимости. Большинство конструкций диодов выпол­няют на основе несимметричного /ья-перехода или перехода ме­талл-полупроводник. Несмотря на разнообразные конструктив- ^ ные особенности диодов, качественно схожи вольт-амперные и вольт-фарадные характеристики, временные диаграммы токов и напряжений при переключении. Электрический р-п-переход мож­но использовать для реализации различных функций диода. Так нелинейность вольт-амперной характеристики диода можно ис­пользовать для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования и умножения сигналов и т.п. Зависимость барьер­ной емкости от напряжения позволяет использовать диод в качест­ве конденсатора, емкость которого управляется напряжением, т.е. меняя режим работы диода, можно реализовать различные схемные Функции.

Основной характеристикой диода является зависимость посто­янного тока через полупроводниковый диод от приложенного к ^нему напряжения, или вольт-амперная характеристика (ВАХ) ^ис. 6.2). Вид ВАХ определяется многими факторами, например, Инструкцией диода, свойствами полупроводника и состоянием его

Рис, 6.2. Вольт-амперные характеристики полупроводниковых диодов: а — выпрямительного; б — туннельного; в — 5-диода

поверхности, температурой окружающей среды и т.д. Типичная для большинства выпрямительных диодов вольт-амперная характери­стика представлена на рис. 6.2, а.

На характеристике выделяют прямую и обратную ветви. Пря­мая ветвь характеристики получается, когда на полупроводник /ьтипа подается положительное напряжение, а на полупроводник л-типа соответственно отрицательное. Вид прямой ветви определя­ется прежде всего явлением преодоления основными носителями потенциального барьера. При подаче на диод прямого напряжения высота потенциального барьера уменьшается. При этом растет ко­личество основных носителей заряда, имеющих энергию, достаточ­ную для преодоления барьера. Ток через диод растет. Однако после преодоления барьера эти носители приобретают статус неосновных и их судьба определяется процессами дрейфа и диффузии. Вклад в прямой ток дают и те носители, которые за время своей жизни не смогли преодолеть потенциальный барьер. Внешнее электрическое поле перемещает носители заряда в область объемного заряда элек­тронно-дырочного перехода и стимулирует рекомбинацию пар. При достаточно высокой напряженности электрического поля и большой концентрации примесей возможно и туннелирование но­сителей при прямых напряжениях. На прямые токи значительно влияет температура перехода диода.

Обратная ветвь вольт-амперной характеристики формируется при обратных напряжениях на диоде. В этом случае происходит процесс экстракции неосновных носителей заряда и концентрация неосновных носителей падает у границы области объемного заряда. Возникает градиент концентрации неосновных носителей, приво­дящий к возникновению диффузионного тока. Через электрон­но-дырочный переход проходят неосновные носители, генерируе­мые в объеме полупроводника и на невыпрямляющем контакте

а Одновременно в области объемного заряда идет процесс те­пловой генерации пар носителей заряда. Электрическое поле раз­деляет эти пары на электроны и дырки и формируют генерацион­ную составляющую тока. При больших напряженностях электриче­ского поля носители заряда могут приобрести энергию, позволяю­щую ионизировать атомы полупроводника и вызвать лавинное ум­ножение носителей. Образующиеся при этом дополнительные пары носителей вызывают рост общего обратного тока, при высо­ких напряжениях приводящий к пробою. Возможен также туннель­ный переход через область объемного заряда. Загрязнения на по­верхности полупроводника могут привести к образованию поверх­ностных токов утечки. Поверхностные заряды в некоторых случаях могут увеличивать напряженность электрического поля в области перехода и привести к поверхностному электрическому пробою. Изменение температуры диода влияет практически на все перечис­ленные факторы, определяющие значения прямого и обратного токов.

Действительно, в уравнение полного тока ^-«-перехода входит температура (см. с. 105). Следовательно, существует энергетический баланс, связывающий выделяемую работающим диодом мощность и отводимое тепло. Исследования показали, что напряжение теплово­го пробоя диода определяется его обратным током, температурным коэффициентом обратного тока и тепловым сопротивлением.

Классификацию диодов проводят по выполняемой функции не­смотря на то, что их структура определяется типом электрического перехода, его площадью, распределением и концентраций примесей, значением электрофизических параметров полупроводниковых об­ластей, режимом работы перехода, конструкцией корпуса.

По виду ВАХ полупроводниковые приборы с отрицательным дифференциальным сопротивлением делятся на приборы УУ-типа (рис. 6.2, б) и приборы б'-типа (рис. 6.2, в). Познакомимся с неко­торыми типами полупроводниковых диодов.

Выпрямительные силовые низкочастотные диоды предназначены Для выпрямления переменного тока. При выборе типа диода руко­водствуются предельно допустимым значением выпрямленного тока, обратным напряжением и рабочей температурой. В зависимо­сти от значения допустимого тока различают диоды малой (300 мА), средней (1 А) и большой (10 А) мощности. Предельное обратное напряжение лежит в пределах 50...2500 В. Максимальная рабочая температура ограничивается значением 150... 180 °С. Для увеличения допустимого обратного напряжения диоды последова­тельно соединяются в выпрямительные столбы.

Выпрямительные высокочастотные диоды используют на часто­тах до сотен мегагерц в различных радиотехнических устройствах. В детекторах за счет нелинейности ВАХ используют выпрямление и выделение огибающей амплитудно-модулированного высокочас­тотного сигнала. В смесителях супергетеродинных приемников происходит преобразование частоты за счет эффекта получения разностной, или промежуточной, частоты при одновременной по­даче на диод радиосигнала на несущей частоте и сигнала гетероди­на. Эффект умножения частоты состоит в том, что при подаче на диод гармонического сигнала с заданной частотой можно выделить сигналы кратной частоты, или высшие гармоники. Эти явления вызваны нелинейными свойствами диодов.

Диод Шоттки представляет собой полупроводниковый прибор, выпрямительные свойства которого основаны на взаимодействии металла и обедненного слоя полупроводника (рис. 6.3, а). Контакт металл — полупроводник рассматривался ранее и зонные диаграм­мы приведены на рис. 5.6. Работа диодов Шоттки основана на пе­реносе основных носителей заряда через барьер Шоттки, который возникает в месте контакта полупроводника «-типа и металла при условии, что работа выхода металла <р_м больше работы выхода по­лупроводника ф_п или ф_м > ф_п. При этом металл заряжается отрица­тельно, а полупроводник положительно. В таком случае электро­нам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. В та­ких диодах отсутствуют традиционный /7-л-переход и эффект нако­пления неосновных носителей заряда, что приводит к повышению быстродействия диодов Шоттки.

Вольт-амперная характеристика барьера Шоттки имеет ярко выраженный несимметричный характер. В области прямых смеще­ний ток экспоненциально растет с ростом приложенного напряже-

ния, а в области обратных смещений ток не зависит от роста на­пряжения. Такая несимметричная характеристика характерна для барьерных структур. Ток как в прямом, так и в обратном смещени­ях обусловлен основными носителями — электронами.

Диоды Шоттки изготовляют на основе кремния или арсенида галлия и-типа, реже на основе германия. Силовые диоды Шоттки эффективны при использовании их в качестве низковольтных бы­стродействующих диодов на большие токи (рис. 6.3, б). Диоды Шоттки используют в преобразователях сигнала СВЧ-диапазона в качестве выпрямителей, смесителей частот, модуляторов, в им­пульсных устройствах, а также применяют в силовой электронике, интегральных транзисторах, фотодиодах, быстродействующих им­пульсных и высокочастотных диодах.

Сверхвысокочастотные диоды делятся на детекторные, пере­ключательные генераторные и преобразовательные. Конструктивно они выполнены так, чтобы корпус диода имел минимальную собст­венную емкость и индуктивность, обеспечивал бы надежное креп­ление. СВЧ-диоды должны иметь небольшое сопротивление базы г и очень малую емкость перехода плюс паразитную емкость прово­дов С так, что гС ~Т, где Г—период ВЧ-сигнала. Выпрямление происходит на переходе металл — полупроводник, что исключает процессы накопления и рассасывания неосновных носителей в базе диода.

Специальные диоды. В переключательных диодах используют эф­фект, связанный с подачей на диод прямого смещения. При этом Диод обладает меньшим активным дифференциальным сопротив­лением, чем при обратном смещении.

Преобразовательные диоды, в которых используется нелиней­ность ВАХ диода, применяют в качестве смесителей, умножителей частоты и модуляторов. Для умножительных диодов важна мощ­ность высшей гармоники при заданном значении подводимой мощности на основной частоте. Модуляторные диоды характеризу­ются потерями преобразования на модулирующей и несущей час­тотах.

Импульсные диоды предназначены для работы в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, цифровых схемах. Важным параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления, который характеризует переходный процесс переключения диода из состояния с заданным прямым током в состояние с заданным обратным напряжением.

Стабилитрон представляет собой полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации заданных напряжений в элек­трических схемах. Его ВАХ представлена на рис. 6.4, а. Принцип действия стабилитронов основан на использовании явления лавин­ного либо туннельного пробоя в электронно-дырочном переходе. На этом участке ВАХ напряжение практически не зависит от тока и оно выбрано в качестве рабочего участка (рис. 6.4, б). Качество стабилизации определяется дифференциальным сопротивлением Я_с = А ¿//А/. В идеале оно стремится к нулю. Реально дифференци­альное сопротивление лежит в диапазоне 1...50 Ом. Напряжение стабилизации у стабилитрона практически равно напряжению про­боя. Стабилитроны используют в источниках питания, фиксаторах уровня напряжения, источниках опорного напряжения. Импульс­ные стабилитроны применяют не только для стабилизации напря­жения, но и для ограничения амплитуды импульса напряжения или смещения уровня постоянного напряжения.

Стабистор в отличие от стабилитрона использует прямое вклю­чение диода и применяется для стабилизации небольших напряже­ний (до 1 В). В этом случае используют полупроводник с большой концентрацией примесей. Это позволяет уменьшить сопротивле­ние базы диода и достигнуть малого динамического сопротивления при прямом включении. В качестве стабисторов используют крем­ниевые диоды, у которых малое сопротивление базы диода, повы­шенная концентрация примесей.

Варикапы представляют собой электрически управляемые емко­сти, принцип действия которых основан на зависимости барьерной емкости р-н-перехода от обратного напряжения. Максимальное

значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении £/₀. При увеличе­нии обратного смещения емкость ва­рикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от на­пряжения определяется профилем ле­гирования базы варикапа. В случае од­нородного легирования емкость обрат­но пропорциональна корню из прило­женного напряжения и. Задавая про­филь легирования в базе варикапа можно получить различ­

ные зависимости емкости варикапа от напряжения С(Ц) — линей­но убывающие, экспоненциально убывающие.

На рис. 6.5 представлена схема включения варикапа для на­стройки частоты колебательного контура. Управляющее напряжение подается на варикап О через высокоомный резистор Я Для устране­ния постоянного тока через индуктивность колебательный контур подключается параллельно варикапу через разделительный конден­сатор большой емкости. Изменяя значение обратного напряжения, можно менять емкость варикапа, а также суммарную емкость коле­бательного контура. В этом случае меняется резонансная частота ко­лебательного контура и обеспечивается плавная и точная настройка. Варикапы применяют в схемах деления и умножения частоты, час­тотной модуляции, управляемых фазовращателях.

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) формируются на основе не­симметричного р⁺-л-перехода (рис. 6.6, а). При подаче на диод об­ратного напряжения, соответствующего лавинному пробою, в об­ласти объемного заряда формируются электронно-дырочные пары. Эти пары разделяются полем перехода. Вследствие несимметрич-

ности перехода время дрейфа электронов через область объемного заряда больше времени дрейфа дырок. Это время дрейфа, или вре­мя пролета электронов на высоких частотах, в основном определя­ет фазовый сдвиг между приложенным к диоду напряжением и проходящим током. Необходимый фазовый сдвиг получается вследствие как инерционности формирования лавины носителей (лавинное запаздывание), так и конечности их времени пролета (пролетное запаздывание). ЛПД изготавливают на основе герма­ния, кремния и арсенида галлия. На базе ЛПД создаются схемы ге­нераторов и усилителей СВЧ-сигналов.

Туннельный диод — это полупроводниковый диод на основе сильно легированного полупроводника, в котором туннельный эф­фект приводит к появлению участка с отрицательным дифференци­альным сопротивлением на вольт-амперной характеристике. В тун­нельном диоде применяют сильно легированные вырожденные по­лупроводники с высокой концентрацией примеси (10¹⁸...10²° см^-3). Туннельные переходы имеют толщину порядка сотой доли микро­на. Сквозь такие потенциальные барьеры происходит туннелирова­ние электронов без изменения энергии. В туннельном диоде на­пряжение пробоя снижается до нуля и на обратной ветви ВАХ от­сутствует участок с малым обратным током. Явление туннелирова­ния наблюдается при прямом напряжении, а на ВАХ существует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. На этом участке ток уменьшается с ростом сопротивления. Наличие участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением ха­рактерно для усилителей и генераторов. Туннельные диоды изго­тавливают на основе германия, кремния, арсенида галлия. Тун­нельные диоды могут работать на частотах порядка 40 ГГц.

Небольшое прямое напряжение уменьшает высоту энергетиче­ского барьера и электроны будут туннелировать из зоны проводи­мости «-полупроводника в валентную зону р-полупроводника. Дальнейший рост прямого напряжения на диоде уменьшает взаим­ное перекрытие зон, что приводит к нулевому туннельному току.

В общем токе превалирует инжекционная составляющая, которая резко увеличивается с ростом прямого напряжения. При подаче обратного напряжения возникает взаимное перекрытие вакантных уровней зоны проводимости «-области и уровней валентной зоны р-области, занятых электронами. Электроны из валентной зоны р-полупроводника будут туннелировать в зону проводимости «-по­лупроводника. Возникает туннельный пробой, при котором обрат­ный гок превышает ток экстракции обычных диодов. Разновидно­стью туннельного диода является обращенный диод. Используют та- 120

кие диоды для выпрямления малых переменных сигналов (порядка I . Ю^-1 В) в быстродействующих переключающих схемах.

Диод Ганна работает на основе движения домена сильного поля _в образце арсенида галлия л-типа. В отличие от ранее рассмотрен­ных диодов, в работе которых использовались свойства электрон­но-дырочных переходов, в диоде Ганна используют объемные свойства полупроводника. Если к однородному образцу арсенида галлия я-типа с концентрацией доноров 10¹⁴...10¹⁶ см^-3 приложить высокое постоянное напряжение, то в нем возникают колебания тока с периодом, равным времени пролета электронов в образце. Этот эффект обнаружил Дж.Б. Ганн. В зоне проводимости на энер­гетической диаграмме арсенида галлия существуют два минимума энергии, которым соответствуют два состояния электронов: «лег­кие» с малой эффективной массой и «тяжелые» с большой эффек­тивной массой. Формируется так называемый домен Ганна (рис. 6.7, а). В области домена электроны с меньшей подвижностью под дей­ствием поля движутся с меньшей скоростью, чем электроны за пределами домена. Легкие электроны догоняют домен и в нем пре­вращаются в тяжелые. Создается область отрицательного объемно­го заряда. Легкие электроны со стороны анода двигаются к аноду быстрее тяжелых электронов домена. Со стороны анода в домене формируется область с пониженной концентрацией электронов. Эта область представляет собой положительный объемный заряд (рис. 6.7, б). Сформированный домен состоит из областей объем­ных зарядов. Положительные ионы доноров неподвижны, а пере-

мещение области положительных зарядов обусловлено движением электронов. При достижении анода домен исчезает, а плотность тока возрастает. Следующий домен немедленно формируется у ка­тода. Домен зарождается на неоднородностях кристалла, где напря­женность электрического поля выше, чем в объеме. Такой неодно­родностью может быть изменение концентрации примесей в сотую долю процента на длине одного микрона. Домены зарождаются у катода и движутся к аноду. В кристалле может существовать только один домен.

На рис. 6.7, в показана временная диаграмма тока через диод. Диоды Ганна перекрывают диапазон частот 1...100 ГГц. В импульс­ном режиме может быть достигнута мощность более 1 кВт.

Диод Ганна представляет собой тип приборов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, у которого имеется падаю­щий участок на //-образной ВАХ. К этому же типу относится так называемый 3-диод, также имеющий падающий участок на 5-об- разной ВАХ (см. рис. 6.2, в). Такие диоды формируют из полупро­водников, в которых может быть сформирован токовый шнур, или проводящий канал. Шнур тока может перемещаться от места сво­его образования под внешними воздействиями, полями, ^-диоды целесообразно использовать для создания многоконтактных ком­мутаторов и переключателей, в том числе и для СВЧ-диапазона.

Классификация диодов. Приведем ориентировочную классифи­кацию.

По функциональному назначению:

выпрямительные диоды преобразовывают переменный ток в по­стоянный;

импульсные диоды применяют в импульсных режимах работы; детекторные диоды используют для детектирования СВЧ-сигна­лов;

смесительные диоды преобразовывают высокочастотные сигна­лы в сигналы промежуточной частоты;

переключательные диоды применяют в сверхвысокочастотных устройствах;

умножительные диоды используют для получения п-й гармони­ки основного сигнала;

модуляторные диоды позволяют получить модулированные коле­бания;

генераторные диоды используют в устройствах генерирования сигналов;

параметрические диоды — элементы с электрически управляе­мой емкостью, работают в параметрических усилителях.

По форме перехода: плоскостные; точечные.

По конструкции', диоды Шоттки; СВЧ-диоды; стабилитроны; стабисторы; варикапы; туннельные диоды; фотодиоды.

Согласно I OCI 10862—72 введена следующая система обозна­чений полупроводниковых диодов (кроме мощных на токи более 10 А, фотоэлектрических и селеновых).

Первый элемент (буква в изделиях массового применения, циф­ра — и специальных) обозначает материал, из которого изготовлен прибор: Г (1) — германий и его соединения; К (2) — кремний и его соединения; А (3) — соединения галлия; И (4) — соединения индия.

Второй элемент — буква, определяющая подкласс прибора: Д — диоды выпрямительные, универсальные, импульсные; Ц — выпрямительные столбы и блоки; А —диоды СВЧ; В — варикапы; И —диоды туннельные и обращенные; JI—диоды излучающие; Г — генераторы шума; Б — приборы с объемным эффектом Ганна; К — стабилизаторы тока; С — стабилитроны, стабисторы (стабили­заторы напряжения).

Третий элемент — цифра, определяющая назначение прибора (по мощности, частоте и т.д.).

Четвертый, пятый — число, определяющее порядковый номер разработки технологического типа прибора (1—999) (у стабилитро­нов и стабисторов третий элемент определяет индекс мощности, четвертый и пятый — напряжение стабилизации условно).

Шестой элемент — буква, обозначающая параметрическую груп­пу данного технологического типа (напряжение, ток, температуру и т.п.). Для стабилитронов и стабисторов — последовательность раз­работки (от А до Я). Буква С перед последним элементом обозна­чает набор дискретных элементов одного типа (сборка).

6.2. Транзисторы

Транзистор (от англ. transfer — переносить и лат. resistor — со­противляюсь) — электронный прибор на основе полупроводнико­вого кристалла, имеющий три электрода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колеба­ний. Обычно в транзисторе находятся два взаимодействующих /?-я-перехода.

Рассмотрим некоторые конструкции транзисторов, относящих­ся к дискетыым полупроводниковым приборам.

Полевой транзистор представляют собой транзисторную струк­туру, ^в которой управление протекающим через него током осуще­ствляется электрическим полем, перпендикулярным направлению

тока. Транзистор имеет /ья-перехсщ и два невыпрямляюшнх кон­такта, именуемые истоком и стоком. Между истоком и стоком формируется канал, через который проходит управляемый ток ос­новных носителей заряда. На рис. 6.8, а представлена конструкция и схема включения полевого транзистора. Поперечное сечение ка­нала управляется напряжением на затворе. Разность потенциалов ₁

между р- и «-областями в разных точках различна потому, ч:: вдоль канала происходит падение напряжения. Канал сужается г:с направлению к стоку. На рис 6.8, б приведены вольт-амперные ха- j

рактеристики полевого транзистора. При увеличении напряжение _qacT

на стоке область объемного заряда расширяется и ток стока увели- чивается. Затем наступает режим насыщения, когда с увеличением ‘ _3gb

напряжения на стоке ток стока почти не растет. Подача обратного напряжения на затвор приводит к сужению канала. С увеличением _}{СП0

напряжения на затворе ¿7_3i < i/₃₂ < i/33 канал все более сужается _{пы (}

(позиции 7, 2, 3 рис. 6.8, б). Полное перекрытие канала не пронс- 6_1Llb

ходит, а автоматически устанавливается некоторая малая ширина _ЗУют

канала. Основным режимом работы полевого транзистора является _стей

режим насыщения. Зависимость тока стока насыщения от напря- пшл«

жения сток — исток имеет вид /_с =Л^зи) при ¿си ⁼ const. тому

Усилительные свойства полевого транзистора оценивают еле- поле!

дующими малосигнальными параметрами: 1000

Эти параметры связаны классическим соотношением ц = ЯД

Полевые транзисторы обладают малой инерционность, поэтому частотные свойства их достаточно хорошие. Ятя изготовления транзисторов используют кремний, германий, арсенид галлия. По­левые транзисторы на электрических схемах обозначают в соответ­ствии с рис. 6.8, в. Полевые транзисторы с управляемым каналом используют преимущественно в режиме усиления. Эти транзисто­ры обладают малым уровнем собственных шумов, высокой ста­бильностью параметров во времени. Полевые транзисторы исполь­зуют в силовой электронике при переключении больших мощно­стей или при линейном усилении мощного сигнала. Малое сопро­тивления канала приводит к небольшим потерям мощности и по­тому к хорошим значениям КПД в режиме эксплуатации. Мощные полевые транзисторы работают при напряжениях в цепи порядка 1000 В и токах 10 А.

Широко используют полевые транзисторы с изолированным за­твором (см. часть III).

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полу­проводниковую структуру с чередующимися слоями дырочной и электронной электропроводности. Эти области разделены элек­тронно-дырочными переходами. Среднюю область транзисторной структуры называют базой, граничные области — эмиттером и кол­лектором. В основе работы транзистора лежат физические явления, связанные с переносом неосновных носителей через базовую об­ласть. Если такой перенос осуществляется в основном посредством Дрейфа, то такой прибор называют дрейфовым транзистором. Если перенос неосновных носителей осуществляется посредством диф­фузии, то речь идет о бездрейфовом транзисторе. Спейсистором на­зывают транзистор, в котором носители заряда инжектируются из эмиттера в обедненный слой обратносмещенного перехода.

Структура и схема включения биполярного транзистора приве­дена на рис. 6.9. Различают транзисторы р-п-р- и п-р-п-типов.

Работу транзистора рассмотрим на примере структуры типа р⁺-п-р. Аналогичные процессы происходят и в структуре типа п⁺-р-п. В активном режиме работы транзистора эмиттерный пере­

ход включен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (рис. 6.9). Эмиттерная область легирована достаточно сильно, так, чтобы выполнялось условие р_э » п_Б, где р_э — концентрация ды­рок в эмиттере, «_Б — концентрация электронов в базе. В этом слу­чае основные носители эмиттерной области — дырки, вследствие градиента концентрации диффундируют в базу, где они являются неосновными носителями. Этот процесс перехода дырок в базовую область называют инжекцией. Процесс инжекции характеризуется

коэффициентом инжекции: у =------ ——, где 1_Рэ и 1„э — ток дырок

¹ _РЭ⁺¹пЭ

и электронов через эмиттерный ^-«-переход соответственно.

Эффективность эмиттера тем выше, чем больше у, и при у = 1 ток электронов 1_пЭ = 0, т.е. максимальная эффективность эмиттера достигается при отсутствии тока электронов из базы в эмиттер. Обычно коэффициент инжекции составляет у « 0,9995.

Оказавшись в области базы, дырки перемещаются под действи­ем градиента концентрации к коллекторному переходу. На своем пути они встречают электроны, являющиеся основными носителя­ми в области базы, и там с ними рекомбинируют. Толщину базовой области V/ подбирают так, чтобы потери в процессе рекомбинации были минимальны. Обычно IV« ¿_Б, где /,_Б — диффузионная дли­на неосновных носителей в базе, которая может меняться в преде­лах 0,3... 1,5 мм.

Процесс рекомбинации дырок определяется коэффициентом

^ рК _т

зе = -—, где 1рк — ток дырок в коллекторный переход; 1_рЭ — ток * _Рэ

дырок через эмиттерный переход. В типичных биполярных транзи­сторах ае « 0,95...0,99, что означает, что лишь незначительная часть дырок рекомбинирует в области базы. Достигнув области коллекто­ра, дырки дрейфуют под действием градиента внешнего отрица­тельного электрического поля и втягиваются в коллектор. Этот процесс называется экстракцией (извлечением) зарядов. Сквозь коллекторный переход протекает ток, который равен 1_рК = уаг/_э. Полный ток в цепи коллектора равен /_к = а/_э + /кбо, где а — ко­эффициент передачи тока эмиттера к коллектору, а = уае; /_кво — обратный ток коллектора, сильно зависящий от температуры. Ток в цепи базы обусловлен изменением заряда базы и определяется концентрацией основных носителей базы /б = /э — /к-

В базе транзистора происходят следующие процессы: диффузия электронов из базы в эмиттер навстречу потоку дырок; рекомбина­ция с дырками; дрейф электронов и дырок через обратно включен­ный коллекторный переход.

Таким образом

Iб ⁼ (1~у)1 э +(1 ^{— 8е})У^Э ~ ^КбО ⁼ (1“^а)1э ~ ^КБО»

ток в коллекторе /_к =а/_э +/_Кбо- Справедливы следующие зависи­мости:

/_к=а/_э, 1к ^{= в1}Ь’ ^в = а/0-а), где а = /к//_э = узе; а = 0,99...0,995; В = 100...200.

Если в цепь эмиттера подать входные сигналы, а в цепь коллек­тора включить нагрузку, то транзистор будет работать как усили­тель сигналов. Такой режим работы транзистора называют актив­ным. Помимо активного усилительного режима работы транзистора существуют и другие. Так если оба перехода включить в прямом направлении, то будет происходить встречная инжекция неоснов­ных носителей в базу. Сопротивление транзистора минимизируется вследствие насыщения базы носителями. Такой режим работы транзистора называют режимом насыщения.

Если оба перехода включить в обратном направлении, то прой­дет процесс экстракции неосновных носителей в базу, и сопротив­ление базовой области станет большим. Это режим отсечки тока, и он соответствует закрытому состоянию транзистора. Таким обра­зом, транзистор может работать в режимах насыщения, усиления и отсечки.

В электрических схемах транзистор обозначают в соответствии с рис. 6.10, а. Включение транзистора осуществляется в режиме четырехполюсника по одной из схем, представленных на рис. 6.10. Показаны полярности включения и направления токов в электро-

дах. В соответствии с тем, что один из выводов транзистора должен быть общим, различают схемы включения с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме с ОБ каждое из внешних напряжений прикладывается к конкретному переходу: напряжение Щь прикладывается к эмит- терному переходу, а напряжение (7_Кб — к коллекторному. Падения­ми напряжений на областях эмиттера, базы и коллектора можно в первом приближении пренебречь, поскольку сопротивления этих областей значительно меньше сопротивлений переходов. Тогда по­лярности напряжений ( £/_Эб < 0; в'кв > 0) обеспечивают открытое состояние эмиттерного перехода и закрытое состояние коллектор­ного перехода, что соответствует активному режиму работы транзи­стора.

В схеме с ОЭ входной цепью является цепь базы, а выход­ной — цепь коллектора. В схеме с ОЭ напряжение £4э > 0 приклады­вается непосредственно к эмиттерному переходу и отпирает его. На­пряжение С/кз распределяется между обоими переходами: £/_кэ ⁼ ^кб + + £/бэ- Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходи­мо и_къ = и_кэ - £/_Бэ > 0, что обеспечивается при £/_кэ > Щэ > 0.

В схеме с ОК входной цепью является цепь базы, а выход­ной — цепь эмиттера. Такое включение транзистора используют довольно редко.

Значения всех параметров транзистора зависят от режимов ра­боты и температуры.

В выходных характеристиках в качестве параметра выбирают выходное напряжение. На рис. 6.11 приведены вольт-амперные входные и выходные статические характеристики транзистора, включенного по схеме с ОБ и ОЭ.

Транзистор в электрических схемах используют в качестве че­тырехполюсника, характеризующегося четырьмя величинами: входным и выходным напряжениями и входным и выходным тока­ми (£/_вх, С/вых, /_Вх, /_Вых). Функциональные зависимости между этими величинами называют статическими характеристиками транзисто­ра. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых переменных, а две оставшиеся выразить в виде функций этих неза­висимых переменных. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых переменных выбирают вход­ной ток и выходное напряжение. В этом случае входное напряже­ние и выходной ток выражают следующим образом:

На практике удобнее использовать функции одной переменой. Для перехода к таким функциям необходимо вторую переменную, называемую в этом случае параметром характеристики, поддержи­вать постоянной. В результате получаются четыре типа характери­стик транзистора:

входная характеристика:

^t/Bx=/l(/_Bx)| £/_вых= const ’

^ вых ^_ /4 ( вых ) I /_вх= const •

Статические характеристики транзистора могут задаваться соот­ветствующими аналитическим выражениями, а могут быть пред­ставлены графически. Несколько характеристик одного типа, полу­ченные при различных значениях параметра, образуют семейство характеристик. Вид статических характеристик зависит от схемы включения транзистора. Рассмотрим статические характеристики транзистора в наиболее распространенных схемах с ОБ и ОЭ.

Увеличение тока /э с ростом £/кб отражается небольшим смеше­нием входной характеристики в сторону меньших напряжений |£/эб| (рис. 6.11, а). Режиму отсечки соответствует обратное напряжение ¿^эб > 0. Эмиттерный переход остается закрытым (/э » 0) и при прямых напряжениях |£/эб|> меньших порогового напряжения. Се­мейство выходных характеристик л-/?-л-транзистора приведена на рис. 6.11, б.

В активном режиме характеристики практически эквидистант­ны. При /э = 0 в цепи коллектора протекает тепловой ток Uk ⁼ ^кбо)• В режиме насыщения на коллекторный переход подает­ся прямое напряжение £/кб> большее порогового значения, откры­вающее коллекторный переход. В структуре транзистора появляет­ся инверсный сквозной поток электронов, движущийся из коллек­тора в эмиттер навстречу нормальному сквозному потоку, движу­щемуся из эмиттера в коллектор. Выходные характеристики тран­зистора практически параллельны оси абсцисс. Это означает, что выходное сопротивление транзистора довольно велико и обычно больше сопротивления нагрузки.

В схеме с общим эмиттером входным током является ток базы /б, а выходным — ток коллектора /к, соответственно входным на­пряжением является напряжение 6бэ> а выходным — напряжение ^кэ- Семейство входных характеристик кремниевого л-р-л-транзи- стора приведено на рис. 6.11, в. Это семейство характеристик по­хоже на ранее рассмотренный транзистор, включенный по схеме с ОБ. С ростом обратного напряжения на коллекторном переходе су-

жается база транзистора, в результате чего уменьшается рекомби­нация носителей в базе и соответственно уменьшается ток базы. Снижение тока базы с ростом и_кэ отражается небольшим смеще­нием характеристик в область больших напряжений £/_БЭ. При бкэ < £/бэ открывается коллекторный переход и транзистор перехо­дит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной ин- жекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, их рекомбинация с дырками усиливается, и ток базы резко возрастает.

Особенностью выходной характеристики транзистора в схеме с ОЭ по сравнению с характеристикой в схеме с ОБ является то, что она целиком лежит в первом квадранте. Это связано с тем, что в схеме с ОЭ напряжение С/кэ распределяется между обоими перехо­дами, и при и_кэ порядка £/_Бэ напряжение на коллекторном перехо­де меняет знак и становится прямым, в результате транзистор пере­ходит в режим насыщения при и_кэ > 0 (рис. 6.11, г). Параметром выходных характеристик является ток базы, а не ток эмиттера. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. ток коллектора не зависит от тока базы. Так же, как и в схеме с ОБ, идеализированная характеристика в активном режиме не зави­сит от напряжения £/_кэ- Реально имеет место заметный рост тока /к с ростом икэ- Практически отсутствует эквидистантность характе­ристик. При /_Б = 0 в цепи коллектора протекает обратный ток кол­лектор — эмиттер /кэо ⁼ ¿>/'бэо- Увеличение тока по сравнению со схемой с ОБ объясняется тем, что в схеме ОЭ при /_Б = 0 и £/кэ > О эмиттерный переход оказывается несколько приоткрыт напряже­нием [/кэ, и инжектируемые в базу электроны существенно увели­чивают ток коллектора.

Классификация транзисторов проводится по ряду независимых признаков: назначению, физическим свойствам, основным элек­трическим параметрам, конструктивно-технологическим призна­кам, роду исходного полупроводникового материала. Эти признаки отражены в системе условных обозначений типов транзисторов.

В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код.

Первый элемент обозначает исходный полупроводниковый материал, на основе которого изготовлен транзистор. Для обозна­чения исходного материала используют следующие символы: Г или

1 — для германия или его соединений; К или 2 — для кремния или его соединений; А или 3 — для соединений галлия (практически для арсенида галлия, используемого для создания полевых транзи­сторов); И или 4 — для соединений индия (эти соединения для

производства транзисторов в качестве исходного материала пока не

применяются).

Второй элемент — буква, определяющая подкласс (группу) транзисторов. Для обозначения подклассов используют одну из двух букв: Т — для биполярных и П — для полевых транзисторов.

Третий элемент — цифра, определяющая основные функцио­нальные возможности транзистора (допустимое значение рассеивае­мой мощности и граничную либо максимальную рабочую частоту).

Для обозначения наиболее характерных эксплуатационных признаков транзисторов применяют следующие цифры. Для тран­зисторов малой мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, не более 0,3 Вт): 1 — с граничной частотой коэффи­циента передачи тока или максимальной рабочей частотой (далее граничной частотой) не более 3 МГц; 2 —с граничной частотой

3...30 МГц; 3 — с граничной частотой более 30 МГц.

Для транзисторов средней мощности (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, 0,3... 1,5 Вт): 4 — с граничной частотой не более 3 МГц; 5 — с граничной частотой 3...30 МГц; 6 — с гра­ничной частотой более 30 МГц. Для транзисторов большей мощно­сти (максимальная мощность, рассеиваемая транзистором, более 1,5 Вт); 7 — страничной частотой не более 3 МГц; 8 — с граничной частотой 3...30 МГц; 9 — с граничной частотой более 30 МГц.

Четвертый элемент — число, обозначающее порядковый номер разработки технологического типа транзисторов. Для обозначения порядкового номера используют двузначные числа от 101 до 999.

Пятый элемент — буква, условно определяющая классифика­цию по параметрам транзисторов, изготовленных по единичной технологии. В качестве классификационной литеры применяют бу­квы русского алфавита. Стандарт предусматривает также введение в обозначение ряда дополнительных знаков при необходимости от­метить отдельные существенные конструктивно-технологические особенности приборов.

В качестве дополнительных элементов обозначения используют следующие символы: цифры от 1 до 9 — для обозначения модерни­заций транзисторов, приводящих к изменению его конструкции или электрических параметров; буква С — для обозначения набо­ров в общем корпусе однотипных транзисторов (транзисторные сборки); цифра, написанная через дефис,— для бескорпусных транзисторов. Цифры соответствуют следующим модификациям конструктивного исполнения: 1 — с гибкими выводами без кри- сталлодержателя (подложки); 2 — с гибкими выводами на кристал-

лодержателе (подложке); 3 — с жесткими выводами без кристалло- держателя (подложки); 4 — с жесткими выводами на кристаллодер- жателе (подложке); 5 — с контактными площадками без кристалло- держателя (подложки) и без выводов (кристалл); 6 — с контактны­ми площадками на кристаллодержателе (подложке), но без выводов (кристалл на подложке).

Таким образом, современная система обозначений позволяет по наименованию типа получить значительный объем информации

о свойствах транзистора.

Маломощные кремниевые транзисторы имеют рабочие частоты до 6 ГГц. Транзисторы для средств связи рассчитаны на частоты до 10 ГГц и мощностью порядка ватта. Общий вид транзисторов при­веден на рис. 6.12.

Силовые транзисторные структуры широко применяют в энерге­тической электронике. Появилась целесообразность объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов. В этом случае удалось создать приборы на большие токи на основе биполярных транзисторов, которые управляются затвором полевого транзисто­ра. Это приборы IGBT {Insulated-Gate Bipolar Transistor) — биполяр­ный транзистор с изолированным затвором. Сегодня эти устройст­ва занимают наибольший сектор рынка силовых транзисторов.

Структура IGBT подобна структуре вертикального полевого тран­зистора с диффузионными р- и «-областями. Инверсионный слой формируется под затвором, к которому, как и в полевом, приклады­вают управляющее напряжение. Основное отличие IGBT от полевого транзистора заключается в использовании для стока р⁺-слоя подлож-

Рис. 6.13. Одна из структур ЮВТ-транзистора (о), условное обозначение (б) и вы­ходная ВАХ (в)

ки, что делает его биполярным прибором, поскольку из /^-области ин­жектируются дырки в область дрейфа с проводимостью я-типа.

На рис. 6.13, а представлена конструкция ЮВТ на паре биполяр­ных транзисторов, реализованных по схеме Дарлингтона и полевого транзистора. Резистор позволяет избежать выхода на режим насы­щения. Выходная характеристика ЮВТ приведена на рис. 6.13, в. Время нарастания рабочего напряжения на транзисторе определя­ется прежде всего скоростью заряда емкости затвор — коллектор, а время нарастания рабочего тока — скоростью заряда емкости за­твор — эмиттер и паразитных емкостей цепей. Такие транзистор­ные структуры работают на частотах до 100 кГц при напряжениях До 3600 В и токах до 100 А, коммутируемые мощности выше 1 кВт.

К силовым транзисторным структурам можно отнести 5/Г-транзистор, представляющий собой полевой транзистор с управляемым /?-л-переходом со статической индукцией. Это много­канальный прибор с вертикальной структурой.

6.3. Тиристоры

Тиристор (тринистор) — полупроводниковый прибор на основе многослойной структуры с тремя и более переходами типа р-п-р-п, который обладает свойствами электрического вентиля (рис. 6.14, а). Тиристор может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные (два вывода рис. 6.14, в), триодные (три вывода рис. 6.14, г)

и тетродные, имеющие четыре вывода от р-п-р-п-структуры (рис. 6.14, д). Контакт к внешнему р-слою называют анодом, к внешнему л-слою соответственно катодом. Эти слои называют р- и п- эмиттерами. Внутренние области р к п называют базами и к ним прикрепляют управляющие электроды УЭ. Если тиристор симметричен, то его называют симистором, или триаком. Он фор­мируется из структуры в пяти и более слоев.

При подаче на анод относительно катода положительного по­тенциала крайние переходы П1 и П₃ оказываются смещенными в прямом направлении, а центральный переход П2 — в обратном. Че­рез переходы П[ и П₃, примыкающие к переходу П2, инжектируют­ся неосновные носители заряда. Сопротивление П₂ уменьшается, а ток через переход увеличивается. С увеличением анодного напря­жения ток через тиристор медленно растет (участок 0—1 ВАХ), пока сопротивление П₂ еще велико. Это состояние тиристора на­зывают режимом прямого запирания. С увеличением напряжения доля падающего на переходе П₂ напряжения снижается, а на пере­ходах П| и П₃ увеличивается. Происходит дальнейший рост тока через тиристор. При этом усиливается инжекция неосновных но­сителей в область П₂. При достижении точки 1 на ВАХ, называе­мой напряжением включения (/_вкл, тиристор переходит в состояние с высокой проводимостью. В тиристоре устанавливается ток, опреде­ляемый напряжением источника и сопротивлением внешней цепи. Затем на ВАХ появляется участок с отрицательным дифференци­альным сопротивлением (участок 1 — 2). Тиристор на участке

2 — 3 находится в открытом состоянии. Это режим прямой проводи­мости, при котором ток удержания /_уд растет до максимального тока проводимости при одном и том же напряжении и_огкр.

Если на анод подать отрицательное напряжение относительно катода, то тиристор войдет в режим обратного запирания (на участ- _ке о-4). Такой режим сохраняется до достижения напряжения пробоя тиристора 6/_пр0б. Работу тиристора на участке 4—5 называют режимом обратного пробоя.

Ток управляющего электрода /_у подается в область р₂-базы и увеличивает заряд избыточных носителей. Это приводит к увеличе­нию прямого смещения и росту инжекции через п₂-р₂-треход. В свою очередь это увеличивает коэффициент передачи тока базы транзистора п₂-р₂-п\. Ток /_у втекает в область р₂-базы и увеличивает заряд избыточных основных носителей. Управление включением транзистора можно осуществить, подавая на анод ток в базу 2 об­ласти П\.

Современные тиристоры разрабатывают на напряжения от не­скольких вольт до киловольт и токи до 10 кА, а КПД достигает 99 %. По сравнению с биполярными транзисторами тиристоры способ­ны обеспечить более высокий коэффициент усиления по току, ра­ботать при бблыиих токах и напряжениях. Тиристоры способны обеспечить высокий КПД преобразования энергии, обладают вы­сокой надежностью и долговечностью. Тиристоры применяют в радиолокационных системах, устройствах радиосвязи и системах автоматики.

6.4. Полупроводниковые фотоприборы

Полупроводниковые излучатели — это оптоэлектронные полу­проводниковые приборы, предназначенные для преобразования электрических величин в световые. Излучающий диод является ос­новным и универсальным излучателем некогерентной оптоэлектро­ники. Физической основой светоизлучающих диодов (СИД), рабо­тающих в инфракрасной части спектра (ИК-диоды), является ин­фекционная электролюминесценция. СИД представляет собой полу- проводниковый диод, излучающий свет при пропускании тока че­рез р-я-переход в прямом направлении. В основе работы СИД ле­жат процессы инжекции неосновных носителей заряда в активную ^дасть электронно-дырочного перехода и последующая рекомби- ^нация инжектированных носителей заряда. В качестве механизма ®⁰³буждения светодиода может использоваться и ударная иониза- ^ия. Светодиод представляет собой монокристалл в виде кубика с ^Рактерным размером 0,3 мкм, содержащий р-л-переход (рис. 6.15). °лее эффективны светодиоды на гетероструктурах. Светодиод

конструктивно оформлен в виде поверхностного или торцевого из­лучателя.

В СИД с поверхностным излучателем излучение направлено перпендикулярно поверхности перехода. Для вывода излучения в подложке вырезают отверстие, в которое вводится оптическое во­локно.

В светоизлучающем диоде с торцевым излучателем вывод излу­чения происходит с торца в области ^-«-перехода. Такие диоды превосходят по яркости диоды с поверхностным излучателем. В на­стоящее время светодиоды реализованы на соединениях Са_хАБ1__х, ваР, вахМ-хИ, ваЫ, ХпЪ, ЭЮ. Спектры излучения лежат в диапа­зонах 0,3...3,5 мкм. Такие приборы широко применяют в медицин­ской аппаратуре, устройствах вычислительной техники, автоматики и датчиках широкого класса.

Полупроводниковые фотоприемники — приборы, предназначен­ные для преобразования световых величин в электрические.

Фотосопротивление, или фоторезистор, представляет собой фотоэлектрический полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании эффекта фотопроводимости, который вызывает изменение электрического сопротивления под воздействием лучистой энергии. Механизм возникновения фото­проводимости связан с поглощением веществом квантов света и рождением пары электрон — дырка или созданием фотоносителей заряда. Освобожденные фотоносители заряда под воздействием внешнего электрического поля образуют электрический ток, уменьшая электрическое сопротивление резистора. Основным эле- 138

_ментом фоторезистора является полупроводниковый светочувстви­тельный слой, нанесенный на изолирующее основание. Фоторези­сторы обладают достаточно высокой чувствительностью к излуче­ниям в широком диапазоне длин волн, от рентгеновского до ин­фракрасного. Они просты по конструкции, стабильны в работе, имеют малые габаритные размеры и массу. Основным недостатком является низкое быстродействие.

Фотодиодом называют полупроводниковый прибор с р-и-переходом, при освещении которого появляется фотоЭДС или изменяется значение обратного тока. В основе работы фотодиода лежит фотогалъванический (фотовольтаический) эффект. Под фо- тогальваническим эффектом будем понимать возникновение элек­трического тока при освещении полупроводника, включенного в замкнутую цепь (фототок), или возникновение ЭДС на контактах образца в случае разомкнутой цепи (фотоЭДС). На рис 6.16, а, б представлены структура фотодиода и схема его включения в каче­стве фотогенератора.

При освещении фотодиода происходит поглощение квантов энергии света. Образующиеся фотоносители заряда диффундируют в глубь полупроводника. Ширина «-области такова, что основная доля фотоносителей р-типа не успевает рекомбинировать и доходит До р-л-перехода. Электроны и дырки разделяются потенциальным барьером электронно-дырочного перехода так, что дырки перехо­дят в /ьобласть, а электроны скапливаются в «-области на границе р-п-перехода. Ток фотоносителей через /?-«-переход обусловлен не­основными носителями. Дрейфовый поток фотоносителей заряда формирует электрический ток. При этом дырки усиливают поло­жительный потенциал р-области относительно «-области, а элек-

I

троны —/7-область отрицательный потенциал относительно /’-об­ласти. Возникает разность потенциалов, именуемая фогоЭДС /:_ф. Это поле ослабляется полем диффузии £о, и переход начнет про­пускать основные носители в противоположные области. Возник­нет прямой ток через переход. Если к фотодиоду подключить на­грузку. то на ней возникнет разность потенциалов V. Это фото- вольтаический режим работы фотодиода. На рис. 6.16, в приведены ВАХ фотодиодов. При достаточно больших обратных напряжениях ток фотодиода не зависит от напряжения, а определяется только интенсивностью облучения. Режим работы при отрицательных смешениях называют фотодиодным режимом. Фотодиоды изготов­ляют из кремния, германия, селена, арсенида галлия. Фотодиоды позволяют получать напряжение более 20 В при токе до 30 мкА.

р-1-п-ф о т о д и о д является более перспективной конструк­цией. Он состоит из сильно легированных р⁺- и /г-областей, разде­ленных /-базой с собственной проводимостью. Конструкция /»-/-«-фотодиода представлена на рис. 6.17. а. Оптическое излуче­ние проникает через /Г- область, достигает /-базы, где и поглощает­ся. Для увеличения коэффициента поглощения излучения наносят просветляющее покрытие. В /-базе образуются электронно-дыроч- ные пары. Внутренними потенциальными барьерами они разделя­ются и за счет процессов диффузии и дрейфа перемещаются в со­ответствующие области.

Дырки двигаются в направлении р⁺-области, электроны — «'-области. На контактах диода появится фотоЭДС. Такие фото­диоды обладают высоким быстродействием (300 пс), высокой чув­ствительностью (0,7 А/Вт).

Лавинные фотодиоды (ЛФД) работают при обратных смешениях электронно-дырочного перехода, когда возможен про­цесс лавинного размножения носителей заряда. Конструкция ЛФД

представлена на рис. 6.17, б. Механизм лавинного размножения носителей заряда инициируется поглощением основной доли па­дающих фотонов в /-области, где генерируются электронно-дыроч­ные пары. Электроны под действием сильного поля перемещаются в направлении я⁺-области и, приобретя большую энергию, ионизи­руют атомы. Это приводит к лавинному размножению носителей заряда и возрастанию фототока. Отличительной особенностью ЛДФ является высокая чувствительность с высоким коэффициен­том усиления. Диапазон возможных рабочих напряжений составля­ет 100...500 В. ЛФД изготавливают на основе Б1, ве, а также с гете­ропереходами на основе соединений группы А^ШВ^У.

Фотодиод с барьером Шоттки представляет со­бой структуру, в основе которой контакт металлической пленки и полупроводника «-типа. Такой фотодиод обладает малым сопро­тивлением базы, а постоянная барьерной емкости составляет

1 • 10^-12 с. Поэтому они являются эффективными неинерционными фотодетекторами в видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Фототранзистор относится к типу приборов фотопри­емников с внутренним усилением. Помимо преобразования опти­ческого излучения в электрический ток имеет место еще и усиле­ние фототока. Фототранзистор имеет все свойства обычного тран­зистора плюс возможность освещать базу (рис. 6.18, а).

При освещении базовой области световым потоком Ф форми­руется входной сигнал в виде пар электронов и дырок. Электроны и дырки диффундируют к электронно-дырочным переходам. Дыр­ки свободно попадают в коллектор и эмиттер, поскольку электри­ческие поля коллекторного и эмиттерного переходов являются для них ускоряющими. Накопление электронов в базе понижает ее по­тенциал и снижает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода. Такая ситуация стимулирует сильную инжекцию дырок из эмиттера в базу. Часть из них рекомбинирует, а ббльшая часть

Рис. 6.19. Структура (а), семейство ВАХ (б) и обозначение фототиристора (в)

попадает в коллектор. Это означает, что увеличивается ток коллек­тора, что эквивалентно усилению фототока. Интегральная чувстви­тельность фототранзистора значительно выше, чем у фотодиода. При создании фототранзистора методами интегральной технологии возможна реализация конструкции составного транзистора, где ток эмиттера первого фототранзистора попадает в базу второго, что еще больше увеличивает коэффициент усиления.

Фототиристор представляет собой фотоэлектрический полупроводниковый прибор с тремя и более /?-я-переходами, на вольт-амперной характеристике которой имеется участок с отрица­тельным дифференциальным сопротивлением. На рис. 6.19, а при­ведена четырехслойная структура р\-П{-р₂-«2-тиристора, которая ос­вещается по всей площади. К структуре приложено прямое напря­жение.

Тиристоры обладают двумя устойчивыми состояниями, которые соответствуют низкой и высокой проводимостям. В фототиристорах внешним управляющим сигналом, переключающим прибор в про­водящее состояние, служит световой поток Ф. В р\-п\-р₂-п₂-структу­ре происходит генерация новых носителей заряда за счет разделе­ния электронно-дырочных пар электрическим полем, с ростом числа которых растет суммарный ток через структуру. На рис. 6.19, б приведено семейство ВАХ фототиристора, параметром которого является поток излучения Ф, а на рис. 6.19, в — условное обозначе­ние фототиристора на схемах.

Контрольные вопросы

1. Что такое полупроводниковый прибор?

2. Какие типичные ВАХ диодов вы знаете?

3. Что такое варикап и как он устроен?

4. Расскажите о работе лавинно-пролетного диода.