ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники. Для проводников характерна проводимость 10²-10⁸ См/см³ (См – сименс=1/Ом), для диэлектриков – 10^-10 См/см³ и меньше. Промежуток от 10^-10 до 10² См/см³ занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

¨ выпрямительные диоды

¨ ВЧ- и СВЧ-диоды

¨ стабилитроны или опорные диоды

¨ туннельные диоды

¨ варикапы

¨ тиристоры

¨ биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Как вы знаете, полупроводник имеет объемную решетку. Мы рассмотрим для простоты плоскую решетку. Атомы кремния связаны между собой ковалентной связью. При температуре 0^оК все полупроводники являются идеальными изоляторами, потому что в их структуре отсутствуют свободные электроны.

Под действием внешних факторов (изменение температуры, радиации, светового излучения и т.п.) кристаллическая структура получает внешнюю энергию, что может привести к разрыву ковалентной связи и в структуре появится свободный электрон, т.е. сопротивление полупроводника уменьшится.

Полупроводник можно представить в виде энергетических уровней (валентная зона, запрещенная зона, зона проводимости). Здесь DW – ширина запрещенной зоны, потенциальный барьер, который электрон должен преодолеть, чтобы перейти в зону проводимости. Для наиболее распространенных полупроводников DW=0,1-3 эВ, а у диэлектриков – 6 эВ. Для германия DW=0,72 эВ, для кремния DW=1,12 эВ.

На месте разрыва связи появляется дырка, которая имеет ту же величину заряда, что и электрон, но с противоположным знаком. В идеальном полупроводнике концентрация электронов и дырок одинакова. Если n_n – концентрация электронов, а n_p – концентрация дырок, то для идеального полупроводника n_n= n_p – это собственная проводимость полупроводника.

В реальных полупроводниковых приборах используют примесные полупроводники. Если в полупроводник в качестве примеси ввести 5-ти валентный элемент, то данный полупроводник будет полупроводником с электронной проводимостью или n-типа, а примесь называется донорной примесью. При этом концентрация электронов N_n будет много больше концентрации дырок N_p, т.е. N_n>> N_p. Таким образом электроны будут являться основными носителями заряда, а дырки — неосновными.

Если в полупроводник в качестве примеси ввести 3-х валентныый элемент, то в валентной зоне появятся свободные дырки. В этом случае концентрация дырок будет много больше концентрации электронов N_p>> N_n — это полупроводник с дырочной проводимостью или р-типа, а примесь называется акцепторной. Здесь основными носителями заряда являются дырки.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

При контакте двух полупроводников с различным типом проводимости в результате диффузии электроны переходят в р-слой, а дырки наоборот в n-слой. На границе контакта двух полупроводников в результате рекомбинации образуется область неподвижных пространственных зарядов (ионов), которые создают электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу основных носителей заряда. р-n-переход это область обедненная носителями заряда и, следовательно, она имеет повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.

Отсюда очевидно, что свойства р-n-перехода зависят от частоты напряжения, приложенного к р-n-переходу.

Вольтамперная характеристика р-n-перехода выглядит следующим образом:

j_T – температурный потенциал

Из вольтамперной характеристики очевидно, что р-n-переход хорошо проводит в прямом направлении и плохо в обратном, т.е. обладает вентильными свойствами. Вольтамперная характеристика – нелинейна, это означает, что при прохождении переменных сигналов через р-n-переход осуществляется трансформация спектра сигнала.

На обратной ветви вольтамперной пунктиром показано резкое увеличение тока, т.е. происходит пробой р-n-перехода.

Электрический пробой – это обратимый пробой, который используется для получения специальных приборов – стабилитронов. К электрическому пробою относятся – туннельный, лавинный и поверхностный.

Туннельный пробой – это когда при увеличении обратного напряжения U_обр происходит резкое искривление энергетических зон. При этом уровень валентной зоны полупроводника n-типа оказывается на уровне зоны проводимости полупроводника р-типа, т.е. появляется туннель для зарядов, что приводит к резкому увеличению тока.

Лавинный пробой возникает при больших напряжениях р-n-перехода, чем туннельный пробой, в результате чего в р-n-переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что также приводит к резкому увеличению тока.

Тепловой пробой – необратим.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

р-n-ПЕРЕХОДА

r – дифференциальное сопротивление

Обычно эквивалентную схему используют для переменных сигналов и, поэтому используют дифференциальные параметры.

R_к – сопротивление контактов и выводов

r – сопротивление р-n-перехода в прямом или обратном включении

C – это диффузионная емкость при прямом включении или барьерная емкость при обратном включении р-n-перехода.

Из схемы следует, что при большой частоте сигнала вентильные свойства р-n-перехода ухудшаются.

ЗАВИСИМОСТЬ ПАРАМЕТРОВ р-n-ПЕРЕХОДА

ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Параметры сильно зависят от температуры внешней среды. При увеличении температуры окружающей среды возрастают как прямой, так и обратный токи. Особенно сильно изменяются обратные параметры, например r_обр резко уменьшается, что может уменьшить напряжение пробоя U_пробоя. Повышение температуры усиливает генерацию неосновных носителей заряда и, следовательно, резко увеличивает их концентрацию в полупроводнике. Это является существенным недостатком р-n-перехода и всех полупроводниковых приборов.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, свойства которого зависят от свойств и характеристик р-n-перехода. Различают диоды по частотному диапазону и по мощности рассеяния.

По частоте преобразования различают низкочастотные (НЧ) диоды (выпрямительные и силовые), высокочастотные (ВЧ) диоды и импульсные диоды.

К специальным диодам относятся – стабилитроны, стабисторы, варикапы и туннельные диоды.

По мощности рассеяния различают маломощные диоды ( до 0,25 Вт), средней мощности (от 0,25 до 1 Вт) и большой мощности (свыше 1 Вт).

ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ ДИОДЫ

Рассмотрим выпрямительный диод. Здесь под эмиттером понимают область с высокой концентрацией носителей заряда, а база – это область с низкой концентрацией заряда, т.е. база высокоомна.

На рисунке вольтамперной характеристики пунктиром обозначен идеальный р-n-переход.

DU_б – это падение напряжения на высокоомной базе.

У реальных полупроводниковых приборов вольтамперная характеристика смещена вправо. Выпрямительные диоды также характеризуются дифференциальными параметрами: r_пр, r_обр, С_диф, С_бар.

У выпрямительных диодов емкость обычно лежит в пределах С=(10 – 100 ) пФ. Емкость зависит от площади р-n-перехода.

Для характеристики выпрямительных диодов вводят параметры:

I_пр.max – прямой максимальный ток,

U_{обр.доп.} – допустимое обратное напряжение, при котором еще нет теплового пробоя.

Также как у р-n-перехода параметры и характеристики выпрямительного диода сильно зависят от температуры.

Пример применения выпрямительного диода – однополупериодный выпрямитель. Где среднее значение тока выпрямителя равно:

тогда

Параллельно нагрузке обычно включают емкость, которая сглаживает импульсы тока.

СТАБИЛИТРОН (ОПОРНЫЙ ДИОД)

Стабилитроны служат для стабилизации постоянного напряжения. Рабочим участком вольтамперной характеристики стабилитрона является обратная ветвь. Она имеет три характерных участка. Участок I – это обычный обратный ток реального диода – тепловой ток или ток генерации. Участок II – участок электрического пробоя – туннельного 1 или лавинного 2 характера, именно этот участок вольтамперной характеристики является рабочим участком стабилитрона. На участке III происходит тепловой пробой.

При увеличении обратного напряжения растет ток через диод, а также мощность выделяемая в p-n-переходе, что приводи к росту температуры p-n-перехода. Повышение температуры диода усиливает генерацию неосновных носителей заряда, что в свою очередь увеличивает обратный ток. Таким образом температура повышается еще больше, что приводит к разрушению p-n-перехода.

I_min – выбирают в начальный момент пробоя.

Рабочая точка стабилитрона обычно выбирается посредине рабочей ветви стабилитрона. При уменьшении тока рабочая точка сдвигается в область, где дифференциальное сопротивление стабилитрона увеличивается, что приводит к ухудшению стабилизации. При значительном изменении тока стабилизации напряжение стабилизации U_ст изменяется мало.

Основными параметрами стабилитрона (номинальные значения) являются – U_ст – напряжение стабилизации, I_ст – ток стабилизации и r_диф – дифференциальное сопротивление.

Чем меньше дифференциальное сопротивление, тем более качественный стабилитрон. У реальных стабилитронов сопротивление стабилизации лежит в пределах 1 – 100 Ом.

Поэтому для стабилитронов очень важно знать температурную зависимость вольтамперной характеристики и для них вводят еще один параметр – температурный коэффициент напряжения или e.

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ

где Е – нестабилизированный источник питания;

R_б – балластное сопротивление;

R_н – сопротивление нагрузки;

I_н – ток нагрузки;

I_ст – ток стабилизации;

VD – стабилитрон включен в обратном направлении.

Очевидно, что выражение в знаменателе всегда больше единицы, т.е. напряжение на выходе параметрического стабилизатора значительно меньше, чем изменение напряжения на входе. Для того, чтобы уменьшить DU_ст надо уменьшить r_ст и увеличить R_б. При увеличении R_б большая часть напряжения источника питания будет падать на балластном сопротивлении R_б и для сохранения напряжения стабилизации в заданном диапазоне необходимо будет увеличить напряжение источника питания. Кроме этого на балластном сопротивлении будет также падать полезная мощность источника.

Желательно чтобы на балластном сопротивлении R_б падало не более 2 В.

ВЧ-ДИОДЫ

Обычно в радиотехнических устройствах (детектор, преобразователь частоты, смеситель частоты) используют ВЧ-диоды. ВЧ-диоды отличаются от выпрямительных диодов малой емкостью p-n-перехода.

Обычно в ВЧ-диодах используется точечный p-n-переход, у которого малая площадь p-n-перехода и, следовательно, мала емкость p-n-перехода, но также малы и токи через p-n-переход и мало обратное напряжение.

Получают точечные диоды следующим образом. Берут кристалл полупроводника n-типа, металлическую иглу, на кончике которой находится акцепторная примесь. Через иглу и кристалл пропускают мощный импульс тока короткий по длительности. В месте контакта образуется p-n-переход. Емкость ВЧ-диодов лежит в пределах С=1–10 пФ. Чем меньше емкость p-n-перехода, тем выше частотный диапазон работы ВЧ-диода.

ИМПУЛЬСНЫЕ ДИОДЫ

В современных цифровых импульсных устройствах широко применяются импульсные диоды. Они относятся к классу ВЧ-диодов, но для них вводят временные ограничения. Входным сигналом для них является прямоугольный импульс, который имеет очень широкий спектр сигнала.

В момент t₁ напряжение изменяет знак. При этом наблюдается резкий скачок обратного тока » I_д. В промежутке от t₁ до t₂ ток падает до I_o – обратного тока диода.

t_вост – называется временем восстановления обратного сопротивления p-n-перехода, т.е. – это время рассасывания неосновных носителей заряда в базе диода.

При обратном включении на время t_вост влияет барьерная емкость, которая заряжается до значения величины обратного напряжения. Ток в емкости опережает напряжение на 90^о. По мере заряда барьерной емкости ток в емкости уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t₂ ток принимает установившееся значение I_обр=I_о.

t_вост»(0,1 – 1) мкс – для импульсных диодов.

Емкость p-n-перехода для импульсных диодов составляет единицы пФ.

Если входной импульс с большим временем длительности t_U, то время восстановления t_вост мало. Если t_U – мало, то t_вост возрастает.

В случае прямого включения диода в момент времени поступления единичного импульса тока t₁ ток напряжение на диоде достигает максимального значения U_max, а затем падает до установившегося значения, равного единичному уровню U¹.

Тогда t_уст=t₁ – t₂ – время установления прямого напряжения.

Это происходит потому, что база высокоомна и на диоде падает максимальное напряжение. По мере инжекции носителей заряда из эмиттера в базу, сопротивление базы падает, потенциальный барьер уменьшается и это приводит к падению напряжения до установившегося значения равного U¹.

t_уст – определяют по напряжению от U_max до значения 1,2 от единичного уровня U¹. Обычно t_уст порядка единиц мкс.

Таким образом основными параметрами импульсного диодаявляются: I_{max имп пр}, U_{обр. доп.} (1 – 100В), С, t_вост, t_уст.

МЕЗАДИОДЫ

В интегральной технологии удобно получать мезадиод, который относится к импульсным диодам и способен работать с очень короткими импульсами.

Получают их следующим образом. Берут подложку n-типа и диффузией или напылением вносят акцепторную примесь, создавая тем самым область р-типа. Далее с помощью механической обработки или травления создают мезадиоды с малой площадью p-n-перехода. Затем пластину разрезают.

Параметры у мезадиодов те же, что и у импульсных диодов, т.е. I_{max имп пр}, U_{обр. доп.}, С, t_вост, t_уст.

ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

Если в полупроводнике высокая концентрация примесей, то это приводит к искривлению энергетических зон. В этом случае появляется туннель, по которому носители заряда из валентной зоны переходят в зону проводимости.

Если к туннельному диоду не проложено внешнее напряжение, то суммарный ток через p-n-переход равен нулю.

Участок от О до А – это участок явно выраженного туннельного эффекта (примерно до 0,2 В). Участок АВ при увеличении напряжения больше, чем U₁, энергетические зоны еще более искривляются, что приводит к уменьшению тока туннельного эффекта (U₂ примерно равно 0,4 – 0,6В).

При дальнейшем Увеличении напряжения (участок ВС) начинается диффузионный процесс, как и в обычном диоде.

Участок АВ – отрицательного дифференциального сопротивления, что позволяет использовать туннельный эффект в схемах усилителей, электронных генераторов и импульсных переключательных устройствах (мультивибратор, триггер и т.д.), но мощность таких диодов обычно мала.

Параметры: I_max/I_min »5, I_{max т.э.}, I_{min т.э.}, -r, U_{1(max т.э.)}, U_{2(min т.э.)}, DU – изменение напряжения при прямом включении, когда максимальный ток туннельного эффекта становится равным диффузионному току.

ВАРИКАП

Варикап – это полупроводниковый диод с управляемой емкостью. Чтобы описать работу варикапа используют вольт-фарадную характеристику, т.е. зависимость емкости от приложенного напряжения.

Характеристика нелинейна и используют только ее часть при обратном включении диода. При уменьшении обратного напряжения U_обр емкость возрастает, т.е. в варикапе используют барьерную емкость.

Параметры варикапа: C_max, C_max/C_min³10.

Применяют варикапы в избирательных устройствах, например в параллельном колебательном контуре.

С_разд – не пропускает постоянную составляющую в контур.

Изменяя напряжение, мы тем самым изменяем емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура. В приемниках с АПЧ используют именно варикап.

ОБОЗНАЧЕНИЯ

Д9А – высокочастотный, маломощный диод.

Здесь Д – означает диод, 9 – серия, А – особенности электрических параметров. В данном случае Д9А – германиевый диод.

КД220 К – кремниевый диод, серия 220.

Аналог этого обозначения 2Д220. Первая цифра здесь означает 1 – германий, 2 – кремний, 3 – арсенид галлия.

КС147 – кремниевый стабилитрон, серия 147, напряжение стабилизации 4,7 В.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистором называют электропреобразовательный прибор с двумя и более p-n-переходами. Различают транзисторы двух типов n-p-n-типа и p-n-p-типа.

Эмиттер – это область с очень высокой концентрацией носителей заряда. Средняя область – база – другого типа проводимости, концентрация носителей в ней много меньше, чем концентрация в эмиттере, т.е. как и в диодах база высокоомна.

Коллектор осуществляет экстракцию носителей из базы поддействием внешнего напряжения. Концентрация носителей в коллекторе велика, но чуть ниже чем в эмиттере.

Если к транзистору приложить напряжение к эмиттерному переходу в прямом в прямом направлении, а к коллекторному переходу в обратном направлении, причем Е_к>>Е_э, то тогда эмиттерный переход становится уже, его сопротивление уменьшается и начинается инжекция носителей заряда из эмиттера в базу.

Т.к. база высокоомна, то можно считать, что дырки в эмиттер не переходят, поскольку они еще в базе рекомбинируют с электронами. Рекомбинация дает ток базы, который не велик, т.к. концентрация дырок в базе мала.

Коллекторный переход закрыт для основных носителей заряда, но поскольку электроны в базе являются неосновными носителями, то они под действием коллекторного напряжения Е_к переходят в коллектор и создают во внешней цепи ток I_к – ток кллектора.

Таким образом во внешней цепи эмиттера течет эмиттерный ток, который равен:

I_э=I_к+I_б

Причем в первом приближении можно считать, что I_э=I_к, т.к. ток базы I_б очень мал. В реальных транзисторах в эмиттере, базе и коллекторе есть неосновные носители заряда. Поэтому через закрытый коллекторный переход течет ток неосновных носителей заряда коллектора I_о, или тепловой ток, т.е.

I_э=I_к+ I_о

Для транзистора важно знать соотношение между входным током I_вх и выходным I_вых, поэтому вводят коэффициент передачи по току. В схеме с общей базой (наш пример) это a - коэффициент передачи по току или коэффициент передачи эмиттерного тока.

Он равен a= I_к/I_э»(0,96 – 0,999) – в реальных транзисторах, т.е. схема с общей базой не усиливает по току т.к. a<1.

ТРИ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРА

Схема включения с общей базой. Здесь база является общим электродом для входа и выхода.

I_вх= I_э, I_вых= I_к

U_вх= U_эб, U_вых= U_кб

Схема с общим эмиттером.

Здесь

I_вх= I_б, а I_вых= I_к

U_вх= U_бэ U_вых= U_кэ

Схема с общим коллектором.

I_вх= I_б, I_вых= I_э

U_вх= U_бк U_вых= U_эк

Наиболее часто встречаются схемы с общей базой и с общим эмиттером.

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНЗИСТОРА

Рассмотрим семейство входных и выходных вольтамперных характеристик, хотя есть и переходные характеристики и характеристики обратной связи ВАХ.

Входная вольтамперная характеристика транзистора в схеме включение с общей базой – это зависимость входного тока от входного напряжения I_вх=f(U_вх) при U_вых=const или иначе

I_э=f(U_эб) при U_кб=const.

Это характеристика открытого эмиттерного перехода. На вольтамперную характеристику влияет напряжение на коллекторном p-n-переходе. Чем больше на нем напряжение, тем правее сдвигается входная вольтамперная характеристика транзистора. Это происходит в результате модуляции толщины базы. Если база уменьшается по толщине, то ее сопротивление увеличивается.

Выходная вольтамперная характеристика – это зависимость выходного тока от выходного напряжения I_вых=f(U_вых) при I_вх= const. Семейство выходных характеристик – это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.

Здесь I_ко – тепловой коллекторный ток насыщения.

С увеличением входного тока выходной ток пропорционально возрастает (I_э4>I_э3>I_э2>I_э1>0). Выходной коллекторный ток практически не зависит от выходного напряжения U_кб.

Диапазон значений напряжения при U_кб<0 – это не рабочая область вольтамперной характеристики. При значении U_кб=0 коллекторный ток в выходной цепи обусловлен наличием электрического поля высокоомной базы, разность потенциалов которой аналогична разности потенциалов рассматриваемого ранее p-n-перехода.

ПАРАМЕТРЫ СХЕМЫ С ОБЩЕЙ БАЗОЙ

при U_кб=const. r_э – дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода.

— диффузионное сопротивление базы

— объемное сопротивление базы (зависит от концентрации носителей в базе)

при I_э= const. r_к – это дифференциальное сопротивление коллекторного перехода.

— это коэффициент обратной связи по напряжению.

Отметим, что коэффициент обратной связи – это отношение входного напряжения к выходному. Отношение выходного напряжения к входному – это коэффициент прямой передачи (или коэффициент усиления ?)

при U_кб=const – это коэффициент прямой передачи по току.

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ТРАНЗИСТОРА

Обычно эквивалентную схему используют на переменном токе. Здесь С_э – диффузионная емкость эмиттерного p-n-перехода, ею обычно пренебрегают.

mU_кб – эквивалентный генератор тока (напряжения ?).

mU_кб=U_эб

Б’ – внутренняя точка базы.

r_б=r’_б+r”_б

m=(10^-3 – 10^-5) – поэтому в реальных транзисторах ею пренебрегают.

Параметры r_э, r_б, r_к, С_к приводятся в справочниках.

ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМЫ С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

Входные характеристики – это зависимости тока базы от напряжения между базой и эмиттером I_б=f(U_бэ) при U_кэ=const. Это характеристики открытого p-n-перехода.

При напряжении менее 0,3 В в цепи базы протекает обратный ток I_о. С увеличением напряжения между коллектором и эмиттером U_кэ характеристика сдвигается влево, т.е. величина заданного входного тока появляется при меньшем напряжении база-эмиттер U_бэ, т.к. часть напряжения U_кэ прикладывается и к эмиттерному переходу.

Выходные вольтамперные характеристики – это зависимость выходного коллекторного тока от выходного напряжения, т.е. в данном случае I_к=f(U_бэ) при постоянном входном токе базы I_б=const. Это характеристики закрытого коллекторного p-n-перехода.

I_кос – сквозной ток насыщения в схеме с общим эмиттером. Это нулевой сквозной ток коллектора, он течет через весь транзистор.

С ростом входного тока выходной ток также возрастает (I_б4> I_б3> I_б2> I_б1>0). Причем, чем больше входной ток, тем больше зависимость тока коллектора I_к от выходного напряжения U_кэ.

Что касается параметров схемы замещения, то здесь важно знать соотношение между входным и выходным токами. По аналогии со схемой с общей базой можно представить следующую схему замещения. Здесь параметры r_б, r_э, r_к, С_к – те же что и в схеме с общей базой, но данная схема не удобна, т.к. в ней нет связи между входным током I_б и выходным током I_к. Можно записать

I_э=I_к+I_б Из схемы с общей базой I_к=aI_э+I_ко , подставляем в данное выражение предыдущее, тогда

I_к=aI_э+aI_б+I_ко и отсюда получаем

А a - коэффициент передачи по току в схеме с общей базой, тогда

b - коэффициент передачи потоку в схеме с общим эмиттером.