Oslash; Полупроводниковые приборы

Диоды. Полупроводниковый прибор, обладающий одним n–p-пере­ходом,именуется диодом. Вольтамперная характеристика диода приведена на рис. 4, его условное обозначение – на рис. 5. Вольтамперная характери­стика – важнейшая для лю­бого электриче­ского прибора, гра­фи­чески иллюстри­рующая закон Ома

U = IR (или ).

а б в Рис. 5. Условные обозначения диодов: а – диод; б – стабилитрон; в – варикап

Так как обратный ток меньше пря­мого на порядки, то для повышения на­глядности графика масштабы в первом (область прямого напряжения) и третьем (область обратного напряже­ния) квадрантах приняты разными. Как видно из ри­с. 4, характеристика нелинейна на всем своем протяжении, причем возле начала координат нелинейность выражена более явно. Затем заряд и сопро­тивление стабилизируются, и дальнейшая нелинейность объяс­няется нагре­вом граничного слоя. Начиная с точки А, дальнейшее повыше­ние об­рат­ного напряжения вызывает пробой p–n-перехода – электрический (участок А–Б–В) и тепловой (участок В–Г). Электрический пробой обра­тим. Он может быть двух типов – лавинный и туннельный.

Лавинный про­бой объясняется резким увеличением числа носителей зарядов при ударной лавинной иони­зации перехода при определенном обратном напряжении. Характерен для относительно тол­стых переходных слоев с невысоким со­держанием приме­сей. Туннельный про­бой объясняется туннельным эф­фек­том – при опреде­ленных условиях (тонкий переходной слой, высокое со­дер­жание примесей, высокое обратное напряжение) некоторые электроны про­ходят переход, практически не изменяя своей энергии. Переходной слой при этом несколько уподобляется по своим свойствам проводнику. В ре­жиме электрического пробоя работают некоторые виды специальных дио­дов, на­пример стабилитроны, применяющиеся для стабилизации напряже­ния. Ус­ловное обозначение стабилитронов приведено на рис. 5. Рабочий уча­сток характеристики для стабилитронов – Б–В, на котором характери­стика практически вертикальна (U = const.). Тепловой пробой вызывается пере­гревом перехода и необратим – при нем разрушается вещество пере­ходного слоя.

Изменение тем­пературы при­водит к измене­нию сопротивле­ния по­лупровод­ника по закону

, (3)

где K и a – константы, T – температура. Это вызывает поворот вольтампер­ной характеристики против часовой стрелки (см. рис. 4).

Рис. 6. Емкостные свойства диода

Анализируя рис. 4, можно отметить, что при об­ратном напряжении переход обладает диэлектрической прослойкой (потенциаль­ный барьер) и двумя областями разноименных зарядов, т. е. диод при обратном напряжении обладает свойствами конденсатора со значи­тельной утечкой (обратный ток) в диэлектрике. График зависимости ем­кости C диода от обратного напряжения U_обр приведен на рис. 6. При этом необходимо заметить, что емкость диода может изменяться, причем электрически – при изменении обратного напряжения. На этом основан принцип действия варикапа – специализированного диода, работающего на обратном напряжении и выполняющего функцию конденсатора с перемен­ной емкостью с дистанционным изменением емкости при помощи напряже­ния.

Благодаря своим свойствам диоды используются в системах управ­ления в качестве:

· выпрямителя переменного тока. Известно выпрямление перемен­ного тока при помощи диода следующими спосо­бами (рис. 7):

– одинарным диодом. Диод пропус­кает положительную полуволну напряже­ния и задерживает отрицательную. Ток и напряжение приобретают ярко выражен­ную пульсацию. Так как каждый диод об­ладает емкостными свойствами, пульсирующая синусоида несколько сгла­живается (см. ­следующий способ);

– с конденсаторным сглаживанием. Параллельно диоду устанавлива­ется конденсатор. В пике напряжения он заряжается, поглощая электриче­ский заряд. Как только напряжение окажется ниже заряда конденсатора, он раз­ряжается. За счет этого происходит сглаживание пульсации;

– диодным мостом. Четыре диода включены в плечи моста между двумя диагоналями a – b (вход) и c – d (выход). Это очень распространенная в технике мостовая схема. В то время, когда ток проходит через диоды, расположенные на одних плечах, другие заперты и наоборот. Таким обра­зом, на выходную диагональ постоянно подается выпрямленное напряже­ние. Этот выпрямитель наиболее эффективен и наиболее часто применяется в системах управления;

· составной части логических элементов (см. лекцию 9);

· стабилизатора напряжения (см. стабилитроны);

· дистанционного конденсатора переменной емкости (см. варикапы).

а	б	г

Рис. 7. Диодные выпрямители: а – одинарный диод; б – конденсаторное сглаживание; в – диодный мост

Транзисторы. В отличие от диодов транзисторы имеют как минимум два (иногда больше) перехода. Чаще всего используются транзисторы с двумя перехо­дами между тремя слоями полупроводников, каждый из которых имеет свой вывод – полупроводниковые триоды. В зависимости от типа и распо­ложения слоев транзисторы подразделяются на n–p–n и p–n–p-типы. Средняя область транзистора именуется базой, одна из крайних – эмиттером, дру­гая – коллектором (рис. 8). На условных обозначениях стрелка показывает на­правление тока от плюса к минусу в выводе эмиттера. Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от того, ка­ковы напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получа­ется в случае, когда на эмит­терном переходе напряжение прямое, а на коллектор­ном – обратное. Режим отсечки или запирания достигается пода­чей обрат­ного напряжения на оба перехо­да. Если на обоих перехо­дах напряжение прямое, транзистор работает в режиме на­сы­щения. В наиболее частых слу­чаях ис­поль­зова­ния транзисторов (в усили­телях и генераторах частоты) транзисто­ры рабо­тают в активном режиме. По­этому этот режим будет рас­смотрен более подробно. Для примера рассмотрим работу n–p–n-транзи­стора в ста­тике, без нагрузки, когда включены только постоянные питаю­щие напряже­ния E₁ и E₂ (рис. 9,а). Полярность напряжений такова, что на эмиттер­ном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное.

Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для обеспечения нормального тока в этом переходе достаточно небольшого напряжения E₁ (порядка деся­тых долей вольта). Сопротивление коллекторного перехода велико, и напря­жение E₂ для протекания нормального коллекторного тока обычно состав­ляет единицы и десятки вольт. Напряжения между электро­дами связаны за­висимостью

U_К-Э = U_К-Б + U_Б-Э , (4)

где U_К-Э, U_К-Б, U_Б-Э – соответственно напряжения между коллектором и эмиттером, коллектором и базой, базой и эмиттером. Так как при активном режиме U_Б-Э<< U_К-Б, следовательно,

. (5)

Вольтамперная ха­рактеристика эмит­терного перехода соответствует уча­стку прямого на­пряжения (первый квадрант графика см. на рис. 4), а коллекторного – участку обратного напряжения (третий квадрант).

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напря­жение эмиттер­ного перехода U_Б-Э существенно влияет на ток, протекающий через коллекторный переход.

При увеличе­нии U_Б-Э уменьшается потенциальный барьер эмиттерного перехода, соот­ветственно падает его сопротивление и возрастает эмиттерный ток I_Э. Элек­троны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явле­нию диффузии проникают сквозь базу в коллектор, увеличивая ток коллек­тора I_К. Так как коллекторный переход работает на обратном напряжении, в нем возникают объемные заряды (на рис. 9,а обозначены знаками + и -).

а б

Рис. 9. Движение зарядов в транзисторе:
а – для n–p–n-типа; б – p–n–p-типа

Между ними возникает электрическое поле, втягивающее (экстрагирующее) электроны, пришедшие от эмиттера, через коллекторный переход.

Если толщина базы относительно мала и концентрация примесей (следовательно, концентрация дырок) в ней относительно невелика, боль­шинство транзитных электронов от эмиттера на коллектор, проходя через базу, не успевают рекомбинировать с дырками базы и достигают коллек­торного перехода. Рекомбинирующие электроны создают ток базы I_Б. Число электронов в базе должно оставаться постоянным. Следовательно, сколько транзитных электронов рекомбинировало с дырками, столько собственных электронов базы должно покинуть ее с током I_Б. В соответствии с первым законом Кирхгофа

. (6)

Ток базы представляет собой утечки основного потока коллектор – база – эмиттер и должен быть как можно меньше. Именно для этого базу и делают тонкой и слабо насыщенной дырками. Обычно I_Б = I_Б (1 … 3×10^-3). Поэтому

. (7)

Основное свойство транзистора, позволяющее использовать его в качестве усилителя, заключается в следующем:незначительные изменения напряжения на эмиттерном переходе приводят к гораздо большим изме­нениям коллекторного тока. Рекомендуемое определение электродов тран­зистора: эмиттером называется область, из которой инжектируются носители в базу; коллектором – область, в которую экстрагируются за­ряды из базы; базой – область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для нее носители.

Потенциальная диаграмма переходов транзистора представлена на рис. 10. Если представить элек­трон в виде шарика, а диаграмму – в виде вертикального профиля его беговой дорожки, можно составить механическую аналогию работы переходов: шарику необходимо за­тратить небольшое количество энергии, чтобы преодолеть подъем на первом переходе; преодолев его, шарик получает гораздо больше энергии, скатываясь со спуска на втором переходе.

Процессы, протекающие в p–n–p-тран­зис­торе (рис. 9,б) аналогичны рассмотренным с точ­ностью до наоборот – электроны и дырки меняются местами. Основ­ными носителями заряда для базы являются электроны, а неосновными – дырки. Последние и инжектируются эмиттером на базу, чтобы затем экстрагироваться в коллектор, по пути ре­комбинируя с электронами и порождая тем самым ток базы.

Так как в коллекторном переходе рассеивается больше энергии, чем в эмиттерном, площадь первого делают больше. В некоторых транзисторах малой мощности площади переходов равны. Такие транзисторы именуются симметричными и для них эмиттером и коллектором является любая из крайних областей.

Так же как у диода, у транзистора повышение обратного напряже­ния на коллекторе может вызвать пробой коллекторного перехода – сначала обратимый электрический (лавинный и туннельный), затем при повышении напряжения – необратимый тепловой.

Из рис. 9 видно, что полупроводниковый триод представляет со­бой прибор, объединяющий две цепи – входную, с напряжением питания E₁, которая управляет напряжением U_Б-Э, и выходную, с напряжением питания E₂, по которой протекает управляемый ток I_К. Но для подключения к двум цепям нужно четыре вывода (электрода), а у транзистора их три. Следова­тельно, один из электродов у транзистора должен быть общим для обеих цепей. Отсюда одно из важных отрицательных свойств транзистора – вход­ная и выходная цепи электрически не разобщены полностью (как говорят электрики – между этими цепями нет электрической развязки). Любой из электродов может быть общим. На рис. 11 приведены схемы подключе­ния транзисторов с общим эмиттером (ОЭ), общей ба­зой (ОБ), общим коллектором (ОК) и распространенная схема питания цепей транзистора.

а	б	в

Рис. 11. Схемы подключения транзисторов с p–n–p-переходом: а – с эмиттером (ОЭ); б – с базой (ОБ); в – с коллектором (ОК)

Обеспечить питание цепей от двух независимых источников E₁ и E₂ технически сложно и, как правило, не нужно. Вместо этого используют питание от одного источника в выходной цепи U_ПИТ, а для того чтобы выполнить условие E₁ < E₂, используется понижение напряжения входной цепи при помощи последовательно включенного со­противления R₁. Для последовательного соединения

U_ПИТ = Е₁ + D U_R1= Е₁ + I_Б R₁, (8)

следовательно увеличение R₁ вызывает уменьшение E₁. Сопротивление R₁ для схемы ОБ именуется эмиттерным, для остальных схем – базовым. Раз­ница потенциалов называется напряжением смещения базы.

Важнейшими характеристиками транзистора являются входная и выходная. Для удобства все характеристики транзистора сводятся в четыре квадранта одного графика (рис. 12). На рисунке при­ведена совмещенная характеристика для транзистора, включенного по схе­ме ОЭ. Входная характеристика гра­фичес­ки иллюст­рирует закон Ома для входной цепи транзи­стора, выходная .

Эти характеристики располагаются соответственно в треть­ем и первом квадрантах со­вме­щенной ха­рактери­стики. Обе они определяют один из пе­рехо­дов (входная – эмит­тер-базовый, выход­ная – базоколлекторный) и поэ­тому со­ответствуют участ­кам вольтамперной характери­стики диода: входная – уча­стку прямого напря­жения, выходная – обратного.

Но оба перехода транзистора связаны достаточно тесно, поэтому обе ха­рактеристики представлены не единич­ными линиями, а семействами кривых. Связь между входной и выходной характеристиками выра­жается токовой характеристикой (четвертый квад­рант). Оставшийся второй квадрант занимает потенциаль­ная ха­ракте­рис­тика . Так как в ней отражена зави­симость входного напряжения от выходного, то эта характеристика именуется также характеристикой обратной связи транзи­стора. Последняя используется редко и зачастую опускается. По совмещенной характе­ристике можно определить следующие статические характеристики транзи­стора:

– коэффициент усиления по току

; (9)

– коэффициент усиления по напряжению

; (10)

– коэффициент усиления по мощности

; (11)

– входное сопротивление

; (12)

– выходное сопротивление

. (13)

Порядок величин этих характеристик для различных схем включения транзисторов приведен в табл. 1.

Таблица 1

Важнейшие свойства основных схем включения транзисторов

В любой электрической цепи часть электронов не участвует в направленном электрическом токе, а со­вершает хаотические тепловые перемеще­ния. За счет этого даже при постоянном токе величина тока беспорядочно изменяется с крайне незначительной амплитудой и со­стоит из двух составляющих – постоянной I_О и переменной I_Ш (рис. 13). Для вы­ходной цепи транзистора, обладающего усилительным эффектом эти флуктуации становятся достаточно значимыми. Хаоти­ческие флуктуации тока получили наимено­вание собственного шума транзистора. Название шум присвоено потому, что проще всего этот эффект наблюдать в тран­зисторном радиоприемнике. При отсутствии внешнего сигнала приемник издает шум определенного уровня.

Для усилителей, содержащих полупро­водниковые транзисторы (так же, как и для других), уровень собственного шума необходимо учитывать при определении порога чувствительности – величины минимального входного сигнала, на который реагирует усилитель. Уровень собственного шума должен быть ниже порога чувствительности. Шумовое напряжение можно определить по формуле Найквиста

, (14)

где k – постоянная Больцмана, приблизительно 1,38×10^-23 дж/град;
T – абсо­лютная температура; R – сопротивление; П_ПР – ширина полосы пропускае­мых частот.

В системах управления транзисторы чаще всего используются как составные части электронных усилителей и генераторов частоты.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое физическая основа проводимости полупроводников?

2. Какова должна быть валентность донорных и акцепторных приме­сей по отношению к базовому веществу?

3. Что такое потенциальный барьер перехода?

4. Каков принцип действия полупроводникового диода?

5. Что такое стабилитрон, варикап?

6. Какова область применения полупроводниковых диодов?

7. Опишите распределение потенциалов в различных типах транзисторов?

8. Опишите схемы подключения транзисторов. Для чего служит сопротивле­ние базы (эмиттера)?

9. Расшифруйте совмещенную характеристику транзистора.

10. Какие существует главные статические характеристики транзистора?