Туннельные диоды

В туннельных и обращённых диодах используется туннельный эффект в вырожденных полупроводниках, в которых этот эффект наблюдается при малых прямых напряжениях.

Вырожденные полупроводники– полупроводники с высокой степенью концентрации носителей заряда (N = ).

Мы получаем очень малую толщину p-n-перехода. Поэтому туннельный пробой наблюдается при прямых напряжениях p-n-перехода. На прямой ветви ВАХ появляется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ток падает).

При нулевом напряжении внутри этого диода наблюдается туннельный эффект за счёт высокой концентрации примесей.

В точке 2 туннельный эффект практически исчезает.

В точке 3 практически все носители участвуют в инжекции.

При обратном включении улучшаются условия для туннелирования.

0 → 3 – инжекционный ток;

2 → 4 – туннельный эффект.

Такая ВАХ появляется в результате наложения двух характеристик.

Важной особенностью туннельного диода является наличие участка 1-2. Этот участок может быть использован как для генерации колебаний, так и для усиления высокочастотных сигналов.

− пиковый ток;

− ток впадины, минимальный ток через диод.

Чем больше , тем лучше диод.

Для арсенидо-галлиевых туннельных диодов: = 100-150 мВ, = 400-500 мВ.

Для германиевых туннельных диодов: = 40-50 мВ, = 250-300 мВ.

Существенное преимущество туннельного диода – это высокие частотные свойства.

На участке 1-2 наблюдается эффект туннелирования и здесь не происходит накопления неосновных носителей заряда. Инжекционный ток равен нулю. Диод может работать на частотах вплоть до сотен ГГц. Частотные свойства диода ограничены паразитными ёмкостями.

До недавнего времени это был единственный прибор, работающий в диапазоне ГГц.

2.8.7 Обращённые диоды

В обращённых диодах используются полупроводники с критической концентрацией примесей, в которых туннельный эффект проявляется уже при нулевых напряжениях p-n-перехода.

ВАХ обращённого диода:

Обратная ветвь ВАХ обращённого диода эквивалентна обратной ветви ВАХ туннельного диода.

При небольших напряжениях протекают большие токи.

При прямых напряжениях туннельный эффект практически отсутствует. Заметная инжекционная составляющая появляется при больших напряжениях, порядка сотен вольт.

Обращённые диоды используются для выпрямления. Способны работать на частотах до нескольких сотен ГГц. Мало чувствительны к радиации. Могут работать в “загрязнённых зонах” (реактор, космос).

.

2.9 Маркировка диодов

1N

1 − количество p-n-переходов;

N − серия полупроводника.

Например:

1N2784 – более старый;

1N521 – более новый.

Диод имеет 5 позиций.

1-я позиция (буква или цифра и буква) указывает на материал, из которого сделан прибор.

1, 2, 3 – приборы военного применения (шире температурный режим).

Г, К, А – (материал прибора соответственно: германий, кремний, арсенид галлия) – приборы бытового применения.

2-я позиция указывает на класс прибора.

Д – диод;

C – стабилитрон;

Т – транзистор;

У – тиристор;

Л – излучатель (фотоэлектронный прибор).

3-я позиция указывает на частотные и мощностные характеристики приборов. В стабилитронах указывает на мощность или напряжение стабилизации.

4-я позиция – две или три цифры, указывающие на серийный номер.

5-я позиция – дополнительная информация.

2Д213А – для военного применения кремниевый диод средней мощности.

3-я позиция в диодах указывает на мощность и частотные свойства. Итак:

1 – выпрямительные диоды малой мощности;

2 – выпрямительные диоды средней и большой мощности;

3 – магнитодиоды;

4, 5 – импульсные диоды;

6 – СВЧ-диоды.

В стабилитронах 3-я позиция указывает на диапазон напряжения стабилизации и мощность прибора. Итак:

1 – 4 – 7 − напряжение стабилизации от 0 до 9,9 В;

2 − 5 − 8 − напряжение стабилизации от 10 до 99,9 В;

3 − 6 − 9 − напряжение стабилизации от 100 до 200 В.

1, 2, 3 – приборы малой мощности;

4, 5, 6 – приборы средней мощности;

7, 8, 9 – приборы большой мощности.

4-я позиция в стабилитронах – две цифры, указывающие на напряжение стабилизации.

5-я позиция – буквы:

Ж – прецизионный стабилитрон;

А – прибор общего применения.

2С515А – военного применения стабилитрон = 15 В средней мощности.

Ещё встречаются старые приборы.

Д – диод. Далее идут цифры, указывающие на материал:

1 – германиевые диоды;

2 – кремниевые выпрямительные диоды малой мощности;

3 – германиевые импульсные диоды;

4 – стабилитроны.

Глава 3

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы часто называют просто транзисторами.

Биполярные транзисторы– полупроводниковые приборы, состоящие из трёх чередующихся областей проводимости, которые могут быть использованы для усиления сигналов.

В биполярных транзисторах существует как минимум два p-n-перехода. В нормальном режиме один p-n-переход включается прямо, другой – обратно. Один p-n-переход является источником носителей заряда – эмиттер, другой – сборщиком этих носителей – коллектор.

Транзистор является усилительным прибором.

В транзисторе возможны три основных режима работы:

1. Режим отсечки. Оба p-n-перехода закрыты, т. е. находятся под обратным смещением.

2. Режим насыщения. Оба p-n-перехода находятся под прямым смещением.

3. Активный режим работы. Один p-n-переход находится под прямым смещением, а другой p-n-переход – под обратным смещением.

В режиме отсечки и насыщения транзистор почти неуправляемый.

В активном режиме транзистор – управляемый прибор.

Если эмиттерный переход смещён в прямом направлении (открыт), а коллекторный переход − в обратном смещении (закрыт), то такой режим называется нормальным режимомработы транзистора.

Если эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт, то такой режим называется инверсным режимом.

Часто инверсное включение транзистора является аварийным.

Основные характеристики транзистора определяются процессами, происходящими в базе.

Наиболее распространены т. н. диффузионные транзисторы.

В таких устройствах области транзистора формируются за счёт диффузии примесей на пластине полупроводника.

Область 1 получила название зоны активной базы, а зона 2 – зоны пассивной базы. Зона 3 – периферийная база.

1) В зоне базы может наблюдаться ускоряющее электрическое поле для движения носителей от эмиттера к коллектору даже без наличия внешних электрических полей. Транзистор с такой базой получил название дрейфового транзистора.

2) Внутри базы отсутствует электрическое поле. Такой транзистор получил название бездрейфового транзистора.

Транзисторы, изготовленные с помощью планарной технологии, будут дрейфовыми. Бездрейфовые же получают только путём сплавления.

Будем рассматривать дрейфовые транзисторы.

3.1 Основные схемы включения транзисторов

Т. к. выводов у транзистора три, то возможны три схемы включения:

1) с общим эмиттером;

2) с общей базой;

3) с общим коллектором.

“Общий” − значит, что данный вывод транзистора является общим для входной и выходной цепи.

Для с схемы с общим эмиттером входной цепью будет база, а выходной – коллектор.

Стрелочкой обозначается направление движения носителей заряда при прямом включении.

В этих схемах анализируют входные и выходные токи и не анализируют токи по общему выводу.

Сначала будем рассматривать статический режим – постоянный ток.

3.2 Распределение потока носителей заряда в биполярном транзисторе