Электронно-дырочный р-п переход, его формирование и свойства.

При совмещении двух различных электропроводящих материалов (различающихся по величине удельного сопротивления или типу проводимо­сти) в единую кристаллическую решетку образуется электрический переход При переходе электрона из одного типа решетки в решетку другого типа нужно затратить некоторую порцию энергии, называемую работой выхода

Для различных комбинаций объединяемых кристаллических решеток работа выхода различна. В научной литературе работа выхода называется также электрохимическим потенциалом. Электрический переход не может быть создан простым механическим соединением, так как при таком соеди­нении не обеспечивается непрерывность пространства кристаллической ре­шетки. Электрический переход создается методами сплавления, диффузии из парообразной фазы, электролитическим осаждением и другими методами Электрическии переход между примесными полупроводниками с проводи-

мостью типа p и n называется электронно-дырочным переходом или p-n пе­реходом. Возможны также переходы между полупроводником типа p и ме­таллом: Me - p; полупроводником типа n и металлом: Ме-nи другие типы переходов. Параметры и характеристики перехода зависят от распределения концентраций примесей и геометрических размеров областей. По соотноше­нию концентраций основных носителей в слоях p и n переходы делятся на симметричные и несимметричные. Как правило слой p имеет большую кон­центрацию носителей заряда ( ) в 100 - 1000 раз, а изменение величины концентрации от области p к области n может быть представлено графиче­ски.

Рисунок 4.

На данном рисунке 4

х₀ - металлургическая граница где Na = Ng

- область обедненная носителями заряда типа p

- область обедненная носителями заряда типа n

Если = , и = + - переход называется симмет­ричным. Рассмотрим процессы при образовании р-n перехода когда к нему не приложено внешнее электрическое поле, то есть переход находится в равно­весном состоянии.

Рисунок 5.

Поскольку концентрация дырок «+» в области «p» больше чем в об­ласти «п», часть дырок из близлежащих к х₀ диффундирует в область «n». При этом в приграничной области возникает дефицит дырок, их концентра­ция понизится и на границе слоя останутся некомпенсированные отрица­тельно заряженные ионы. С другой стороны в области «n» из-за ухода элек­тронов останутся нескомпенстрованные положительные ионы. Таким обра­зом в приграничном слое образуется поле противоположно заряженных ио­нов, которые являются узлами кристаллической решетки и не могут изменить своего положения в пространстве х. Дырки, встречая на своем пути область положительно заряженных ионов отталкиваются и возвращаются в глубь об­ласти р. Диффузия дырок из «p» в «n» прекращается. Прекращается также диффузия электронов из «n» в «p».

Пространственные заряды (рис. 56) создают разность потенциалов U_K, которую называют потенциальным барьером или контактной разностью

потенциалов. Учитывая малые размеры по координате х (мкм)

может достигать значительных величин в сотни и тысячи вольт на метр. В

зоне и концентрация электронов и дырок падает до минимального значения и становится областью с очень высоким удельным сопротивле­нием. Однако поле пространственного заряда не препятствует, а

способству­ет движению неосновных носителей заряда что приводит к некоторому

уменьшению пространственного заряда, в р-n переходе наступает динамиче­ское равновесие и суммарная плотность тока в переходе равна нулю.

Практически контактная разность потенциалов для германиевых по­лупроводников равна 0,4В, для кремниевых а ширина L_o6 мо­жет быть определена по формуле 7.

где - диэлектрическая постоянная воздуха

- диэлектрическая постоянная полупроводника Так как в электрической цепи, состоящей из последовательно соеди­ненных источников ЭДС, суммарный потенциал может складываться или вычитаться в зависимости от полярности подключения так и в р-n переходе может быть два вида подключения: прямое, когда +Е подключено к р- области, -Е к n-области и обратное, когда +Е подключено к n-области и -Е к р-области.

При прямом подключении в р-п переходе появится дополнительное электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшается, результирующее поле U = U_K - вызовет уменьшение ширины 1_0б до значения 1₀

Если величина |U_к —U| >0 то переход будет иметь еще достаточно высокое сопротивление и через него будет течь небольшой диффузионный ток если величина |U_к —U| =0 то толщина перехода стремится к нулю. В этом случае через р-n переход будет течь в основном ток диффузии, назы­ваемый прямым током. Так как область «р» более высоколегированная то из «р» области в «n» область будут инжектироваться дырки, а потоком электро­нов, который в 1000раз меньше можно пренебречь. Инжекционный слой с малым внутренним сопротивлением называется эмиттером, а слой в который инжектируются неосновные для него носители (т.е. дырки в «n» область) на­зывается базой. База более высокоомный слой. Инжектированные в «n» об­ласть дырки рекомбинируют с электронами поступающими в объем полу­проводника под влиянием электрического поля (так как электрический ток в проводнике это есть движение электронов). Таким образом в приграничной к р-n переходу области течет ток диффузии, а в более удаленных от него час­тях полупроводника течет ток дрейфа. В целом кристалл остается электриче­ски нейтральным.

Через электронно-дырочный переход течет и обратный ток неоснов­ных носителей, т.е. электронная составляющая из «n» области в «р» область. Прямой 1_пр и обратный 1₀ токи связаны между собой соотношением, которое упрощенно можно выразить формулой 9.

При обратном включении «р-n» перехода, т.е. минусом к «р» области и плюсом к «п» области полярность внешнего электрического поля совпадает с полярностью контактной разности потенциалов, следовательно потенци­альный барьер возрастает, а l обедненная носителями заряда увеличивается, сопротивление диода сильно возрастает и прямой ток практически полно­стью прекращается. Но ток, обусловленный движением неосновных носите­лей несколько возрастает, так как электроны будут ускоряться в сильном электрическом поле, вытягиваться из своей области и перебрасываться в дру­гую. Такой процесс вытягивания зарядов называется экстракцией. Однако обратный ток в тысячи или десятки тысяч раз меньше прямого. Поэтому го­ворят, что р-n переход обладает выпрямляющим действием или вентильными свойствами, а поскольку в области р-n перехода образуется пространствен­ный заряд, то он также обладает и свойствами конденсатора, причем влияние емкости р-n перехода в электрических схемах проявляется в том случае, ко­гда напряжение на р-n переходе изменяется во времени. В этом случае кроме постоянного тока протекает дополнительный емкостной ток. Так как при этом изменяется величина барьерного заряда (имеется в виду значения и Q⁺), то емкость называется барьерной С_бар. По своей природе С_бар аналогична емкости плоского конденсатора, а так как толщина обедненного слоя изменя­ется в зависимости от напряжения, то С_бар есть функция приложенного об­ратного напряжения и эта зависимость называется вольтфарадной характери­стикой р-n перехода.

В случае прямого включения возникает диффузионная емкость С_диф, причиной которой является изменение концентрации инжектированных но­сителей зарядов в приграничных к р-n переходу областях вследствие процес­са диффузии. При изменении полярности эти носители заряда вытягиваются обратно, но процесс этот не происходит мгновенно, а экспоненциально в те­чение времени разряда. Наличие С_бар и С_диф сказывается на быстродействии переключения р-n перехода и определяет граничную частоту его работы f_rpaH.

§3. Контактные явления и полупроводниковые переходы.

Для того чтобы на основе полученной структуры р-n перехода изго­товить выпрямительный прибор (диод) необходимо к областям риn присое­динить два металлических проводника для монтажа требуемой электриче­ской схемы. При этом возникает электрический переход металл - полупро­водник соответственно для областей р: Me - р, области n: Me - n.

Исследова­ниями электрических процессов в подобных переходах занимался ученый Шотки. Он установил, что для перехода электрона из одной кристаллической решетки в другую электрону надо придать некоторую порцию энергии, назы­ваемую работой выхода. Например для перехода электрона из металла в по­лупроводник «п» типа требуется работа А_м, а для обратного перехода работа А_п. Шотки было установлено, что, если А_м > А_п, то в переходе Me - n образу­ется потенциальный барьер, а если А_м < А_п, то потенциальный барьер не об­разуется, контакт Me - n является чисто омическим, не обладающим вен­тильными свойствами. Аналогично для перехода Me - р оказалось что при А_М<А_Р потенциальный барьер образуется, а при А_м > А_р - контакт является омическим.

Отличительной особенностью выпрямляющего перехода Шотки от р-n перехода является отсутствие инжекции носителей заряда и их накопле­ния вблизи контактной области, вследствие чего переход данного типа обла­дает малой инерционностью то есть может применяться при быстрых изме­нениях полярности приложенного напряжения и соответственно имеет высо­кую рабочую частоту.

Самостоятельная работа.

Переход Шотки.

Рекомендуемая литература для самостоятельной проработки: В.Г. Гу­сев, Ю.М. Гусев «Электроника» с. . М. Высшая школа 1991 г.

Тема 1.2. Полупроводниковые диоды. §1. Классификация и конструкция диодов.

1. Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Полупроводнико­вый диод как элемент электрической цепи является нелинейным двухполюс­ником, т. е. это электронный прибор с двумя выводами и нелинейной вольт- амперной характеристикой (ВАХ). В настоящее время наиболее употреби­тельной является классификация по областям назначения и применения:

1. Выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности для выпрямления переменного тока.

2. Импульсные диоды, предназначенные для работы в импульсных и переключательных схемах на частотах до сотен МГц.

3. Детекторы и переключатели ВЧ и СВЧ диапазона, а также диоды Ганна и лавннно-пролетные диоды.

4. Варикапы, применяемые в качестве электрически управляемой емкости.

5. Стабилитроны - диоды, предназначенные для стабилизации на­пряжения.

6. Туннельные диоды для генерации и усиления высокочастотных сигналов.

7.Фотодиоды.

8.Светоизлучающие диоды

9. Интегральные схемы на диодных элементах: сборки, диодные матрицы, выпрямительные мосты, знаковые индикаторы, диодные оптроны, светодиодные матрицы (экраны) и т. п.

10. Магнитодиоды.

2.Принцип действия.

Выпрямительные и импульсные диоды используют свойство одно­сторонней проводимости р - n перехода. Специальные типы полупроводни­ковых диодов используют различные свойства р - n переходов: явление про­боя, барьерную емкость, наличие на ВАХ участков с отрицательным сопро­тивлением и другие.

Рассмотрим выпрямительные диоды. Конструктивно они делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффу­зионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади р - n перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых постоянных токов или сравнительно кратковремен­ных импульсов средних токов.

Первоначально было налажено изготовление точечных диодов. У то­чечных диодов электронно-дырочный переход образован контактом заост­ренной металлической иглы. При этом на качество и параметры р - n перехо­да влияют свойства окружающей среды, чистота поверхности кристалла так как слой р-типа образуется в кристалле полупроводника в результате термо­диффузии акцепторных примесей с конца металлической иглы, возникающей под действием больших импульсов тока, пропускаемых через контакт. Площадь такого контакта менее 50 . Поэтому прямые токи не могут быть более десятков миллиампер. Таким образом, эта технология применима для производства импульсных диодов с малыми значениями 1_{пр ср}. При этой тех­нологии также трудно добиться однородности параметров диодов.

7. Для изготовления более мощных выпрямительных диодов исполь­зуются плоскостные диоды, изготавливаемые сплавным или диффузионным методом. При изготовлении кремниевых сплавных диодов в кремний «n» ти­па, выполняющий роль базы, вплавляется тонкая алюминиевая проволока при температуре 600 - 700°С. В месте сплава формируется тонкий обога­щенный AI рекристаллизованный слой кремния с проводимостью р-типа. Та­кие диоды пропускают прямые токи до десятков ампер. Площадь перехода у таких диодов значительно больше. Выбор в качестве базы полупроводника п- типа предпочтительнее так как подвижность электронов больше подвижно­сти дырок, что позволяет несколько снизить концентрацию примесей и тем самым повысить пробивное напряжение при обратном включении.

7. При диффузионном методе изготовления диодов примеси в полу­проводник вводятся диффузией из газовой среды. Для этого пластинка крем­ния Si помещается в печь, где производится испарение легирующего мате­риала, а пластинка полупроводника нагревается до температуры, близкой к

температуре плавления (для Ge 950°С, Si 1400°С). Атомы примесей из газо­вой фазы осаждаются на поверхности полупроводника и образуют тонкий слой с проводимостью другого типа. Затем пластинкам придают требуемую

форму и габариты. Площадь полученного кристалла может быть от тысячных долей до нескольких . Диффузионный метод позволяет обеспечить

хорошую воспроизводимость параметров диода.

5. Эпитаксиальные диоды изготавливаются с использованием техно­логического процесса эпитаксии и локальной диффузии. Эпитаксией называ­ется процесс наращивания монокристаллических слоев на подложку опреде­ленной кристаллической ориентации, используемую как несущую конструк­цию системы (фундамент). Эпитаксия позволяет выращивать слои любого типа проводимости. Для осаждения примесей на подложку через маску ис­пользуются процессы осаждения из парообразной фазы, термическое испаре­ние и т. п.

Этим методом изготавливаются кремниевые эпитаксиадьные диоды с металлической подложкой (т. е. диоды с барьером Шотки), обладающие по­вышенным частотным диапазоном. Структура диода Шотки дана на рис. 6

6. Принцип действия диода основан на том, что в прямом включении через

р - n переход течет большой ток и так как сопротивление р - n перехо­да отлично от нуля, то на переходе имеется падение напряжения U_np. Если приложить к переходу напряжение, включенное в обратном направлении, то ток через переход уменьшится в сотни и тысячи раз, потому что движение основных носителей заряда через р - n переход невозможно из-за высокого потенциального барьера, а концентрация неосновных носителей заряда, для которых обратное напряжение будет ускоряющим и прямым на несколько ( порядка) меньше основных носителей. В зависимости от конкретного ти­па диода обратный ток может иметь несколько составляющих - это тепловой ток собственного полупроводника, токи генерации - рекомбинации и т. п. У германиевых диодов I_обр I_т, у кремниевых I_обр I_т, т. е. кремниевые дио­ды обладают более высокой температурной стабильностью.

7. Силовые диоды обычно характеризуются набором статических и динамических параметров.

К статическим относятся:

1. Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока - U_np.

2. Обратный ток 1_обр при некотором значении U₀6_P-

3. Среднее значение прямого тока I_ср.

4. Импульсное обратное напряжение.

К динамическим параметрам относятся:

4. Время восстановления обратного напряжения t_B0CT.

4. Время нарастания прямою тока I_пр - t_Hap-

4. Предельная частота без снижения параметров диода f_MaKC, обычно это такая частота, при которой величина выпрямленного тока уменьшается

не более чем в раз.

Дополнительно могут указываться или определяться:

Которая может быть упрощена для конкретного типа и схемы вклю­чения.

Виды электрических пробоев р-n переходов диодов.

Если на ВАХ диода величина приложенного обратного напряжения превысит допустимое значение, то произойдет пробой р-n перехода.

Под пробоем р - п перехода понимают значительное уменьшение обратного со­противления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увели­чении приложенного напряжения.

Различают три вида пробоя:

· туннельный,

· лавинный

· тепловой.

В основе «туннельного» пробоя лежит туннельный эффект, т.е. «просачивание» электронов сквозь потенциальный барьер высота которого больше чем энергия носителей заряда. Туннельный пробой возникаем при ус­ловии очень узкого р — п перехода, имеющего малое значение удельного со­противления и бгольшую напряженность электрического поля до см. При таких условиях энергетические зоны искривляются настолько, что энергия электронов валентной зоны полупроводника р — типа становится равной энергии электронов зоны проводимости п - типа.

На диаграмме видно, что энергетический уровень «—» ЗП п = энерге­тическому уровню «—» ВЗ р.

В результате перехода электронов из области р в область п возника­ем туннельный ток.

Начало туннельного пробоя оценивается по десятикратному увели­чению обратного тока. Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, которая происхо­дит под действием большой величины обратного напряжения. Неосновные носители, движущиеся через р - п переход, ускоряются настолько, что при

соударении их с атомами происходит ионизация атома и появление допол­нительной пары электрон - дырка. Вновь появившийся электрон попадает под действие ускоряющего поля и вызывает ионизацию следующего атома и т. д.

В процессе лавинной ионизации соответственно увеличивается об­ратный ток, величина которого ограничивается только внешним сопротив­лением. Для количественной характеристики лавинного пробоя вводится ко­эффициент лавинного умножения М_п, который показываем во сколько раз лавинный ток больше обратного тока:

Для германиевых и кремниевых диодов практически величина М =3 5.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках с дос­таточно большой шириной р — п перехода.

Тепловой пробой возникает в результате разогрева р - п перехода, когда количество теплоты, выделяемой в р - п переходе больше количества теплоты, отводимой от перехода. При разогреве р - п перехода происходит интенсивная генерация электронно-дырочных пар и рост обратного тока, что вызывает дальнейшее разогревание перехода и его лавинообразный ток с коэффициентом М > 3+5.

При разогреве происходит расплавление структуры р - п перехода и его разрушение.

Перечисленные виды пробоя могут наступать поэтапно один за дру­гим. При этом В АХ имеет вид:

1 — лавинный пробои

2 - туннельный пробой

3 - тепловой пробой

Следует отметить, что туннельный эффект используется в тун­нельных диодах, лавинный пробой в стабилитронах и динисторах.

Выпрямительные и импульсные диоды имеют У ГО по ГОСТ 2.730 73.

Рисунок 11

Импульсные диоды.

В отличие от выпрямительных диодов импульсные диоды имеют ма­лую длительность переходных процессов, что обеспечивается малыми емко­стями р - п перехода (пикофарады). Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р — п перехода, поэтому импульсные диоды име­ют небольшие допустимые мощности рассеивания.

К основным параметрам импульсных диодов относятся:

1. Общая емкость диода С_д, (пикофарады)

2. Максимальное импульсное прямое напряжение U_{np макс}

3. Максимально допустимый импульсный ток 1_прмакс

4. Время установления прямого напряжения диода t_vcm. Это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем.

5. Время восстановления обратного сопротивления диода t_eoc - ин­тервал времени, прогиедший с момента прохождения тока через нуль до момента когда обратный ток достигнет заданного малого значения.

Рассмотрим процессы, происходящие в импульсном диоде. Импульс - это кратковременное отклонение величины напряжения или тока от его ну­левого или какого-то постоянного значения. Кратковременное - значит та­кое, которое может многократно изменяться за время наблюдения.

Рассмотрим схему и временные диаграммы:

в момент времени to VD1 закрыт, т. к. на него подано Uобр, через VD1 течет небольшой ток Iобр.

В момент t1 на диод подается прямое напряжение, а при прямом смешении в базу диода (область п) инжектируются дырки, концентрация которых превышает равновесную и ее изменение по х определяется форму-

Инжектированные дырки диффундируют в глубь базы где их кон­центрация по мере удаления от р - п перехода уменьшается из-за рекомби­нации. Время, в течение которого происходит перераспределение концен­траций определяет инерционность процессов в прямом включении. С воз­растанием концентрации «+» уменьшается сопротивление вблизи р — п пе­рехода до величины определенного стационарного значения, называемого прямым сопротивлением диода R_np. Начиная от момента t через диод и течет ток:

причем R_np изменяется от R_{np нач} до R_{np vcm} по экспоненте так же как происходит изменение концентрации дырок. При этом в каждый момет t1, = I_npR_np. Принято считать интервал времени от t1; до момента, когда U_np на VD1 уменьшается до значения равного 1,2 U_vcm временем установле­ния прямого напряжения t_ycm.

В момент t1 на диод подается U_обр Инжекция прекращается и начи­нается процесс рассасывания неосновных носителей, которые рекомбинируют с основными дрейфуя в направлении р — п перехода, т. е. происходит разряд объемного заряда. Поэтому 1_обр VDI от момента t₃ до t₅ имеет вели­чину, большую чем I_обр установившегося режима и сохраняется до того мо­мента. когда концентрация неосновных носителей не станет равной «0». В интервале t₄ - t₅ концентрация носителей убывает по экспоненте за счет рекомбинации пока ток не достигнет 1_обр. В целом интервал t₄ - t₅ называет­ся временем восстановления обратного сопротивления. Очевидно, что нако­пление неосновных носителей связано с величиной емкости р — п перехода С_диф и ее перезарядом.

В высокочастотных схемах t_vcm и t_eocm должны быть как можно меньше. Для этого базу диода надо делать как можно тоньше или вводить специальные добавки, которые улавливали бы неосновные носители. В таких схемах используются мезадиоды, или диоды Шотки с переходом Me - п/п.

Стабилитрон.

Разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряже­ния. Принцип стабилизации заключается в том, что в полупроводниковом кристалле (как правило кремниевом) сильно легированным примесями в обеих областях с тонким и резко выраженным р — п переходом, при подаче обрат­ного напряжения быстро развивается и устанавливается электрический пробой, при котором значительное увеличение обратного тока (т. е. тока пробоя) происходит при сравнительно низком и примерно постоянном (слабо изменяющемся) обратном напряжении, величина которого варьируется для каждого конкретного тока стабилитрона.

Выбор кремния в качестве материала для полупроводниковых стаби­литронов обусловлен малым обратным током для полупроводниковых дио­дов из кремния. При этом саморазогрев диода в предпробойной области от­сутствует и переход в нее происходит очень резко. В то же время в облас­ти пробоя, даже при большом токе, нагрев диода не носит лавинообразного характера, так как в кремнии ток 1₀ слабо зависит от температуры разо­грева. Поэтому рабочий участок ВАХ стабилитрона идет почти верти­кально и не имеет отрицательного наклона, характерного для теплового пробоя.

На В АХ рабочий участок аб характеристики идет почты вертикаль­но и не имеет отрицательного наклона, связанного с тепловым пробоем. Механизм пробоя может быть туннельным, лавинным или смешанным в за­висимости от удельного сопротивления базы, т.е. от номинала стабилизи­руемого напряжения. Из данной ВАХ стабилитрона видно, что прямой ток в зависимости от напряжения изменяется так же как у обычного диода. Ветвь обратного тока характеризует рабочий режим стабилитрона. Ра­бочим участком стабилизации является диапазон от I_мин до I_макс в области электрического пробоя. Изменение тока происходит при и_{стабилизсщии} слабо зависящем от тока пробоя.

Схема включения стабилитрона обратна схеме включения выпрями­тельного диода:

1. Номинальное напряжение стабилизации (1 400 В)

2. Минимальный 1_{ст мин} и максимальный 1_{ст макс} токи стабилизации

3. Дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Разновидностью стабилитронов являются стабисторы, работаю­щие на прямом участке ВАХ, что позволяем обеспечивать стабилизацию малых напряжений в диапазоне от О,35 В до 2 В.

На основе диода, стабилитрона, стабистора можно создавать ком­бинированные схемы с требуемыми характеристиками. Например:

 

Буква «В».

Варикап предназначен для использования в качестве электрически управляемой емкости. Принцип работы варикапа основан на использовании зависимости емкости электрического перехода от напряжения. Электриче­ский переход варикапа может иметь сложную структур) типа р — n — n или p — i — n, МДП и другие. Емкость варикапа имеет максимальное значение при низком напряжении и минимальное при высоком. Варикапы применяют для осуществления частотной и амплитудной модуляции, в схемах автопод­стройки частоты, для перестройки резонансной частоты контура. В СВЧ диапазоне варикапы называются варакторами. Варикапы имеют обозначе­ния: Д900 + цифра номера разработки + буква разновидности параметров. Или KB + 100 + цифра номера разработки + буква группы. Электрическая характеристика варикапа называется вольт-фарадной характеристикой.

 

 

Самостоятельная работа.

Определение параметров диодов по ВАХ. Плоскостные и точечные диоды. Диод Шотки.

Рекомендуемая литература для самостоятельной проработки Ф.И. Вайсбурд и др. Электронные приборы и усилители. М КомКнига 2007 стр.41-59.

Тема 1.3. Биполярные транзисторы.

Транзистором называют электропреобразовательный полупроводни­ковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, при­годный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действии транзисторы разделяются на два больших класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных тран­зисторах физические процессы определяются движением носителей зарядов обоих знаков - как основных так и неосновных. В полевых используется движение носителя одного знака (основной носитель заряда).

В технической документации биполярные транзисторы изображаются в соответствии с требованиями ГОСТ 230 - 73 рис.20.

Биполярный транзистор содержит три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости n - р - n или р - n - р, которые соответственно называются: эмиттер, база, коллектор. Эти области разделе­ны двумя взаимодействующими между собой р - n переходами: эмиттерным и коллекторным. Взаимодействие между переходами обеспечивается благо­даря тому, что расстояние между ними (т. е. толщина базы) много меньше диффузионной длины пробега неосновных носителей в базе. К полупровод­никовым областям подведены омические контакты и внешние выводы. Не­обходимо отметить, что в зависимости от полярности подаваемых на выводы транзистора напряжений, транзистор может работать в трех режимах:

при работе в активном режиме на эмиттерном переходе прямое напря­жение, на коллекторном - обратное;

в режиме отсечки, (или запирания) - на обоих переходах - обратное напряжение;

в режиме насыщения - на обоих переходах прямое напряжение.

С точки зрения физических процессов работа транзистора основана на двух явлениях:

1. инжекция - введение с помощью вспомогательного (третьего) электрода электронов или дырок в обедненный слой р - n перехода, к кото­рому приложено обратное напряжение;

2. экстракция - извлечение, удаление, явление обратное инжекции, заключающееся в вытягивании носителей заряда из объема полупроводника.

Принцип работы биполярного транзистора рассмотрим на примере структуры n - р - n рис.21.

 

 

В активном режиме при подаче UK коллекторный переход смещается и обратном направлении, и через него течет небольшой ток IК0 - обратный ток коллектора. При подаче U„ происходит прямое смещение эмиттерного перехода и течет ток эмиттера за счет диффузии электронов (и дырок), т.е. При этом Iэп » Iэр по той причине, что область базы в транзисто­рах делается менее легированной примесями и имеет соответственно мень­шую концентрацию основных носителей, т.е. дырок. Из этого следует также,

что область базы наиболее высокоомная область в транзисторе. Отношение тока основных носителей к полному току эмиттера:

и называется коэффициентом инжекции.

и называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Этот коэффициент показывает, какая часть тока эмиттера замыкается через коллектор, следовательно, остальная часть замыкается через область базы. Тогда:

Инжектированные из эмиттера в базу электроны смещаются в на­правлении коллектора, т.к. область базы очень тонкая. Приближаясь к кол­лекторному переходу электроны как неосновные носители переходят из базы в коллектор за счет явления экстракции, так как попадают в ускоряющее поле +U_K. Некоторое количество электронов успевает рекомбинировать в области базы, т.е.

называется статическим коэффициентом передачи тока базы.

В целом при работе транзистора в активном режиме происходят сле­дующие процессы. Под влиянием приложенного в прямом направлении на­пряжения в области эмиттер-база потенциальный барьер понижается, и на­чинается диффузия электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер, через переход течет ток. К коллекторному переходу включено напряжение в обратном направлении и на коллекторном переходе имеется высокий потен­циальный барьер, поэтому затруднен ток дырок в коллектор и электронов из коллектора в базу. В то же время электроны, поступающие из эмиттера в базу

становятся там неосновными носителями. Их концентрация в базе пре­вышает возможное количество рекомбинаций, так как база менее легирована и большая часть электронов достигает коллекторного перехода, так как база выполняется достаточно тонкой. На границе коллекторного перехода элек­троны попадают в сильное ускоряющее поле за счет ЭДС источника и уходят через омические контакты во внешнюю цепь. В то же время из внешней цепи источника электроны поступают в область эмиттера в количестве, компенси­рующем их уход из коллектора.

В транзисторе р-n-р в этом случае в коллекторном переходе пре­обладает ток дырок, которые компенсируются поступающими из внешней цепи электронами.

В зависимости от технологии изготовления транзисторов концентра­ция примесей в областях р и n может быть распределена равномерно во всем объеме области или неравномерно. При равномерном распределении внут­реннее электрическое поле отсутствует (нет градиента примесей). В этом случае неосновные носители, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называются диффузионными.

При неравномерном распределении концентраций р примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле и неосновные носители в ней дви­жутся в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф является преобла­дающим. Такие транзисторы называются дрейфовыми.

У обоих типов транзисторов область базы является более высокоомной и достаточно тонкой с тем, чтобы ее ширина была много меньше диффу­зионной длины L; как правило, ширина базы выбирается в пределах:

W «0,2L

Как уже отмечалось ранее, транзистор может работать в трех различ­ных режимах и, как любой р - n переход, может изменять свои геометриче­ские и электрические параметры под действием приложенного прямого или обратного напряжения.

Три схемы включения транзистора. В зависимости от того, какой электрод является общим для входного и выходного сигналов различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).