Виды проводимости
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками. В современных полупроводниковых приборах широко используется такие полупроводники, как германий, кремний, селен, арсенид галлия и др.
Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников сильно зависит от количества примесей в полупроводников сильно зависит о таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.
Принципы работы полупроводниковых диодов и транзисторов связаны с тем, что в полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же, как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеется электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловой движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током. Полупроводники обладают также дырочной электропроводимостью, которая не наблюдается в металлах. Отсутствие электрона в атоме полупроводника, т.е. наличие в атоме положительного заряда, назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовывалось свободное место. Дырки ведут как элементарные положительные заряды.
Электронно-дырочный переход
Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или р-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.
Пусть внешнее напряжение отсутствует (рис.1). Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Как и в любом другом случае диффузии, на пример наблюдающейся в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где их концентрация мала. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение носителей показано на рисунке 1 сплошными стрелками. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух проводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в области p возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами. На рисунке1 для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.
Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов U = и электрическое поле. Направление вектора напряженности этого поля Е показано на рисунке1.Перемещение неосновных носителей зарядов под действие поля, называемое дрейфом носителей. Каждую секунду через границу в противоположных направления диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.
Перемещение носителей за счет диффузии называют диффузным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.
Полупроводниковый диод.
Электронно-дырочный переход представляет собой полупроводниковый диод.
Нелинейные свойства диода видны при рассмотрении его вольтамперной характеристики. Пример такой характеристики для диода небольшое мощности дан на рис.2. Она показывает что прямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не выше десятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни
миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а R соответственно снижается до единиц ом и меньше.
Участок характеристики для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе, что и сделано на рисунке выше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы или десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен килоом и больше.
Полупроводниковые диоды подразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные, плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.
Точечные диоды имеют малую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.
Основой точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния.
Поликристаллические диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисные (купроксные) и титановые.
Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка(игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электоропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс наз. формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. В последнее время появились еще так называемые микро плоскостные или
микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б).
Плоскостные диоды изготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.
Область с электропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежли основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмитером. К основной пластинке германия и к индию припаиваются выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмитерная область n-типа.
Следует отметить, что сплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые p-n переходы, в которых толщина области изменения концентраци примесей значительно меньше толщины области объёмных зарядов, существующих в переходе.
Типы диодов.
По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.
Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток(допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.
Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.
Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц.
Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.
Транзистор.
Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность- таковы преимущества, благодаря которым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы.
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n (рисунок 5). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том же рисунки. В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.
Трехслойная транзисторная структура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которой выполняется и двухслойная структура проводниковых диодов. Трехслойная транзисторная структура типа p-n-p, выполненная по сплавной технологии Пластина полупроводника n-типа является основанием, базой конструкции. Два наружных p-слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении с соответствующим материалом. Один из слоев называется эмитерным, а другой- коллекторным. Так же называются и p-n-переходы создаваемые этими слоями со слоем базы, а также внешние выводы от этих слоев.
Функция эмиттерного перехода – инжектирование (эмитирование) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобы носители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящий через базу, полнее собирались коллектором, площадь коллекторного перехода.
В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заряда, проходящий через базу: в приборах типа p-n-p –
это дырки, в приборах типа n-p-n –это электроны
Полупроводниковая структура транзистора типов p-n-p и n-p-n
Существуют три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), и общим коллектором (ОК). Различие в способах включения зависит от того, какой из выводов транзистора является общим для входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепей является база, в схеме ОЭ- эмиттер, в схеме ОК – коллектор.
В силу того, что статические характеристики транзистора в схемах ОЭ или ОК примерно одинаковы, рассматриваются характеристики только для двух способов включения: ОБ или ОЭ.
Представление транзистора схемой замещения (эквивалентной схемой) необходимо для проведения расчетов цепей с транзисторами. Особый интерес представляет схема замещения в физических параметрах, в которых все ее элементы связаны с внутренними (физическими) параметрами транзистора. Использование такой схемы замещения создает удобство и наглядность при анализе влияния параметров прибора на показатели схем с транзисторами.
Ниже рассматриваются схемы замещения транзисторов ОБ и ОЭ для переменных составляющих токов и напряжений применительно к расчету схем с транзисторами, работающими в усилительном режиме, в частности усилительных каскадов. Такие схемы замещения справедливы для линейных участков входных и выходных характеристик транзистора, при которых параметры транзистора можно считать неизменными. В этом случае используют так называемые дифференциальные параметры транзистора, относящиеся к небольшим приращениям напряжения и тока. Наиболее точно структуру транзистора при этом отображает Т-образная схема замещения.
Т-образная схема замещения транзистора ОБ показана на рисунке ниже, По аналогии со структурой транзистора она представляет собой сочетание двух контуров: левого, относящегося к входной цепи (эмиттер -база), и правого, относящегося к выходной цепи (коллектор -база). Общим для обоих контуров является цепью базы с сопротивлением r.
Литература:
1. И. П. Жеребцов “Основы электроники”
2. Ю.С. Забродин “Промышленная электроника”
3. И.М. Викулин “Физика полупроводниковых приборов”