Лекция Полупроводниковые диоды и транзисторы. Тиристоры. Полупроводниковые резисторы
Полупроводниковый диод – двухполюсный прибор, имеющий один p–n-переход. По функциональному назначению диоды делят на две группы: выпрямительные и специальные. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В специальных типах полупроводниковых диодов используют различные свойства p–n-перехода: явление пробоя, барьерную емкость перехода и т. д.
Упрощенная структура диода показана на рис. 10.7, а, а его условное графическое изображение – на рис. 10.7, б. Электрод диода, подключенный к p-области, называют анодом (А), а электрод, подключенный к n-области – катодом (К). Эти названия заимствованы у вакуумных диодов. Если анод положителен по отношению к катоду, то на диод подано прямое смещение; ток диода при этом называют прямым. При обратном смещении катод более положителен, чем анод. Обратный ток при этом ограничен малым током насыщения.
Как правило, полупроводниковые диоды выполняют на основе несимметричных p–n-переходов. В этом случае в одной из областей концентрация примеси, определяющей вид проводимости, значительно больше, чем в другой области. Область с высокой концентрацией примеси называют эмиттером. Функции эмиттера может выполнять как катод, так и анод. Область с низкой концентрацией примесей называют базой. База имеет значительно большее объемное сопротивление, чем эмиттер.
Идеальная ВАХ диода представлена на графике (10.8). Величина обратного тока I0 зависит от типа полупроводника и размеров диода. Для маломощных приборов ток I0 имеет порядок 10-15 А. Обратный ток кремниевых диодов на 1–2 порядка меньше, чем германиевых. Кроме того, обратный ток диода зависит от температуры. У кремниевых диодов он удваивается при увеличении температуры приблизительно на 7 °С. На практике считают, что обратный ток кремниевых диодов увеличивается в 2,5 раза при увеличении температуры на каждые 10 °С.
Рис 10.8
Прямая ветвь ВАХ диода отличается от идеальной из-за рекомбинации электронов и дырок в p–n-переходе, падения напряжения на базе. Уравнение ВАХ p–n-перехода с учетом падения напряжения на базе имеет вид
Специальные типы диодов.
Стабилитроны. Стабилитроном называют полупроводниковый диод, работающий в режиме управляемого лавинного пробоя. В зависимости от удельного сопротивления базы в стабилитроне может иметь место и туннельный, и лавинный, и смешанный пробой.
Стабилитроны изготавливают из кремния, обеспечивающего необходимую форму вольт-амперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как электрический пробой у них легко переходит в тепловой.
Условное графическое изображение стабилитрона и его вольтамперная характеристика показаны на рис. 10.9.
Прямая ветвь ВАХ стабилитрона имеет такой же вид, как и у типичного кремниевого диода. У стабилитронов рабочей является обратная ветвь ВАХ. Она имеет излом и вслед за ним – круто падающий линейный участок. Поэтому при изменении тока в широких пределах напряжение на приборе практически не изменяется. Это свойство стабилитрона позволяет использовать его в качестве стабилизатора напряжения.
Рис.10.9
Поскольку электрический пробой наступает при сравнительно низком обратном напряжении, мощность, выделяющаяся в p–n-переходе, будет небольшой, что предохраняет переход от теплового (необратимого) пробоя. Ток стабилитрона колеблется в пределах от единиц миллиампер до нескольких ампер. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя p–n-перехода, лежит в пределах от единиц до нескольких десятков вольт.
Основное применение кремниевых стабилитронов – стабилизация напряжения.
Диоды Шоттки. Диоды с барьером Шоттки (диоды Шоттки) названы по имени немецкого ученого В. Шоттки. В диодах этого типа используется переход металл – полупроводник. Этот переход ведет себя как диод; проводит электрический ток в одном направлении (от металлического анода к полупроводниковому катоду) и действует как разомкнутая цепь в другом направлении. Инжекция неосновных носителей в базу в таких диодах отсутствует, так как ток образуется только электронами, движущимися из кремния в металл. По этой причине у диодов Шоттки отсутствует накопление зарядов в базе и время переключения значительно меньше, чем кремниевого диода. Другая важная особенность барьера Шоттки – меньшее прямое напряжение, чем прямое напряжение кремниевого p–n-перехода. Условное графическое обозначение диода Шоттки показано на рис. 10.10.
Рис. 10.10
Диоды Шоттки находят применение в логических элементах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛШ), в схемах высокочастотных выпрямителей и т. д.
Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, инвертирования, преобразования электрических сигналов, а также переключения электрических импульсов в электронных цепях различных устройств. Различают биполярные транзисторы, в которых используются кристаллы n- и p- типа, и полевые (униполярные) транзисторы, изготовленные на кристалле германия или кремния с одним типом проводимости.
Биполярные транзисторы
Биполярные транзисторы — это полупроводниковые приборы, выполненные на кристаллах со структурой p-n-p- типа (а) или n-p-n -типа (б) с тремя выводами, связанными с тремя слоями (областями): коллектор (К), база (Б) и эмиттер (Э) (рис. 20).
Рисунок 20- Биполярные транзисторы: а) структура p-n-p- типа; б) структура n-p-n -типа
База Б — это средний тонкий слой, служащий для смещения эмиттерного и коллекторного переходов. Толщина базы должна быть меньше длины свободного пробега носителей заряда. Эмиттер Э — наружный слой, источник носителей заряда с высокой концентрацией носителей, значительно большей, чем в базе. Второй наружный слой К, принимающий носителей заряда, называют коллектором.
Ток в таком транзисторе определяется движением зарядов двух типов: электронов и дырок. Отсюда его название — биполярный транзистор.
Физические процессы в транзисторах p-n-p- типа и n-p-n- типа одинаковы. Отличие их в том, что токи в базах транзисторов p-n-p- типа переносятся основными носителями зарядов — дырками, а в транзисторах n-p-n -типа — электронами.
Каждый из переходов транзистора — эмиттерный (Б-Э) и коллекторный (Б-К) можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают три режима работы транзистора:
· режим отсечки — оба p-n- перехода закрыты, при этом через транзистор протекает сравнительно небольшой ток I 0, обусловленный неосновными носителями зарядов;
· режим насыщения — оба p-n -перехода открыты;
· активный режим — один из p-n -переходов открыт, а другой закрыт.
В режимах отсечки и насыщения управление транзистором практически отсутствует. В активном режиме транзистор выполняет функцию активного элемента электрических схем усиления сигналов, генерирования колебаний, переключения и т. п.
Если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном обратное, то такое включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности напряжений — инверсным.
Подав отрицательный потенциал ЭДС источника на коллектор и положительный на эмиттер (рис. 21) в схеме включения транзистора с общим эмиттером, мы, тем самым, открыли эмиттерный переход Э - Б и закрыли коллекторный Б - К, при этом ток коллектора I К0 = I Э0 = I 0 мал, он определяется концентрацией неосновных носителей (электронов в данном случае). Если между эмиттером и базой приложить небольшое напряжение (0,3-0,5 В) в прямом направлении p-n -перехода Э - Б, то происходит инжекция дырок из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера - I. В базе дырки частично рекомбинируют со свободными электронами, но одновременно от внешнего источника напряжения Е Б (Е Б < Е R) в базу приходят новые электроны, образуя ток базы I Б.
Рисунок 21-Схема включения биполярного транзистора
Так как база в транзисторе выполняется в виде тонкого слоя, то только незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами базы, а основная их часть достигает коллекторного перехода. Эти дырки захватываются электрическим полем коллекторного перехода, являющегося ускоряющим для дырок. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через резистор RK и источник напряжения с ЭДС ЕK, образуя ток коллектора I К во внешней цепи.
Запишем соотношение токов в схеме включения транзистора (рис. 21), называемой схемой включения с общим эмиттером (ОЭ),
Отношение тока коллектора к току эмиттера называют коэффициентом передачи тока
откуда ток базы
Схема включения транзистора с ОЭ является наиболее распространенной вследствие малого тока базы во входной цепи и усиления входного сигнала как по напряжению, так и по току. Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным их влиянием друг на друга.
Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.
Семейства входных
и выходных
статических характеристик транзистора в схеме с ОЭ представлены на рис. 22. Они могут быть получены в результате эксперимента или расчёта.
Рисунок 22 - Семейства входных и выходных статических характеристик
Семейства характеристик, которые связывают напряжения и токи на выходе с токами и напряжениями на входе, называют характеристиками передачи или управляющими характеристиками (рис 23).
Рисунок 23-Характеристика передачи
Биполярные транзисторы классифицируют:
· по мощности рассеяния (маломощные (до 0,3 Вт), средней мощности (от 0,3 Вт до 1,5 Вт) и мощные (свыше 1,5 Вт));
· по частотным свойствам (низкочастотные (до 3 МГц), средней частоты (3_30 МГц), высокой (30_300 МГц) и сверхвысокой частоты (более 300 МГц));
· по назначению: универсальные, усилительные, генераторные, переключательные и импульсные.
При маркировке биполярных транзисторов вначале записывают букву или цифру, указывающую на исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германиевый, К или 2 — кремниевый; затем цифру от 1 до 9 (1, 2 или 3 — низкочастотные, 4, 5 или 6 — высокой частоты, 7, 8 или 9 — сверхвысокой частоты соответственно в каждой группе малой, средней или большой мощности). Следующие две цифры от 01 до 99 —порядковый номер разработки, а в конце буква (от А и выше) указывает на параметрическую группу прибора, например, на напряжение питания транзистора и т. п.
Например, транзистор ГТ109Г: низкочастотный германиевый, малой мощности с коэффициентом передачи тока h 21 Э = 100_250, UК = 6 В, IК = 20 мА (ток постоянный).
Полевой транзистор
Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) через полупроводниковый канал п- или р -типа управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И).
Полевые транзисторы изготавливают:
- с управляющим затвором типа p-n-перехода для использования в высокочастотных (до 12_18 ГГц) преобразовательных устройствах. Условное их обозначение на схемах приведено на рис. 24, а, б;
- с изолированным (слоем диэлектрика) затвором для использования в устройствах, работающих с частотой до 1_2 ГГц. Их изготавливают или со встроенным каналом в виде МДП_структуры (см. их условное обозначение на рис. 24, в и г), или с индуцированным каналом в виде МОП_структуры (см. их условное обозначение на рис. 24, д, е).
Рисунок 24-Виды полевых транзисторов
Схема включения полевого транзистора с затвором типа p-n- перехода и каналом n -типа, его семейство выходных характеристик IС = f (UС), UЗ = const и стокозатворная характеристика IC = f (UЗ), UС = const изображены на рис. 25.
Рисунок 25 - Схема включения полевого транзистора и его стокозатворной характеристикой
При подключении выходов стока С и истока И к источнику питания Un по каналу n - типа протекает ток IC, так как p-n- переход не перекрывает сечение канала (рис. 25, а).
При этом электрод, из которого в канал входят носители заряда, называют истоком, а электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком.
Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором. С увеличением обратного напряжения UЗ уменьшается сечение канала, его сопротивление увеличивается, и уменьшается ток стока IC.
Итак, управление током стока IC происходит при подаче обратного напряжения на p-n -переход затвора З. В связи с малостью обратных токов в цепи затвор-исток, мощность, необходимая для управления током стока, оказывается ничтожно малой.
При напряжении -UЗ = -UЗО, называемым напряжением отсечки, сечение канала полностью перекрывается обеднённым носителями заряда барьерным слоем, и ток стока ICО (ток отсечки) определяется неосновными носителями заряда p-n -перехода (см. рис. 25, б).
Схематичная структура полевого транзистора с индуцированным n- каналом представлена на рис 26. При напряжении на затворе относительно истока, равным нулю, и при наличии напряжения на стоке, ток стока оказывается ничтожно малым. Заметный ток стока появляется только при подаче на затвор напряжения положительной полярности относительно истока, больше так называемого порогового напряжения UЗПОР.
Рисунок 26-Схематичная структура полевого транзистора с индуцированным n-каналом
При этом в результате проникновения электрического поля через диэлектрический слой в полупроводник при напряжениях на затворе, больших UЗПОР, у поверхности полупроводника под затвором возникает инверсный слой, который и является каналом, соединяющим исток со стоком.
Толщина и поперечное сечение канала изменяются с изменением напряжения на затворе, соответственно будет изменяться ток стока. Так происходит управление тока стока в полевом транзисторе с индуцированным затвором. Важнейшей особенностью полевых транзисторов является высокое входное сопротивление (порядка нескольких мегаом) и малый входной ток. Одним из основных параметров полевых транзисторов является крутизна S стоко-затворной характеристики (см. рис. 25, в). Например, для полевого транзистора типа КП103Ж S = (3...5) мА/В.