полупроводниковых приборов 1 глава

 

К специальным полупроводниковым диодам относятся приборы, в которых используются особые свойства p-n переходов [1,3,5]. Некоторые из них мы рассмотрим далее.

Стабилитроны - это полупроводниковые диоды, работающие в режиме лавинного пробоя. При обратном смещении полупроводникового диода возникает электрический лавинный пробой p-n перехода. При этом в широком диапазоне изменения тока через диод напряжение на нем меняется очень незначительно. Для ограничения тока через стабилитрон последовательно с ним включают сопротивление R₁. Если в режиме пробоя мощность, расходуемая в диоде, не превышает предельно допустимую, то в таком режиме стабилитрон может работать не ограниченно долго. На рис.2.1,а показано схематическое изображение стабилитронов, а на рис.2.1,б приведены их вольтамперные характеристики.

Напряжение стабилизации стабилитронов зависит от температуры. На рис. 2.1,б штриховой линией показано перемещение вольтампер­ных характеристик при увеличении температуры. Очевидно, что по­вышение температуры увеличивает напряжение лавинного пробоя при U_ст >5В и уменьшает его при U_ст <5B. Иначе говоря, стабили­тро­ны с напряжением стабилизации больше 5В имеют положительный температурный коэффициент напряжения (ТКН), а при U_ст <5В ― отрицательный. При U_ст = 6...5В ТКН близок к нулю.

 

Рис.2.1. Изображение стабилитронов (а)

и их вольтамперные характеристики (б)

 

Иногда для стабилизации напря­жения используют прямое падение напряжение на диоде. Такие прибо­ры в отличие от стабилитронов на­зывают стабисторами. В области прямого смещения p-n перехода на­пряжение на нем имеет значение 0,7...2В и мало зависит от тока. В связи с этим стабисторы позволяют стабилизировать только ма­лые напряжения (не более 2В). Для огра­ничения тока через стабис­тор по­cледовательно с ним также включа­ют сопротивление R₁. В от­личие от стабилитронов при увеличении температуры напряжение на стабис­торе уменьшается, так как прямое напряжение на диоде имеет отри­цательный ТКН. Схема включения стабилитрона приведена на рис. 2.2,а, а стабистора ― на рис. 2.2,б.

 

Рис.2.2. Схемы

включения стабилитрона (а) и

стабистора (б)

 

Основными параметрами стабилитронов являются:

- напряжение стабилизации U_ст;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКН_ст;

- допустимый ток через стабилитрон I_ст.доп;

-дифференциальное сопротивление стабилитрона r_диф.

Кроме того, для импульсных стабилитронов нормируется время включения стабилитрона t_вкл, а для двухсторонних стабилитронов нормируется несимметричность напряжений стабилизации

DU_ст=U_ст1-U_ст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона ― это параметр, который характеризует наклон вольтамперной характеристики в области пробоя. На рис.2.3,а приведена линеаризованная характеристика стабилитрона, с помощью которой можно определить его дифференциальное сопротивление и построить схему замещения, приведенную на рис.2.3,б.

 

Рис.2.3. Линеаризированная характеристика

стабилитрона (а) и его схема замещения (б)

 

Используя приведенную на рис.2.3,б схему замещения, можно рассчитать простейший стабилизатор напряжения, изображенный на рис.2.4,а. Заменяя стабилитрон его схемой замещения, получим расчетную схему, изображенную на рис. 2.4,б. Для этой схемы можно написать систему уравнений (2.1), определяющую напряжения и токи в цепи:

Рис.2.4. Схема простейшего

стабилизатора напряжения (а)

и схема его замещения (б)

 

. (2.1)

В результате решения системы уравнений (2.1) получим напряжение на выходе стабилизатора

, (2.2)

где - ток нагрузки.

Подставив значение I _н, получим окончательно

. (2.3)

Из выражения (2.3) следует, что выходное напряжение стабили­­затора зависит от напряжения на входе стабилизатора U_вх, сопротивлений нагрузки R_н и ограничения тока R₁, а также от параметров стабилитрона U_ст и r_диф..

Условное обозначение стабилитрона включает: материал полупроводника (К ― кремний); обозначение подкласса стабилитронов (букву С); цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации, и букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например, стабилитрон КС 168А соответствует маломощному стабилитрону (ток менее 0,3 А) с напряжением стабилизации 6,8В, в металлическом корпусе. Кроме стабилизации напряжения стабилитроны также используются для ограничения импульсов напряжения и в схемах защиты различных элементов от повышения напряжения на них.

Напряжение стабилизации U_ст в зависимости от типа стабилитрона лежит в пределах от единиц до сотен вольт, а ток - от единиц мА до единиц А. Выходные мощности стабилитронов:

P_max <0.3Вт; 0.3Вт< P_max <5Вт; P_max >5Вт

малой средней большой

Точечные диоды. Диффузионная технология нашла наибольшее применение при изготовлении кремниевых диодов средней и большей мощности. Исходным материалом является кремний п -типа. Для создания р -слоя используют диффузию акцепторного элемента через поверхность исходного материала. Диффузия может производиться из трех состояний акцепторного вещества: твердого, жидкого или газообразного. При диффузионном методе достигаются достаточная точность глубины р -слоя и концентрации примеси в нем, что важно для получения требуемых материалов диодов.

В зависимости от технологических процессов, использованных при изготовлении полупроводниковых диодов, различают точечные диоды, сплавные диоды и диоды с диффузионной базой.

По площади или конструктивным признакам их подразделяют на

точечные, плоскостные, планарные, мезадиоды, диоды Шотки.

Диоды с барьером Шотки. Для выпрямления малых напряжений высокой частоты широко используются диоды с барьером Шотки (ДШ). В этих диодах вместо p-n перехода используется контакт металлической поверхности с полупроводником. В месте контакта возникают обедненные носителями заряда слои полупроводника, которые называются запорными. Диоды с барьером Шотки отличаются от диодов с p-n переходом по следующим параметрам:

• более низкое прямое падение напряжения;

• имеют более низкое обратное напряжение;

• более высокий ток утечки;

- почти полностью отсутствует заряд обратного восстановления.

Две основные характеристики делают эти диоды незаменимыми при проектировании низковольтных высокочастотных выпрямителей: малое прямое падение напряжения и малое время восстановления обратного напряжения. Кроме того, отсутствие неосновных носителей, требующих времени на обратное восстановление, означает физическое отсутствие потерь на переключение самого диода.

В диодах с барьером Шотки прямое падение напряжения является функцией обратного напряжения. Максимальное напряжение современных диодов Шотки составляет около 150В. При этом прямое падение напряжения ДШ меньше прямого падения напряжения диодов с p-n переходом на 0,2...0,3В.

Преимущества диода Шотки становятся особенно заметными при выпрямлении малых напряжений. Например, 45-вольтный диод Шотки имеет прямое напряжение 0,4...0,6В, а при том же токе диод с p-n переходом имеет падение напряжения 0,5... 1,0В. При понижении обратного напряжения до 15В прямое напряжение уменьшается до 0,3...0,4В. В среднем применение диодов Шотки в выпрямителе позволяет уменьшить потери примерно на 10...15%.

Так как в диодах Шотки заряд переносится основными носителями, то в них отсутствует неравномерность распределения носителей, снижающая скорость перехода диода из открытого состояния в закрытое. Следовательно, диод Шотки менее инерционны, чем диоды, построенные на р-п переходах. С = 0.01пф, f =5-250ГГц.

 

По функциональному назначению диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды, магнитодиоды и т.д.

Выпрямительные диоды. К ним относятся диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. К емкости р-п перехода, к быстродействию и стабильности параметров таких диодов не предъявляют специальных требований (f =50Гц-100кГц).

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных р-п переходов. Для выпрямительных диодов характерно малое сопротивление в проводящем состоянии и возможность пропускать большие токи.

Барьерная емкость из-за большой площади р-п перехода велика и достигает значений десятков пикофарад.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- допустимое обратное напряжение диода U_{обр.д .} - значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

- средний прямой ток диода I_ср - максимально допустимое значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

- максимально допустимый импульсный ток I_max - ток при заданной максимальной длительности импульса;

- обратный ток диода - среднее значение обратного тока;

- прямое напряжение на диоде U_пр – падение напряжения при среднем значении прямого тока;

- мощность, рассеиваемая на диоде, P_д - средняя мощность, рассеиваемая диодом при протекании тока в прямом и обратном направлениях;

- дифференциальное сопротивление диода r_д - отношение приращения напряжения на диоде к вызвавшему его приращению тока.

Германиевые диоды могут быть использованы при температурах, не превышающих 70 – 80^оС, а кремниевые 120 – 150^оС. Нижний порог температур – 60^оС. Кроме этого, преимуществом кремниевых ди­одов являются малые обратные токи, большие допустимые обратные напряжения (2500-3500 В). Преимуществом германиевых диодов является малое падение напряжения при пропускании прямого тока (0,2 - 0,6В против 0,8 - 1,2В у кремниевых). По величине прямого тока эти диоды делятся на диоды малой мощности, средней мощности и большой мощности. I_пр <0.3А; 0.3А< I_пр <10А; I_пр >10А - (силовые).

Импульсные диоды. Этидиоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях. От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями р-п перехода (доли пикофарад). Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади р-п перехода, поэтому допустимые мощности рассеивания у них невелики (до 10 мВт). F_в до 600 МГц.

Основными параметрами импульсных диодов (в дополнение к перечисленным параметрам выпрямительных диодов) являются:

- емкости диода С_д;

- максимальное импульсное прямое напряжение U_пр.м;

- максимальный импульсный ток I_max;

- время установления прямого напряжения диода t_д. Оно характеризуется скоростью диффузии инжектированных в базу неосновных носителей заряда, в результате чего меняется ее сопротивление;

- время восстановления обратного сопротивления диода t_в. Время восстановления определяют как промежуток времени, прошедший с момента изменения полярности напряжения до момента, когда обратный ток уменьшится до 0,1 I_пр прямого тока, - единицы мкс.

Наличие времени восстановления обусловлено зарядом неосновных носителей, накопленном в базе диода при инжекции. Для закрывания диода этот заряд должен быть ликвидирован. Это происходит за счет рекомбинаций и обратного перехода неосновных носителей заряда в эмиттер, что приводит к увеличению обратного тока.

Варикапы. Ширина электронно-дырочного перехода и его барьерная емкость зависят от приложенного к нему напряжения.

Варикап - это полупроводниковый диод, предназначенный для использования в качестве управляемой электрическим напряжением ёмкости.

Варикап работает при обратном напряжении, приложенном к р-п переходу. Его емкость меняется в широких пределах, а ее значение определяется формулой

,

где C(0) - емкость при нулевом напряжении на диоде;

φ_o - контактная разность потенциалов;

U - приложенное обратное напряжение;

n = 2 для резких переходов, n = 3 для плавных переходов;

 

Рис.2.5.Эвивалентная схема варикапа (а) и его

условное обозначение (б):

r_пер - сопротивление запертого р-п перехода;

L_в - индуктивность выводов;

r_б - омическое сопротивление базы

Основными параметрами варикапов (рис.2.5) являются:

общая емкость С_в - емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении;

коэффициент перекрытия по емкости К_с = С_{в max}/C_{в min},

сопротивление потерь r_n - суммарное активное сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов;

добротность Q_в - отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте к сопротивлению потерь при заданном обратном напряжении Q_в=X_c/r_n;

температурный коэффициент a_c - отношение относительного изменения емкости к изменению температуры, a_c =dC_в/(С_в dТ).

Туннельные диоды. Туннельным называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через р-п -переход и вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

На ВАХ туннельного диода (рис.2.6) можно выделить три участка: участок 0 - 1 соответствует U<U₁ и ток определяется дрейфом носителей заряда через р-п -переход; участок 1- 2, имеющий отрицательное дифференциальное сопротивление, характеризуется в основном туннельным током; участок 2 - 3 характеризуется диффузионным током.

Для получения туннельных диодов используют материалы с очень высокой концентрацией примесей в р- и п - областях. В итоге энергетические уровни примесных атомов расщепляются в зоны, которые перекрываются с соответствующими основными зонами областей р и п.

Рис. 2.6. ВАХ туннельного

диода (а) и его условное

изо­бражение (б)

 

Основные параметры:

- ток максимума I_max;

- ток минимума I_min;

- напряжения, соответ­ствующие I_max - U₁; I_min - U₂;

- наибольший прямой ток и напряжение, соответствующее ему;

- наибольший ток обратный и соответствующее ему напряжение;

- емкость диода.

Туннельные диоды используют в переключающих цепях сверхвысокого быстродействия и генераторах порядка 1000 МГц, туннельный эффект не инерционен.

Фотодиоды - это полупро­водниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности. Конструктивно фотодиод выполнен следующим образом: кристалл п -типа, в котором в одной из граней созидается область р -типа. Области имеют выводы. Вся система заключается в корпус, в котором имеется окошко, пропускающее световой поток.

Рис. 2.8. Условное изображение фотодиода

 

При отсутствии освещенности ВАХ фото­­­диода имеет такой же вид, как ВАХ обычного диода. Обратный ток фотодиода при отсутствии освещенности называется тепловым током.

 

Рис.2.9. Работа фотодиода в преобразовательном

режиме
При действии светового потока в базе диода происходит световая генерация подвижных носителей заряда. Образуются пары таких носителей: электрон - дырка, что приводит к росту концентрации неосновных носителей. Приращение обратного тока за счет воздействия светового потока называется фототоком.

 

Режим работы фотодиода при дей­­­ствии на него обратного напряжения на­зывается преобразовательным ре­жи­­мом работы. Это режим характери­зу­ется параметрами левой полуплос­ко­сти графика ВАХ фотодиода (рис.2.10.).

 

Рис.2.10. ВАХ фотодиода

 

Аналитическое выражение ВАХ фотодиода:

.

Если подается обратное напряжение U<0, то I→(-I_o-I_ф).

Если разомкнуть внешнюю цепь и подвергнуть фотодиод световому воздействию, то I=0. Под действием внутреннего поля р-п- перехода неосновные носители будут переходить в р -область, а основные - в п -область, образуя отрицательные заряды. На выводах фотодиода возникает разность потенциала, которая называется фотоЭДС.

Рис. 2.11. Условное обозначение

фотодиода

 

Чем больше световой поток, тем боль­ше величина фотоЭДС. Под действием светового потока создается фототок, а за счет него и возникает фотоЭДС, создающая ток I=I_ф, но

, .

Рис. 2.12. Фотодиод в генераторном режиме

 

Режим работы при отсутствии источника во внешней цепи называется генераторным (рис.2.12). Если это генератор, то можно подключать нагрузку. Ток, протекающий через нагрузку, создает падение напряжения на ней.

Падение напряжения на нагрузке приводит к уменьшению прямого тока через фотодиод. Результирующая разность потенциалов между анодом и катодом уменьшится. Чем меньше будет сопротивление нагрузки, тем больше по абсолютной величине будет обратный ток, протекающий через фотодиод, и тем меньше будет напряжение на нагрузке.

Преобразовательный режим имеет практически линейную характеристику.

Рис. 2.13. Энергетическая характеристика

фотодиода

 

Фотодиод неодинаково реагирует на светоизлучение с различной длиной вол­ны. Эта зависимость изображается спек­тральной харак­теристикой (рис.2.14).

Рис. 2.14. Спектральная характеристика

фотодиода

 

Чувствительность фотодиода харак­теризуется формулой

S=dI_ф/dF.

Фотодиоды имеют применение в качестве преобразователя оптического сигнала в электрический, в качестве датчиков светового потока, в качестве приемников информации, передаваемой по оптическим каналам.

Светодиод - это полупроводниковый диод, служащий для преобразования электрического сигнала в оптический.

Конструктивно похож на фотодиод: прозрачный кристалл п -типа, являющийся базой, на нем создается область р -типа, а также оптическая система, через которую идет излучение (рис.2.15).

 

Рис.2.15. Конструкция (а) и условное

изображение светодиода (б)

 

Если фотодиод изготавливают на осно­ве р -п переходов Шотки, то светодиоды изготавливают на основе обычных р-п -переходов, но в качестве исходного материала применяется карбид кремния, арсенид галлия или фосфид галлия.

ВАХ светодиода имеет такой же вид, как и ВАХ обычного диода с той особенностью, что прямое падение напряжения на светодиоде может составить несколько вольт.

При включении светодиода в прямом направлении происходит перенос неосновных носителей из одной области в другую с последующей рекомбинацией. Тут рекомбинационные электроны переходят с более высоких энергетических уровней на более низкие. Избыток энергии излучается в виде светового луча.

 

Рис. 2.16. Яркостная характеристика светодиода

 

Зависимость яркости от прямого тока изо­бражается яркостной характеристикой. Кроме того, светодиод излучает свет не одной и той же длины волны, что отражается спектральной характеристикой (рис.2.17). Яркость различных волн различна.

Диапазон излучений световых волн может находиться от инфракрасного до ультрафиолетового спектра (рис.2.17). Светодиоды применяются в устройствах индикации и устройствах отображения информации.

Рис. 2.17. Спектральные характеристики

светодиода

 

 

Прямой ток светодиода имеет опреде­ленное допустимое значение. Сопротивление нагрузки подключают для ограничения прямого тока (рис.2.18).

 

Рис. 2.18. Включение светодиода в электрическую

цепь

 

Диодные оптроны представляют собой приборы, содержащие преобразователь электрического сигнала в оптический или преобразователь оптического сигнала в электрический, служащие приемниками, между которыми существует оптический канал связи.

Рис.2.19. Диодный оптрон

 

Особенностью такой системы является то, что выходная цепь полностью электрически изо­лирована от входной цепи.

Применяется в тех случаях, когда требуется передать сигнал из одной цепи в другую, не допуская электрической связи между этими цепями.

Оптроны целесообразно применять в тех устройствах, где не допускается влияние выходной цепи на входную, т.е. не допускается обратная связь. Оптроны могут применяться в качестве устройства согласования источника сигнала и устройства обработки информации.

Система обозначения полупроводниковых диодов установлена отраслевым стандартом ОСТ 11336.919-81, а силовых полупроводниковых приборов ГОСТ 20859.1-89. 3а основу системы обозначения положен шестизначный буквенный цифровой код,

1) первый элемент которого (буква - для приборов широкого применения, цифра - для приборов, используемых в устройствах специального назначения) обозначают исходный материал, из которого изготовлен прибор.

Для обозначения исходного материала используют следующие символы:

Г или 1 - германиевый;

К или 2 - кремниевый;

А или 3 - галлий (его соединения);

И или 4 - соединения индия;

2) второй элемент - буква, определяющая подкласс приборов:

Д - диоды (выпрямительные, импульсные);

Ц2 - выпрямительные столбы и блоки;

В - варикапы;

И - туннельные диоды;

А - СВЧ диоды;

С - стабилитроны, стабисторы;

Л - излучающие оптоэлектронные приборы;

О - оптопары;

У - триодные тиристоры;

Г - генераторы шума;

3) третий элемент - цифра (или буква и цифра для оптопар) оп­ре­­деляет один из основных характеризующих прибор признаков - (параметр, назначение или принцип действия). Для каждого типа приборов в справочниках указывается и перечень этих символов;

4, 5) четвертый и пятый элементы используются для обозначения порядкового номера разработки (двузначные числа от 1 до 99);

6) шестой элемент - буква, определяющая классификацию по параметрам приборов данного типа, изготовленных по единой технологии.

Примеры обозначений:

КД215А - кремниевый выпрямительный диод;

КС156А - кремниевый стабилитрон;

КВ1О2А - кремниевый варикап и др.

Для обозначения сборок приборов между вторым и третьим элементом ставят букву С: КВС120 А.

 

Контрольные вопросы.

1. Что такое стабилитрон? Его вольтамперная характеристика и цели применения в электрических схемах? Схема замещения стабилитрона.

2. Какова цель применения стабистора в электрических схемах?

3. Схема параметрического стабилизатора постоянного тока, его работа при изменении питающего напряжения?

4. Классификация основных типов полупроводниковых диодов, характеристики и области применения каждого из них?

5. Что такое диодный оптрон, его назначение и области применения?

 

 

Лекция 3. Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих между собой p-n перехода [1,2,4,5,7]. Технология изготовления этих приборов может быть различной - сплавление, диффузия, эпитаксия, что в значительной мере определяет их характеристики. В биполярном транзисторе используются два типа носителей зарядов - электроны и дырки (отсюда и название - биполярный).

В зависимости от последовательности чередования областей с различным типом проводимости различают n-p-n транзисторы и p-n-p транзисторы. Упрощённое устройство плоскостного n-p-n транзистора приведено на рис.3.1,а, его условное обозначение – на рис.3.1,б, а схема замещения – на рис.3.1,в. Аналогичные представления для p-n-p транзистора приведены на рис.3.1,г, д, е. Средняя часть рассматри­ваемых структур называется базой, одна крайняя область – коллектором, а другая – эмитте­ром. В зависимости от поляр­но­сти напряжений, приложенных к электродам транзистора, различают следующие режимы его работы: линейный, насыщения, отсечки и инверсный.

Рис.3.1. Устройство n-p-n транзис­-

тора (а), его условное изображение (б) и схема замещения (в). Устройство p-n-p транзистора (г),

его условное изображение (д) и

схема замещения (е)

 

Принцип работы p-n-p транзистора. В активном режиме работы транзистора эмиттерный p-n-p переход включается в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

Особенностью полупроводникового транзистора является то, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерной и коллекторной областях на несколько порядков превышает концентрацию основных носителей в базе. Вторая особенность - малая ширина базы,

ко­­­торая соизмеряется с шириной запрещаю­щего слоя в эмиттерном и кол­лекторном p-n переходах.

Рис.3.2. Структура бипо-

лярного транзистора

 

Процессы в эмит­тере транзистора. При смещении эмит­тер­ного перехода в прямом направлении (рис.3.2) через него будет протекать пря­мой ток, который обусловлен инжекцией дырок из эмиттера в базу (дырочная составляющая эмиттерного тока) и встречным движением электронов из базы в эмиттер (электронная составляющая эмиттерного тока).

I_э= I_эр + I_эn; I_эр >> I_эn.

Электронная составляющая замыкается через вывод базы и источник напряжения.

- коэффициент инжекции. Его величину стремятся сделать максимально большой. Поэтому делают концентрацию дырок в эмиттере как можно больше по отношению к концентрации электронов в базе. Основная функция эмиттерного перехода - инжекция основных носителей (дырок) из эмиттера в базу.

Процессы в базе транзистора. Дырки, инжектируемые в базу, являются там неосновными носителями заряда. В результате инжекции начнет повышаться концентрация дырок в базе около эмиттерного перехода. Они будут стремиться диффундировать вглубь базы, и часть из них будет рекомбинировать с электронами (основными носителями). Нерекомбинированная часть в результате диффузии может достигать коллекторного перехода. Ширину базы делают меньше длины свободного пробега электронов, в результате время, необходимое дыркам на преодоления базы в результате диффузии, будет меньше, чем время жизни дырок. Недостаток электронов, пошедших на рекомбинацию дырок, восполняется через базовые выводы, и тем самым создается рекомбинационный базовый ток.