УСТРОЙСТВО И ПАРАМЕТРЫ ГЕРМАНИЕВЫХ ТРИОДОВ

Германиевый точечной триод состоит из монокристаллической пластинки германия с проводимостью типа п для триодов типа Cl, C2, СЗ и С4 до двух заостренных бронзовых контактных проволочек.` Обе контактные проволочки прикасаются своими остриями к одной, тщательно обработанной поверхности германиевой пластинки на рас­стоянии нескольких де­сятков микрон друг от друга, образуя два элек­тронно-дырочных перево­да.ППГ

П р о т и воп олож н а я сторона германиевой пла­стинки припаяна к мас-

CHBHOiMy металлическому_ч

основанию.

Flip юн ци п д е и стб и я точечного триода пока­зан на рис. 8. -==-Одна из контактных

проволочек (на рис. 8 Ри°* 8* ПР"Н«ИП Действия точечного триода.

слева) находится под небольшим положительным потенциалом (пропускное направление) и называется эмиттером, так как она эмигрирует (вводит) дырки в германий типа п, притягивая из него свободные электроны. В сущ­ности, эмиттер выполняет функции, аналогичные функциям катода электронной лампы. Большая часть дырок, вводимых в германий эмит­тером, притягивается ко второй проволочке — коллектору, на ко­торый подается отрицательный потенциал. При этом запорный слой р-n - перехода коллектора изменяется таким образом, что ток коллектора точечного триода значительно воз­растает. Таким образом, ток, проходящий в цепи эмиттера, управляет то­ком в цепи коллектора. Для усилительного действия полупроводникового триода решаю­щее значение имеет то, что сопротивление коллекторной цепи в несколько раз выше сопротивления цепи эмиттера. Благодаря этому, хотя величина тока, протекающего через коллектор, такого же порядка, как и через эмиттер, колебания напряжения в выходной цепи дости­гают сравнительно большой вшичины. Основание (база) триода выполняет роль управляющего элек­трода, так как от его потенциала относительно эмиттера зависит количество эмиттируемых дырок.

Точечные триоды применяются только в схеме с заземленной базой (рис. 9,я). В цепь эмиттера подается (последовательно с батареей)

переменное напряжение входного сигнала, а усиленное переменное напряжение снимается с сопротивления нагрузки, включенного в цепь коллектора.

Конструкция точечных триодов типов С1 и С2 показана на рис. 10.

Плоскостной триод имеет три области с различными типами про­водимости (р-п-р у триодов типов П1, П2, ПЗ, П4, П5, П6 и П7). К каждой из этих областей присоединяются контакты с сравнительно большой площадью. При этом промежуточный слой с проводимостью типа п выполняет роль управляющего электрода (базы), а остальные— соответственно эмиттера и коллектора.

На рис. 11 показала конструкция отечественных плоскостных трио­дов типов Ш и П2. Здесь базой является пластинка монокристалла германия, а эмиттером и коллектором — капли индия, вплавленные с противоположных сторон пластинки (базы).

Полупроводниковый триод рассматривается как активный четырех­полюсник (рис. 12). Параметрами такого четырехполюсника в режиме холостого хода (т. е. при разомкнутых входе и выходе) являются коэффициенты, определяющие зависимость входного и выходного на­пряжений от входного и выходного токов:

 

 

РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Содержание этого раздела является основой для изучения всего последующего учебного материала, связанного с полупроводниковыми приборами.

Тема 1.1. Электропроводность твердого тела

Электроны в твердом теле. Энергетические уровни. Эненргети-ческие зоны. Валентная зона. Зона проводимости. Запрещенная зона. Собственная электропроводность полупроводников. Механизм элект­ропроводности. Подвижность носителей зарядов. Дрейфовый ток. Дыр­ка. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Уровень Ферми. Основные типы полупроводников, применяемых в полупроводниковых

приборах. Атом любого вещества состоит из Положительно заряженного ядра

и некоторого количества электронов, имеющих отрицательный заряд. Количество электронов определяется местом элемента в периодичес­кой системе элементов Менделеева.

 

Плоскостная модель атома кремния Энергетическая структура валентного слоя

 

Электроны располагаются на орбитах вокруг ядра. Чем дальше орбита от ядра, тем большей энергией обладает электрон и тем сла­бее его связь с ядром (рис 1). Чтобы перевести электрон с одной орбиты на другую, надо зат-

ратить энергию 1Q 1-fQl, т.е. заряд ядра равен сумме зарядов электронов. Заряд ядра определяется количеством электронов в ато­ме. Электроны располагаются вокруг ядра на орбитах и обладают вполне определенной энергией, поэтому следует рассмотреть энерге­тическую структуру ядра атома, начиная с валентной орбиты (уров­ня), на которой располагаются валентные электроны. Количество ва­лентных электронов определяет валентность вещества. На рис.2 представлена энергетическая структура валентного слоя вещества:

ВЗ - валентная зона - совокупность энергетических уровней ва­лентных электронов; ЗП - зона проводимости - совокупность энергетических уровней свободных электронов;33 - запретная зона - совокупность энергетических уровней, которыми не могут обладать электроны данного вещества. Электропроводность вещества определяется количеством в нем носителей зарядов. Электропроводность твердого тела определяется движением свободных электронов (рис.3). ПП - полупроводниковые вещества, электропроводность которых занимает промежуточное положение между проводниками и диэлектри­ками. Следует отметить одно очень важное свойство: электропровод­ность полупроводников зависит от многих внешних факторов: измене­ния температуры окружающей среды, освещенности, примесей и т..д. ПП - это вещества, атомы которых имеют четыре валентных электрона. Наиболее широкое применение получили германий Ge и кремний Si. На рис. 4 показана плоскостная схема кристаллической решетки кремния, а на рис.5 образование собственной электропро­водности полупроводника. Из рис.4 видно, что каждый атом полупроводника связан с че­тырьмя соседними. Разрыв ковалентной связи (связи двух соседних атомов) приводит к появлению свободного электрона и незанятого валентного уровня у атома. Таким образом в ПП электропроводность определяется движением двух носителей зарядов: электронов и ды­рок. Дырка-это не занятое электроном энергетическое состояние в валентной зоне ПП.

Место и iосновные признаки ПП з полном ряду химических элементов

Рис. 4 д W₃3 - минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он перешел из валентной зоны в зону проводимости (см.рис.5). Возникает пара носителей зарядов. Этот процесс носит название процесса генерации. Любой электрон, свободный или перешедший из соседней ковалентной связи, может за­полнить дырку и она исчезнет (исчезнет и пара носителей заряда), но рядом образуется другая дырка, т.а дырки, как и свободные электроны, совершают хаотическое тепловое движение в полупровод­нике,

Рекомбинация- это процесс исчезновения пары носи­те.;.^; зарядов, т.е. процесс заполнения дырки свободным электроном.

Рис. 5

Полупроводник, в- узлах кристаллической решетки которого нахо­дятся только атомы самого полупроводника, называется с о.6 с т -венным полупроводником. Проводимость собственного полупрoводника невелика и увеличивается с повышением температуры. ¹

Тема 1.2. Примесные полупроводники

Введение донорной примеси в чистые полупроводники. Диаграмма энергетических уровней. Основные и неосновные носители зарядов. Введение акцепторной примеси в чистый полупроводник. Диаграмма энергетических зон. Уровень Ферми в примесных полупроводниках. Термисторы и варисторы.

В значительной степени увеличить электропроводность полупро­водника можно путем введения примесей, увеличивая тем самым концентрацию дырок или электронов. В результате получается уже не собственный ПП, а примесный. В собственном ПП количество электро­нов и дырок одинаковое, т.е. n_t » р,, где: rij - концентрация электронов в собственном ПП; Pi — концентрация дырок в собственном ПП. В примесном же ПП М_Г1=Р_П, и поэтому встает вопрос об основных и неосновных носителях зарядов:

ОН - основные носители заряда,концентрация которых преобла­дает в данном ПП;

НИ - неосновные носители заряда, концентрация которых на несколько пооядков ниже ОН. ПИ типа "п" - это полупроводник с пятивалентной донорной при­месью, для которого Г»_п » р_п и основными носителями заряда явля­ются электроны.

 

Образование собственно! электропроводности

Рис. 3

Плоскостная схема кристаллической-решетка кремния (германия)

 

В качестве примеси(донора)могут спользоваться следующие элементы:As;Pb;P.

На рис.6 и7 изображены плоскостная схема кристаллической ре­шетки Ge с пятивалентной примесью и энергетическая диаграмма при­месного ПП с "п" проводимостью. Из рис.7 видно, что в примесном ПП 2 процесса приводят к образованию основных носителей заряда (в данном случае электронов:генерация пар НЗ в атоме ПП и иониза­ция атомов примеси. Ид, - энергия ионизации донора. Неосновные носители аряда (НЗ) получаются только в процессе генерации.

ПП типа "р" - это полупроводник с трехвалентной примесью (ак­цепторной), для которого:Рр»Пр; и основными носителями заряда являются дырки.

В качестве примеси (акцептора) используются элементы In, All. В.

ПП с пятивалентной примесью Энергетическая диаграмма

 

Проводимость примесного полупроводника имеет нелинейную зави-

симость от приложенного напряжения и температуры. Эти свойства полупроводника используются в термисторах и варистор^х (рис.10).

Термистор- это полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивлений полупровод­ника от температуры. Наибольшее применение получили терморезисто­ры с отрицательным температурным коэффициентом (ft'jR).

Условное обозначение

 

термистора варистора

 

Тема 1.3. Электронно-дырочный переход

II, $ 1.4]

Диффузия носителей заряда на границе р и п областей. Образо­вание контактной разности потенциалов на границе р и п областей потенциального барьера. Запирающий слой. Влияние потенциального барьера на основные и неосновные носители заряда. Баланс токов. Включение прямого напряжения к р-n переходу. Инжекция носителей заряда. Эффективное время жизни. Диффузионная длина. Сопротивле­ние -и ток р-п перехода, находящегося под прямым напряжением.

Включение обратного напряжения к р-п переходу.-Экстракция но­сителей заряда. Сопротивление и ток р-п перехода, находящегося под обратным напряжением. Влияние обратного напряжения на высоту потенциального барьера и ширину запирающего слоя. Вольт-амперная характеристика р-п перехода,.электрический и тепловой пробой р-п перехода. Барьерная и диффузионная емкость.

Рабочими элементами многих полупроводниковых приборов являют­ся р-п переходы; р-п переход - это электрический" переход между двумя областями ПП, одна из которых имеет электропроводность типа "П", а другая типа "р".

В зависимости от концентрации ОН в областях р-п переходы под­разделяются на симметричные и несимметричные (рис. 11 и 12)!

Симметричный р-п переход - концентрация ОН в обоих областях одинаковая. Слой р-п перехода располагается симметрично относительно линии контакта областей.

Несимметричный р-п переход - концентрация ОН в одной из областей значительно больше, чем в другой. Слой р-п пь>-. рехода расположен несимметрично относительно линии контакта.

Условные обозначения р-п перехода симметричного несимметричного

* **vx • О.Ч-/

(Назовем основные показатели, характеризующие р-п переход в равновесном состоянии:

| uk - контактная разность потенциалов или высота потенциаль­ного барьера;

do - ширина р-п перехода, которая зависит от Е, концентра-

ции примесей и т.д.

j Для того, чтобы ток через р-п переход не был равен нулю, сле­ду е-f к р-п переходу подключить внешний источник питания. Е_вн мож^о' подключать двумя способами, при этом р-п переход будет включен прямо или обратно.

Прямое включение р-п перехода Е_вн подключается "+" к области р и "-"к области "п". При этом внешний источник действует встречно внутреннему источнику контактной разности потенциалов, что понижает потенциальный барь­ер, созданный Е^. Снижение потенциального барьера ведет к увели- | ченйю диффузии ОН через переход. При этом в каждую из областей вводятся дополнительные НЗ, являющиеся для нее НН. Этот процесс; навивается инжекцией (рис. 14).

Обратное включение р-п перехода Е_вн подключается "-" к области "р" и "+" к области - "п". При_ этом внешний источник действует в одном направлении с внутренним По площади р-n переходы делятся на:

плоскостные- у которых линейные размеры, определяющие площадь перехода, значительно превышают его толщину; точечные- у которых эти размеры меньше толщины перехода.Наибольшее применение получили несимметричные р-n переходы плоскостные.

Рассмотрим процессы, происходящие в симметричном плоскостном р-n переходе в равновесном состоянии, т.е. без внешнего источнику питания (внешнего напряжения).

При контакте двух областей разной проводимости возникает дифг фузнойное перемещение ОН из одной области в другую, а движение НЗ - это ток. Таким образом через линию контакта возникает ток, ко­торый носит название I диф он.

I диф он - диффузионный ток образован движением НЗ под дейсг твием разности их концентраций из той области, где они являются основными, в ту, где они неосновные. I диф имеет электронную ^ дырочную составляющие. В результате диффузии ОН вблизи границ^ • между областями р-n перехода создаются неподвижные объемные зарй-ды, образованные ионами примесей; в области р - создается отрица­тельный 'потенциал, а в области п - положительный, таким образом, при контакте двух областей разной проводимости создается электри­ческое поле, направленное от области "п" к области "р" - Ек - по­ле контактной разности потенциалов. Это поле препятствует диффу­зии ОН и наоборот способствует движению НН. т.е. появляется/ток

НН. который называется дрейфовым током.

I др нн - дрейфовый ток. который возникает под действием внут­реннего' поля контактной разности потенциалов - Ек. Это ток,HH, в отличии от дрейфового тока, который определяется ОН. '

I диф он * I диф п * I диф р

I др нн - I др п * I др р «

В равновесном состоянии в симметричном р-n переходе ток диф­фузии, уменьшаясь под действием Ек, становится равным встречному дрейфовому току и результирующий ток через переход становится равным нулю (рис.13).

при I р-п =1 диф он - I др нн

Евн =0 I диф он «I др нн и I р-n!«. О

 

ек и потенциальный барьер возрастает. В этом случае диффузия ОН уменьшается и через р-n переход течет в основном дрейфовый ток НН заряда, при этом в каждую из областей вводится небольиЬе коли­чество НЗ, являющихся для нее ОН. Этот процесс называется экстракцией (рис.15).

Прямое включение р-n перехода Обратное включение р-n перехода

Поля ек и Е,р встречны. Поля Ец и Е_обр согласны.

Цр-п=ик-ипр^1диф он1, Up-n - Цк+Цобр =Ндиф | он- 0. а 1др нн «const а 1др нн • const

Inp -1диф он-Хдр нн X) 1обр-1диф он-1др нн <q

Inp * I диф 1обр«1др (нн)

Свойства прямо смещенного р-n п е р е х о д а Свойства обратно*смещенного р-n перехода

Up-nj; Inpl; Rnp - мало, Up-nl; Io6p-tran;; Яоб^-велико;

dnpf do6p1

 

lfp-n - напряжение на p-n переходе;

Inp - ток через p-n переход при прямом включении; ••••'

1обр - ток через р-n переход при обратном включении;

Rnp - сопротивление прямовключенного р-n перехода;

Ro6p - сопротивление обратновключенного р-n перехода;

dnp - ширина прямовключенного р-n перехода;

do6p - ширина обратновключенного р-n перехода.

В полупроводниковых приборах используется обычно несим­метричные р-n переходы (рис. 16), у которых концентрация основных носителей заряда в одной области значитель- нр выше, чем в другой, при этом инжекция происходит преимущест-в|энно в одном направлении: из области с повышенной концентрацией Он" в область с пониженной концентрацией.

эмиттер база эмиттер база

Эмиттер - область с высокой или очень высокой концентрацией ОН (п⁺ или р⁺);

База - область с низкой концентрацией ОН.

Р-n переход при этом располагается в основном в области с низкой концентрацией ОН.т.е. в области базы.

Несимметричный р-n переход Вольт-амперная характеристика

р-n перехода

А*.1&

Вольт-амперная характеристика '

(ВАХ) р-n п е р е х о д а ВАХ - это зависимость тока, протекающего через р-n переход,

от приложенного к нему напряжения Ip-n-f(Up-n).

Рассмотрим более подробно ход ВАХ р-n перехода. Она будет иметь две ветви, так как р-n переход может быть включен прямо и обратно:

Inp=f(Unp) - ВАХ прямовключенного р-n перехода; Io6p*f(Uo6p) - ВАХ обратновключенного р-n перехода. Обратите внимание на то, что-масштабы по осям прямого и об­ратного токов, а также прямого и обратного напряжения различны. р-n переход рбладает свойством односторонней про­водимости, т.е.|1пр|»|!обр| и |Rnp|«|Ro6p|.

Ток через р-n переход при прямом его включении значительно больше по величине, чем при обратном. Прямые токи для различных типов переходов могут иметь величину от единиц мА до единиц А. Обратные токи имеют порядок величин от единиц до сотен мкА. Боль­шой прямой ток приводит к выделению на р-n переходе большой теп­ловой энергии, поэтому прямые напряжения обычно небольшие, поряд­ка 0,2-1,5 В. Обратные напряжения могут быть значительно выше -5-100 В и более.

Прямая ветвь ВАХ имеет два участка: начальный нелинейный ОА и линейный АБ. Из характеристики видно, что cfunpflnp. Unp ограни­чивается мощностью, рассеиваемой в р-n переходе. Анализ вольт-амперной характеристики оказывает, что при больших обратных напряжениях которое связано с увеличением обратной проводимости.

Яв­ление резкого увеличения обратной проводимости р-n перехода при достижении обратным напряжением критического для данного перехода значения, называется пробоем р-n перехода. Различают электрический и тепловой пробои. Электрический пробой р-n перехода

- это пробой, обусловленный лавинным размножением носителей заря­да или туннельным эффектом. Электрический пробой - процесс обра­тимый. При уменьшении обратного напряжения до величины, меньшей критической..обратный ток резко уменьшается (участок ВГ на ВАХ-рис.17). Тепловой пробой р-n перехода называется ростом числа носителей заряда в результате нарушения равновесия между выделяемым в р-n переходе и отводимым от него теплом. Этот процесс необратим и связан с разрушением структуры полупроводника (участок Г-Д рис.17).

Величины прямого и обратного токов зависят от температуры. На рис. 18 показано, как с изменением температуры меняется положение ВАХ. Причем влияние изменения температуры окружающей среды силь­нее сказывается на ход обратной ветви ВАХ.

Прямая ветвь - 1пр растет быстрее при меньших Unp ctt";

Обратная ветвь- с f t°электрический и тепловой пробои наступают

при меньших значениях Уобр.

ВАХ р-п перехода для различных ВАХ р-n перехода для раз- \° окружающей среды ных пп материалов

Kpotfe того следует помнить, что для различных материалов ПП Ах р-n перехода имеет различное положение (рис.19). Из этого ри-^нка можно сделать следующие выводы:

Ge обладает большей величиной прямого тока и обеспечить его)жно при значительно меньшем Unp;

Si - материал, который выдерживает значительно большие 11обр и юктрический пробой наступает при больших Уобр, чем для Ge; тем-'ратурная зависимость у кремниевого р-n перехода выражена гораз-слабее.

Емкость р-n перехода

Помимо R. d р-n переход характеризуется еще и емкостью, кото-я является величиной непостоянной. Нескомпенсированные объемные, эяды атомов акцепторной и донорной примесей в р-n переходе, ^деленные обедненным слоем с малой электропроводностью, образу-емкость. Эту емкость называют барьерной(С бар;. Эта емкость оп-1еляет в основном емкость обратносмещенного р-n перехода

С бар = дОн^еп°Д: ^с ^ ^и°бр f ^d°6p \ С бар

dU с f Unp f dnp 'f С бар

При протекании через р-n переход 1пр вблизи границы раздела областей происходит накопление инжектированных носителей заряда, не успевших рекомбинировать с основными носителями базы. Эти но­сители заряда образуют объемный заряд, т.е. образуется емкость, называемая диффузионной емкостью, определяющей емкость прямо включенного р-n перехода

На основании всего вышеизложенного можно составить эквива­лентную схему р-n перехода (рис.20).

Эквивалентная схема ^о - объемное сопротивле-

р-п перехода ние базы;

R - сопротивление р-n пе­рехода;

С - емкость р-n перехода;

С= С бар * С диф

раздел п. полупроводниковые: диода

Полупроводниковые диоды находят широкое применение-в аппара туре всех видов проводной и радиосвязи, проводного, радио и теле­визионного вещания. Учебный материал данного раздела будет ис-• пользован при изучении большинства специальных предметов радио и проводного цикла.

Учебный материал по темам 2.2 и 2.3 особенно широко исполь­зуется в курсе "Электропитание устройств связи" по темам 2.4 и 2-5 - в курсах "Радиоприемные устройства", "Радиопередающие уст­ройства", "Радиорелейные линии связи".

Тема 2.1. Общие сведения. Выпрямительные диоды

[I, £ 2.1.1

_ПП7, Полупроводниковый диод. Отклонение реальной характеристики ппд от характеристики идеального р-n перехода. Влияние температу-