Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.5. Виды пробоя p-n-перехода: 1 - лавинный; 2 - туннельный; 3 - тепловой

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная - ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (₀) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (U_{обр.проб}). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон - дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой - электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар «электрон - дырка» также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).

Туннельный пробой - это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма, иллюстрирующая туннельный пробой

Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (см. рис. 2.5, вертикальный участок кривой 2). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, когда отводимое от перехода в единицу времени тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока, в результате чего происходит интенсивная генерация пар носителей заряда. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (см. рис. 2.6, кривая 3) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n-переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Изменение внешнего напряжения (dU) на p-n-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда (dQ). Поэтому p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого равна:

С = dQ / dU.

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский конденсатор, емкость которого определяется соотношением

,

где S, l(U) - соответственно площадь и толщина p-n-перехода.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n-переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина.

Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше U_обр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, а.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, б.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном - барьерную.

3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

3.1 Общие характеристики диодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Диод - это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1). База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

ь выпрямительные;

ь стабилитроны;

ь варикапы;

ь туннельные;

ь импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

ь германиевые;

ь кремниевые;

ь из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

ь сплавные;

ь диффузионные;

ь планарные;

по частотному диапазону:

ь низкочастотные;

ь высокочастотные;

ь СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

ь плоскостные;

ь точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа - базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

.

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр = I₀ + I_тг + I_у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами - величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

· постоянный обратный ток диода (I_обр) - значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

· постоянное обратное напряжение диода (U_обр) - значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

· постоянный прямой ток диода (I_пр) - значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

· постоянное прямое напряжение диода (U_пр) - значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры - параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

· максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);

· максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

· дифференциальное сопротивление (r_диф);

· минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

.

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

.

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max} ? 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

.

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

· первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 - германий;

К или 2 - кремний;

А или 3 - соединения галлия;

· второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А - сверхвысокочастотный;	Б - с объёмным эффектом Ганна;
В - варикапы;	Г - генераторы шума;
Д - выпрямительные, универсальные, импульсные;	И - туннельные и обращенные;
К - стабилизаторы тока;	Л - излучающие;
Н - динисторы;	С - стабилитроны стабисторы;
У - тиристоры;	Ц - выпрямительные столбы и блоки;

· третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 - малой мощности, 2 - средней мощности, 3 - большой мощности, 4 - универсальные и т.д).

· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

· шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

3.2 Виды диодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Выпрямительные диоды. Выпрямительным полупроводниковым диодом (рис. 3.4) называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n-перехода.

Выпрямительные диоды дополнительно характеризуются электрическими величинами, определяющими их работу в выпрямителях:

· средним за период значением обратного напряжения (U_обр.ср);

· средним за период значением обратного тока (I_обр.ср);

· максимальным значением выпрямленного тока (I_{вп.ср.max});

· среднем за период значением прямого напряжения (U_пр.ср) при заданном среднем значении прямого тока.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рабочая частота выпрямительных диодов: малой и средней мощности от 5 до 50 Гц, большой мощности от 50 до 500 Гц.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода (рис. 3.5) описывается уравнением:

,

где I₀- тепловой обратный ток; ц_т - температурный потенциал, при комнатной температуре 25 °С.

Импульсные диоды. Импульсный полупроводниковый диод - это диод имеющий малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Основное применение импульсных диодов - работа в качестве коммутирующих элементов в цифровых схемах, кроме того, для детектирования высокочастотных сигналов и в высокочастотной преобразовательной технике.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При переключении диода с прямого напряжения на обратное, в начальный момент через диод течёт неуправляемый обратный ток (рис. 3.6). Этот обратный ток ограничен только объемным сопротивлением базы диода и сопротивлением нагрузки (R_H). С течением времени, накопленные в базе неосновные носители зарядов рекомбинируют или уходят из базы через р-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до обычного значения.

Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого напряжения на обратное, называется восстановлением обратного сопротивления диода. Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления (t_в). По его значению импульсные диоды делятся на 6 групп:

1) tв > 500 мс;	2) 150 < tв < 500 мс;
3) 30 < tв < 150 мс;	4)5 < tв < 30 мс;
5) 1 < tв < 5 мс;	6)tв < 1 мс.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стабилитроны. Полупроводниковый стабилитрон (рис.3.7) - это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний. Участок 1 вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 3.8) соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.

Основные параметры стабилитрона:

1) напряжение стабилизации;

2) температурный коэффициент напряжения стабилизации;

3) минимальный ток;

4) максимальный ток;

5) дифференциальное сопротивление;

6) статическое сопротивление.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Напряжение стабилизации - это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации: от 3 до 400 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации является одним из наиболее важных параметров стабилитрона. Он определяется по формуле:

приI_ст = const.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает относительное изменение напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.

При лавинном характере пробоя _ст положителен. С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, при понижении температуры - уменьшается. При туннельном пробое _ст становится отрицательным, так как с увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, с понижением температуры увеличивается. Смена знака _ст происходит при напряжении электрического пробоя 5 - 6 В. Для уменьшения _ст стабилитрона иногда применяют комбинацию из последовательно включенных (двух или более), специально подобранных p-n-переходов с противоположным по знаку температурным коэффициентом напряжения. Одним из вариантов температурной компенсации является включение последовательно со стабилитроном диода в прямом направлении.

Минимальный ток стабилитрона (I_ст.min) определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя p-n-перехода.

Максимальный ток стабилитрона (I_ст.max) определяется отношением максимально допустимой мощности к напряжению стабилизации:

I_max P_max / U_ст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона - величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот:

.

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше r_ст, тем лучше осуществляется стабилизация.

Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона на постоянном токе в рабочей точке определяется по формуле:

.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Cтабисторы. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Отличительной особенностью его по сравнению со стабилитроном является меньшее напряжение стабилизации, которое определяется прямым падением напряжения на диоде, и составляет 0,7 В.

Последовательное соединение двух, трёх и т.д. стабисторов даёт возможность получить удвоенное, утроенное напряжение стабилизации.

Стабистор имеет отрицательный температурный коэффициент и поэтому часто используется для температурной компенсации стабилитрона с положительным температурным коэффициентом. Для этого последовательно со стабилитроном необходимо включить один или несколько стабисторов.

Туннельные диоды. Туннельный диод (рис. 3.9) - это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого (рис. 3.10) имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Туннельные диоды изготавливают из материала, имеющего повышенное количество примесей. В результате этого в туннельном диоде создаётся полупроводник с высокой концентрацией носителей зарядов, что приводит к малой толщине р-n-перехода и к большей величине диффузионного электрического поля.

При обратном включении туннельный диод работает в режиме туннельного пробоя.

Основные параметры туннельного диода:

1) пиковый ток (I_n)

2) ток впадины (I_в);

3) отношение (I_n / I_в);

4) напряжение пика (U_n);

5) напряжение впадины (U_вп).

Туннельные диоды используют для генерации и усиления электрических колебаний и в переключающихся схемах.

Обращённые диоды. Обращённым называют диод (рис. 3.11), у которого проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом. Прямая ветвь ВАХ обращённого диода (рис. 3.12) аналогична ВАХ туннельного, а обратная ветвь ВАХ аналогична ВАХ выпрямительного диода.

Основные особенности обращённого диода:

1) способны работать только в диапазоне малых напряжений.

2) обладают хорошими частотными свойствами.

3) малочувствительны к воздействию проникающей радиации.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Варикапы. Варикап - это полупроводниковый диод (рис. 3.13), действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Принцип действия варикапа основан на свойстве зарядной емкости обратно смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 3.14) - зависимость емкости варикапа (С_в) от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости (С_в) может изменяться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

· емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (Св);

Размещено на http://www.allbest.ru/

· коэффициент перекрытия по емкости (К_С), используемый для оценки зависимости C_в = f (U_обр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (К_С = 2...20);

· температурный коэффициент емкости, который характеризует зависимость параметров варикапа от температуры:

ТКЕ_в = С_в / (С_вT),

где С_в/С_в - относительное изменение емкости варикапа при изменении температуры T окружающей среды.

4. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Свойства p-n-перехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний. Электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов, называют транзистором.

Термин «транзистор» происходит от комбинации английских слов transfer of resistor, что в переводе означает «преобразователь сопротивления».

Действие транзистора основано на управлении движением носителей зарядов в полупроводниковом кристалле.

По принципу действия транзисторы делят на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные). В биполярных транзисторах физические процессы определяются движением носителей заряда обоих знаков - основных и неосновных. В полевых (униполярных) транзисторах, используется движение носителей одного знака (основных носителей).

Транзисторы различают:

по мощности:

1) малой мощности	Pдоп < 0,3 В т;
2) средней мощности	0,3 < Pдоп < 1,5 Вт;
3) транзисторы большой мощности	Pдоп > 1,5 Вт;

по граничной частоте пропускания

1) низкочастотные	fгр < 3 МГц
2) средней частоты	3 < fгр < 30 МГц
3) высокой частоты	30 < fгр < 300 МГц
4) СВЧ транзисторы	fгр > 300 МГц

Маркировка транзисторов состоит из шести символов:

· первый символ (буква) обозначает материал;

· второй символ (буква П или Т) обозначает: П - полевой, Т - биполярный;

· третий символ (цифра) характеризует транзисторы по частоте и по мощности:

1 - малой мощности, низкой частоты;

2 - малой мощности, средней частоты;

3 - малой мощности, высокой частоты;

4 - средней мощности, низкой частоты;

5 - средней мощности, средней частоты;

6 - средней мощности, высокой частоты;

7 - большой мощности, низкой частоты;

8 - большой мощности, средней частоты;

9 - большой мощности, высокой частоты;

· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают номер разработки;

· шестой символ (буква) обозначает параметры, не являющиеся классификационными.

4.1 Биполярные транзисторы

4.1.1 Общая характеристика

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) - это трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих р-n-перехода. Транзистор (рис. 4.1) состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт.

Переход, который образуется на границе областей «эмиттер - база», называется эмиттерным, а на границе «база - коллектор» - коллекторным. Проводимость базы может быть как дырочной, так и электронной; соответственно различают транзисторы со структурами n-p-n и p-n-p. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, за исключением того, что в транзисторе типа n-p-n ток, текущий через базу от эмиттера к коллектору, создают электроны, а в транзисторе типа p-n-p этот ток создают дырки. Полярность рабочих напряжений и направления токов в транзисторах n-p-n-типа и p-n-p-типа противоположны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На схемах эмиттер изображают стрелкой, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рассматривая трехслойную полупроводниковую структуру, можно убедиться, что у транзистора нет принципиальных различий между эмиттерным и коллекторным переходами и (при включении транзистора в схему) их можно поменять местами, т.е. коллекторный переход использовать в качестве эмиттерного, а эмиттерный - в качестве коллекторного. Но при конструировании кристалла всегда добиваются того, чтобы прямой ток эмиттерного перехода практически целиком замыкался через коллекторную цепь, т.е. I_к ? I_з.

Для этого необходимо выполнение следующих основных условий:

1) база транзистора должна быть настолько тонкой, чтобы инжектированные в нее носители могли относительно свободно (не рекомбинируя) достигать коллекторного перехода. У современных приборов толщина базы имеет порядок единиц микрометров;

2) эмиттерная область в сравнении с областью базы должна иметь большую концентрацию примеси (концентрацию примесей в базе делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттере), чтобы прямой ток эмиттера в основном определялся носителями, инжектируемыми эмиттером в базу;

3) площадь коллекторного перехода должна быть в несколько раз больше площади эмиттерного перехода (s_к > s_э), чтобы инжектированные в базу носители при перемещении в направлении уменьшения своей концентрации попадали преимущественно в область коллекторного перехода. Отношение s_э / s_к обычно составляет 0,15 - 0,5;

4) чтобы увеличить максимально допустимое напряжение коллектора, которое ограничивается напряжением пробоя коллекторного перехода (U_к.б.max ? 0,8 U_{к.б.проб}) в область коллектора обычно вносят несколько меньшую дозу примеси, чем в область эмиттера. Следовательно, для транзистора p-n-p-типа:

n_б << p_к << p_з.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует, и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся в ней вследствие процесса диффузии. Такие транзисторы называют диффузионными или бездрейфовыми.

При неравномерном распределении концентрации примесей в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа и диффузии, причем дрейф играет доминирующую роль. Такие транзисторы называют дрейфовыми.

На каждый p-n-переход транзистора может быть подано как прямое, так и обратное напряжение. Соответственно различают четыре режима работы транзистора:

1) отсечки - на оба перехода подано обратное напряжение;

2) насыщения - на оба перехода подано прямое напряжение;

3) активный - на эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный переход - обратное;

4) инверсный - на эмиттерный переход подано обратное напряжение, а на коллекторный переход - прямое.

Активный режим работы используют для усиления и генерирования сигналов. Режим работы насыщения и режим отсечки используются в ключевых устройствах, в логических устройствах, цифровых интегральных схемах. Инверсный режим используется в специальных схемах.

4.1.2 Принцип действия транзистора

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принцип действия транзистора будет рассматриваться на примере транзистора p-n-p-типа (рис. 4.2). Если эмиттерный переход (ЭП) сместить в прямом направлении, а коллектор в обратном, то потенциальный барьер ЭП снизится и станет равным U_оэ - U_э, а потенциальный барьер коллекторного перехода (КП) повысится и станет равным

U_ок + U_к. Одновременно уменьшится толщина ЭП, и увеличится толщина КП, причем увеличение толщины запирающего слоя произойдёт в основном в сторону базы, так как проводимость ее много меньше, чем проводимость коллектора.

Снижение потенциального барьера на ЭП вызовет инжекцию дырок из эмиттера в базу и электронов из базы в эмиттер, появляется эмиттерный ток (I_э), который состоит из двух составляющих:

I_эр + I_эn.

Так как р_э >> n_б, то дырочная составляющая тока эмиттера оказывается много больше электронной составляющей I_эр >> I_эn, которая замыкается через цепь базы и не участвует в создании коллекторного тока. Поэтому её и стремятся сделать по возможности малой. Для цепи базы она является одной из составляющих тока базы.

В результате инжекции дырок из эмиттера концентрация их в базе у границы ЭП увеличивается и может значительно превышать равновесную, в то время как концентрация дырок у КП вследствие их экстракции практически равна нулю. Таким образом, распределение концентрации неосновных неравновесных дырок в базе имеет вид (рис. 4.2, а), т.е. возникает градиент концентрации дырок. Градиент концентрации вызывает диффузионное движение инжектированных дырок через базу от эмиттера к коллектору.

В процессе диффузии дырок к КП часть их рекомбинирует с электронами базовой области. Для сохранения нейтральности базы в неё входят электроны из внешней цепи, образуя рекомбинационный ток базы (I_б.рек)_.. Поскольку концентрация электронов в базе незначительна, по сравнению с концентрацией инжектированных из эмиттера дырок, и диффузионная длина дырок значительно больше толщины базы, вероятность рекомбинации мала и основная часть дырок достигает КП. Дырки, достигшие КП, попадают в его ускоряющее поле и перебрасываются в коллекторную область, создавая ток коллектора.

Чем больше дырок инжектируется эмиттером, тем больше градиент концентрации дырок в базе, тем большее их количество достигает коллектора, увеличивая его ток. Следовательно, ток коллектора пропорционален току эмиттера:

I_кр = бI_э.

Он называется управляемым током коллектора. Возможность управлять выходным током транзистора при изменении входного тока - важное свойство биполярного транзистора. Оно позволяет использовать его в качестве активного элемента различных схем. Коэффициент пропорциональности (б) называется коэффициентом передачи тока эмиттера и составляет 0.95...0.99.

Кроме I_кр в цепи коллектора протекает небольшой собственный обратный ток КП, не зависящий от тока эмиттера. Его обозначают I_кбо.

Таким образом, полный ток коллектора равен:

I_r = б I_э + I_кбо.

Между токами трех электродов транзистора существует зависимость, описываемая соотношением:

I_э = I_к + I_б.

Из этих соотношений следует, что ток базы связан с током эмиттера следующим образом:

I_б = (1 - б) I_э - I_кбо.

4.1.3 Схемы включения транзисторов

Размещено на http://www.allbest.ru/

При использовании транзистора, имеющего три электрода, один из электродов оказывается общим для входной и выходной цепей. Все напряжения в схеме измеряются относительно общего электрода. Различают три схемы включения транзистора (рис. 4.3): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

В схеме с общей базой (рис. 4.3, а) напряжения на эмиттере (U_эб) и коллекторе (U_кб) отсчитываются относительно базы - общего электрода для входной (эмиттерной) и выходной (коллекторной) цепей. Эта схема обладает усилением по мощности и напряжению (ДU_кв > ДU_зв), но не обеспечивает усиления тока (ДI_k ? ДI_з) и характеризуется малым входным сопротивлением (равным сопротивлению эмиттерного перехода при прямом напряжении).

Наиболее широко применяется схема с общим эмиттером (рис. 4.3, б), в которой напряжения на базе (U_бэ) и коллекторе (U_кэ) отсчитываются относительно эмиттерного электрода, общего для входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепей. Так как

I_б = I_э - I_к << I_к (I_k ? I_э),

то эта схема обеспечивает усиление тока (ДI_к >> ДI_б) и напряжения (ДU_кэ > ДU_эб). Кроме того, ее входное сопротивление много больше входного сопротивления схемы ОБ.

В схеме с общим коллектором (рис. 4.3, в) напряжения на базе (U_бэ) и эмиттере (U_кэ) отсчитываются относительно коллектора - общего электрода для входной (базовой) и выходной (эмиттерной) цепей. Так как I_б << I_э, то эта схема обеспечивает усиление тока (ДI_к >> ДI_б), приблизительно такое же, как и схема ОЭ. В отличие от схем ОБ и ОЭ схема с общим коллектором не обеспечивает усиления напряжения. Ее достоинством является большое входное сопротивление.

В каждой схеме включения транзистор может характеризоваться четырьмя семействами ВАХ: входными, выходными, прямой передачи (проходных), обратной передачи (обратной связи).

Входной называется характеристика

I₁ = f(U₁) при U₂ = const,

показывающая связь тока входного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Выходной называется характеристика

I₂ = f(U₂) при I₁ = const,

показывающая связь тока выходного электрода с напряжением на нем, измеряемым относительно общего электрода.

Характеристики

I₂ = f(I₁) или I₂ = f(U₁) при U₂ = const

называются характеристиками прямой передачи, а характеристики

U₁ = f(U₂) при I₁ = const

называются характеристиками обратной передачи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В справочниках обычно приводятся усредненные семейства входных, выходных характеристик и реже - характеристик прямой передачи транзисторов, включенных по схеме с ОЭ и OБ.

Семейство входных характеристик схемы с ОБ (рис. 4.4, а) представляет собой зависимость

I_Э = f(U_эб)

при фиксированных значениях параметра напряжения на коллекторном переходе (U_кб).

При U_кб = 0 характеристика подобна ВАХ p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. С ростом обратного напряжения U_кб вследствие уменьшения ширины базовой области (эффект Эрли) происходит смещение характеристики вверх: I_э растет при выбранном значении U_ЭБ. Если поддерживается постоянным ток эмиттера (I_э = const), т.е. градиент концентрации дырок в базовой области остается прежним, то необходимо понизить напряжение U_ЭБ, (характеристика сдвигается влево). Следует заметить, что при U_кб < 0 и U_эб = 0 существует небольшой ток эмиттера I_эо, который становится равным нулю только при некотором обратном напряжении.

Семейство выходных характеристик схемы с ОБ представляет собой зависимости

I_к = f(U_кб)

при заданных значениях параметра I_э (рис.4.4, б).

Выходная характеристика транзистора при I_э = 0 и обратном напряжении (U_кб < 0) подобна обратной ветви p-n-перехода. При этом I_к = I_кбо, т.е. характеристика представляет собой обратный ток коллекторного перехода, протекающий в цепи «коллектор - база».

При I_э > 0 основная часть инжектированных в базу носителей доходит до границы коллекторного перехода и создает коллекторный ток, который существует даже при

U_кб = 0 в результате ускоряющего действия контактной разности потенциалов. Ток можно уменьшить до нуля путем подачи на коллекторный переход прямого напряжения определенной величины. Этот случай соответствует режиму насыщения, когда существуют встречные потоки инжектированных дырок из эмиттера в базу и из коллектора в базу. Результирующий ток станет равен нулю, когда оба тока одинаковы по величине. Чем больше заданный ток I_э, тем большее прямое напряжение U_кб требуется для получения I_к = 0.

Область в первом квадранте (см. рис. 4.4, а), где U_кб < 0 (обратное) и параметр I_э > 0 (т.е. на эмиттерном переходе напряжение U_эб), соответствует нормальному активному режиму (НАР). Значение коллекторного тока в НАР определяется по формуле:

I_к = бI_э + I_кбо.

Выходные характеристики смещаются вверх при увеличении параметра I_э.

В идеализированном транзисторе не учитывается эффект Эрли, поэтому интегральный коэффициент передачи тока (б) можно считать постоянным, не зависящим от значения |U_кб|. Следовательно, в идеализированном биполярном транзисторе выходные характеристики оказываются горизонтальными (I_к = const). Реально же эффект Эрли при росте |U_кб| приводит к уменьшению потерь на рекомбинацию и росту б. Так как значение б близко к единице, то относительное увеличение б очень мало и может быть обнаружено только измерениями, поэтому отклонение выходных характеристик от горизонтальных линий вверх «на глаз» не заметно.

Семейство входных характеристик схемы с ОЭ (рис. 4.5, а) представляет собой зависимости I_б = f(U_бэ), напряжение U_кэ является параметром. Напряжение U_бэ >0 соответствует прямому включению эмиттерного перехода. Если при этом U_кэ = 0 (потенциалы коллектора и эмиттера одинаковы), то и коллекторный переход будет включен в прямом направлении:

U_кб = U_эб > 0.

Поэтому входная характеристика при U_кэ = 0 будет соответствовать режиму насыщения (РН), а ток базы будет равным сумме базовых токов из-за одновременной инжекции дырок из эмиттера и коллектора. Этот ток, естественно, увеличивается с ростом прямого напряжения U_эб, так как оно приводит к усилению инжекции в обоих переходах (U_кб = U_эб) и соответствующему возрастанию потерь на рекомбинацию, определяющих базовый ток. Процессы в транзисторе отражает схема рис. 4.6. Входная характеристика (см. рис. 4.5, а) имеет форму прямой ветви характеристики p-n-перехода.

Вторая характеристика (см. рис. 4.5, а) относится к нормальному активному режиму, для получения которого напряжение U_кэ должно быть в p-n-р-транзисторе отрицательным (U_кэ < 0) и по модулю превышать напряжение U_бэ В этом случае

U_кб = U_кэ - U_бэ < 0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ход входной характеристики в НАР можно объяснить с помощью выражения:

I_б = (1 - б) I_э - I_кбо.

Ток базы связан линейной зависимостью с током эмиттерного перехода, но значительно меньше. Кроме того, через базовую цепь протекает тепловой ток I_кбо

При малом напряжении U_бэ инжекция носителей практически отсутствует (I_э = 0) и ток базы равен: I_б = -I_кбо, т.е. отрицателен. Увеличение прямого напряжения на эмиттерном переходе вызывает рост I_э и величины (1 - б) I_э. Когда ток базы равен нулю:

(1 - б) I_э = I_кбо,

I_б = 0.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При дальнейшем росте напряжения U_бэ величина

(1 - б) I_э > I_кбо

и ток базы (I_б) меняет направление, становится положительным (I_б > 0) и сильно зависящим от напряжения перехода.

Влияние U_кэ на I_б в НAP можно объяснить тем, что рост U_кэ означает рост |U_кб| и, следовательно, уменьшение ширины базовой области (эффект Эрли). Последнее будет сопровождаться снижением потерь на рекомбинацию, т.е. уменьшением тока базы (смещение характеристики незначительно вниз).

Семейство выходных характеристик схемы с ОЭ представляет собой зависимости I_к = f(U_кэ) при заданном параметре I_б (см. рис 4.5, б). Крутые начальные участки характеристик относятся к режиму насыщения, а участки с малым наклоном - к нормальному активному режиму. Переход от режима насыщения к активному, как уже отмечалось, происходит при значениях |U_кэ|, превышающих |U_бэ|. Для увеличения I_б необходимо увеличивать |U_бэ|, следовательно, и граница между режимом насыщения и нормальным активным режимом должна сдвигаться в сторону больших значений.

Если параметр I_б = 0 («обрыв» базы), то

I_к = I_кэо = (в + 1) I_кбо.

В схеме с ОЭ можно получить (как и в схеме с ОБ) I_к = I_кбо, если задать отрицательный ток (I_б = -I_кбо)_. Выходная характеристика с параметром I_б = -I_кбо может быть принята за границу между НАР и режимом отсечки (РО). Однако часто за эту границу условно принимают характеристику с параметром I_б = 0.

Наклон выходных характеристик в нормальном активном режиме в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой (h_22э ~ вh_22б) Объясняется это тем, что при увеличении напряжения U_кз коллекторный переход расширяется, зона базы, в которой происходит рекомбинация, падает, коэффициенты б и в увеличиваются.

Увеличение тока базы приводит к увеличению рекомбинации в базе, для ее осуществления должен усилиться приток носителей из эмиттера. Но большая часть эмиттерного тока не участвует в рекомбинации, а идет в коллекторный переход, поэтому при увеличении тока базы ток коллектора увеличивается, характеристики смещаются вверх.

4.1.4 H-параметры транзистора

Биполярный транзистор является нелинейным элементом, так как характеризуется нелинейными зависимостями U = f(I) входных и выходных ВАХ. Но при работе транзистора в режиме малого сигнала, т.е. при относительно небольших амплитудах переменных составляющих входных и выходных величин, он может быть представлен в виде активного линейного четырехполюсника (рис. 4.7), предполагающего линейные зависимости между токами и напряжениями. Возможно шесть вариантов выбора независимых и зависимых переменных для описания связи токов и напряжений в данном четырехполюснике.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В силу специфики входных и выходных ВАХ транзистора для его описания обычно выбирают в качестве независимых переменных входной ток (i₁) и выходное напряжение (u₂), а зависимыми являются: входное напряжение (u₁) и выходной ток (i₂). При таком выборе четырехполюсник описывается системой уравнений на основе h-параметров:

...