Електронно-дірковий перехід

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

1. ФІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ПРИЛАДІВ

1.1 Напівпровідники та їх фізичні властивості

Для побудови напівпровідникових приладів використовують різноманітні речовини, яки поділяють на провідники, діелектрики та напівпровідники. Названі речовини відрізняються електропровідністю.

Напівпровідники (НП) мають тверду кристалічну структуру і за провідністю (104 - 10-10 См/см) займають проміжне місце між провідниками ( 104 - 106 См/см) та діелектриками (10-10 См/см та менше).

При виготовленні НП приладів частіше використовують кремній (Si - має робочу температуру до 140?С), германій (Ge - найбільша робоча температура 75?С), арсенід галію (GaAs - працює при температурі до 350-400?С). До НП також відносять селен, індії, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

Розглянемо механізм електропровідності НП на прикладі кристалічних граток германію, що є елементом IV групи періодичної системи Менделєєва.

Чистий (бездомішковий) германій має регулярну геометричну гратку атомів, які розміщені у вузлах кристалічних граток. Їх зв'язок з іншими атомами здійснюється за допомогою чотирьох валентних електронів.

Зазначимо, що електрони, яки розташовані на зовнішній орбіті атома речовини, мають назву валентних. У провідників електрони слабко зв'язані з ядром і тому досить легко покидають свої атоми - стають вільними. У НП усі валентні електроні міцно зчеплені з кристалічними гратками завдяки ковалентному зв'язку. Кожна пара валентних електронів належить водночас двом сусіднім атомам. Подвійні лінії між вузлами вказують на ковалентний характер зв'язку. Доки цей зв'язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд.

Згідно із зонною теорією твердого тіла, електрони атома мають відповідну енергію і розташовуються на відповідних енергетичних рівнях. Електрони розташовані ближче до ядра атома, мають меншу енергію, тобто знаходяться на нижніх енергетичних рівнях. Розподіл електронів за рівнями енергії схематично показано на рис.1.б. Горизонтальними лініями зображені рівні енергії електронів. Енергетичні рівні об'єднуються в дозволені зони.

Нижня дозволена зона, яка при температурі абсолютного нуля повністю заповнена електронами, називається валентною. Надвалентна зона, яка при температурі абсолютного нуля порожня або частково заповнена електронами, називається зоною провідності. Електроні цієї зони називають електронами провідності.

У металів зона провідності безпосередньо прилягає до валентної зони, тому в металах велика кількість електронів має енергію, достатню для переходу з валентної зони в зону провідності. Вони здійснюють безладний хаотичний рух та забезпечують високу електропровідність металів.

У НП та діелектриків, між зоною провідності та валентною зоною знаходиться заборонена зона. Вона об'єднує рівні енергії, на яких електрони не можуть знаходитись. У НП ширина забороненої зони ?W складає біля одного електрон-вольта (еВ) (?WGe=0,72 еВ - для германію; ?WSi=1,12 еВ - для кремнію).

Деякі характерні особливості НП від провідників.

Вплив температури на електричні властивості НП

У ідеальному кристалу НП при температурі абсолютного нуля валентна зона повністю заповнена електронами, а зона провідності порожня. НП є ізолятором ( ідеальним діелектриком ) і його електричний опір нескінченний.

При підвищенні температурі НП частина валентних електронів розриває ковалентні зв'язки долають заборонену зону і переходять в зону провідності. На вільному енергетичному рівні у валентній зоні виникає дірка, яка має позитивний заряд. Процес утворення пар носіїв заряду ( електронів у зоні провідності та дірок у валентній зоні ) називають термогенерацією зарядів. Дірка з часом може заповнюватися електроном із сусіднього атома, у якого на місці залишеного зв'язку виникає нова дірка. Від температури залежить інтенсивність руху електронів і дірок ( генерації пар носіїв ) у напівпровіднику, що і визначає його електропровідність. З підвищенням температури електропровідність напівпровідника зростає. Якщо до НП не прикладена електрична напруга, то електрони та дірки здійснюють хаотичний тепловий рух і ніякого струму немає. Кристал залишається електричне нейтральним.

У власних ( бездомішкових ) НП число валентних електронів повинно дорівнювати числу дірок ( ni = pi ), оскільки при розриві ковалентного зв'язку одночасно створюються і вільний електрон і дірка.

2) Вплив електричного поля на НП

Якщо тепер помістити НП в електричне поле, то рух носіїв заряду (електронів та дірок) стає направленим - це є струм провідності. Повний струм провідності складається з електронного Іn та діркового струмів Іp:

,

де: питома провідність НП;

q = 1,610-19 Кл - заряд електрона;

ni,pi - концентрації носіїв(електронів, дірок) та їхня рухомість - n,р;

Е - напруженість електричного поля.

Незважаючи на те, що дірки рухаються в протилежних напрямах, їхні струми складаються, бо рух дірок являє собою переміщення електронів. Треба підкреслити, що рухомість дірок менше ніж рухомість електронів, а тому діркова складова менша від електронної.

Залежність електропровідності НП від виду домішок

Власна провідність НП звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з домішками. Якщо в кристалі НП замінити один з його атомів атомом домішки з п'ятьма валентними електронами, то атом домішки внесе на один електрон більше, ніж необхідно для заповнення ковалентних зв'язків. Цей лишній електрон може стати рухомим і вільним без розриву ковалентних зв'язків і, таким чином, без утворення дірки. При вивільнені п'ятого електрона залишається позитивно заряджений іон, закріплений у вузлі кристалічної гратки

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів ( nn pn ) називають напівпровідником n - типу. В цьому випадку вільні електрони називають основними носіями заряду, а дірки - неосновними. НП n - типу мають від'ємний заряд. У якості донорної домішки для германію і кремнію використовуються фосфор, миш'як та сурма.

Розглянемо введення у германій домішки з трьома валентними електронами, наприклад індію (In). Для утворення ковалентного зв'язку між Ge та In одного електрона не вистачає. Електрон з верхнього рівня валентної зони переміщується на рівень домішки створюючи ковалентний зв'язок, якого невистачало. Завдяки чому у валентній зоні утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП р - типу. Основними носіями заряду в даному випадку є дірки ( pр nр ), а неосновними - електрони. НП р - типу має позитивний заряд. Як акцептори в германії і кремнії використовуються бор, алюміній та ін.

1.2 Фізичні процеси в електронно-дірковому переході

Шар на межі двох напівпровідників з електропровідністю р- і n- типу називається електронно-дірковим переходом (ЕДП), або р- n- переходом.

Принцип дії більшості напівпровідникових приладів ( діодів, транзисторів та ін.) базується на використанні фізичних процесів, що відбуваються у р- n- переході.

Розглянемо основні фізичні процеси у р- n- переході (Рис. 2 ). Допустимо, що концентрація основних носіїв у р- і n- областях однакова.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

а б в

Рис. 3. Процеси в р-n-переході

1.2.1 ЕДП при відсутності зовнішнього електричного поля

При об'єднанні двох напівпровідників з різними типами провідності має місце градієнт концентрації дірок та електронів, що викликає взаємну дифузію носіїв - електронів із n- шару у р- шар, а дірок у протилежному напрямку. Це дифузійне переміщення електронів та дірок показане на рис. 3, а стрілками. Внаслідок дифузії носіїв у приконтактний зоні напівпровідників утворюються об'ємні заряди різних знаків ( у НП n-типу - позитивний заряд, завдяки іонам донорної домішки; у НП р-типу - негативний заряд, завдяки іонам акцепторної домішки). Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруженістю - Ек та контактна різниця потенціалів, яку називають потенціальним бар'єром - к. Вектор напруженості Ек має такий напрямок, що гальмує рух основних носіїв заряду (зменшує дифузійні складові струму ) та прискорює рух неосновних (зростають дрейфові складові струму). Результуючий струм через перехід у сталому становищі буде дорівнювати нулю:

,

де Іпдиф, Ірдиф - електрона та діркова дифузійні складові струму;

Іпдр, Ірдр - електрона та діркова дрейфові складові струму.

Висоту потенціального бар'єру визначають рівнянням:

к=n - р,

де n - потенціал n-області; р - потенціал р-області.

Величина к залежить від матеріалу НП і його температури. У германієвих переходів к = (0,3 - 0,4)В, у кремнієвих - к = (0,6 - 0,8)В.

Оскільки у р- n- переході відсутні рухомі носії зарядів, то його електричний опір дуже великий.

1.2.2 ЕДП при прямому вмиканні зовнішньої напруги

При прямому вмиканні р- n- переходу, як показано на рис. 3, б, до р- області ввімкнути плюс джерела зовнішньої напруги Uпр, а до n- області - мінус. Зовнішнє електричне поля Епр буде спрямоване назустріч внутрішньому Ек і результуюча напруженість зменшується Ерез= Епр - Ек. Різниця потенціалів на переході становить пр=к - Uпр. Потенціальний бар'єр знижується, опір р-n- переходу зменшується і росте число носіїв, які можуть подолати його. Внаслідок цього дифузійні складові струму Ідиф зростають, а дрейфові Ідр зменшуються. Через p-n- перехід тече прямий струм

Іпр= Ідиф - Ідр?Ідиф > 0,

якій обумовлюється дифузійною складовою струму і є великим за величиною.

Оскільки градієнти концентрації дуже великі, потрібна невелика напруга (Uпр < 1 В), щоб одержати великі струми.

Таким чином, при прямій напрузі зніжується потенціальний бар'єр р- n- переходу, його опір стає малим (одиниці-десятки Ом), прямий струм виросте і буде залежати тільки від опору р- і n- областей.

1.2.3 ЕДП при зворотньому вмиканні зовнішньої напруги

При зворотному вмиканні p-n - переходу, як показано на рис. 2, в, до р- п - переходу прикладається зовнішня напруга Uзв, полярність якої не збігається з типом ділянок переходу. У результаті поле в p-n - переході становить Ерез = Езв+Ек. Висота потенціального бар'єру зв=к +Uзв і опір p-n - переходу зростають, дифузійна складова струму Ідиф зменшується, дрейфова Ідр практично не змінюється і через перехід протікає зворотний струм

Ізв= Ідиф - Ідр? - Ідр,

який визначатиметься концентрацією неосновних носіїв заряду і незначний за величиною. Цей струм називають тепловим струмом.

Таким чином, р-n-перехід має вентильні властивості, тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотному - значний.

Із збільшенням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенціального бар'єру, але й товщина р- n- переходу і його опір значно зростає.

1.3 Вольт-амперна характеристика р- n- переходу

Теоретична вольт-амперна характеристика (ВАХ) р- n- переходу є залежність струму, що протікає через перехід від величини та полярності прикладеної напруги:

ВАХ не є прямою лінією. Вона має пряму та зворотну гілки. Як для прямої, так й для зворотної гілки теоретична ВАХ визначається виразом

I = I0[exp(U /? Т )-1],

де I0 - зворотний струм насичення; - тепловий потенціал; U - напруга, що прикладена до переходу; k = 1,38 10-23 Дж/Кл - стала Больцмана; Т - абсолютна температура, оK. При Т = 300оK значення Т 0,025 В.

Теоретична та реальна ВАХ р- n- переходу показані на рис. 4.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

При прямій напрузі UПР > 0,1 B можна знехтувати одиницею (е4 ? 54), тому пряма гілка ВАХ (гілка І ) описується виразом

.

Як тільки позитивна пряма напруга досягне величини Uпр = цк, запірні властивості р-n-переходу зникають і струм швидко зростає.

Величина цк залежить від матеріалу напівпровідника і його температури. Для германію вона становить 0,3 - 0,4 В, для кремнію - 0,6 - 0,8 В.

При зворотній напрузі Uзв < 0, експоненціальний член в рівнянні стає малим (е-4 ? 0,02) порівняно з одиницею, і зворотна гілка ВАХ описується виразом Ізв = - І0.

У реальних р-n -переходах при підвищенні зворотної напруги Uзв зворотний струм Ізв не залишається сталим, рівним струмові насичення І0, а повільно зростає. Однією з причин цього зростання є зростання швидкості руху неосновних носіїв заряду через перехід, товщина якого теж зростає. При Uзв = Uп швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбувається лавиноподібний зріст зворотного струму ( ділянка ІІ) і в наступному, як наслідок, пробої переходу ( ділянка ІІІ). Розрізняють три види пробою: тунельний, лавинний і тепловий.

Тунельний пробій відбувається у високолегованого (при дуже високої концентрації домішок) напівпровідника з вузьким ( 0,01 мкм ) р-n -переходом.

Основою лавинного пробою, що відбувається в низьколегованих напівпровідниках, є розмноження носіїв у сильному електрополі в межах широкого р-n-переходу внаслідок ударної іонізації атомів напівпровідника швидкими носіями заряду.

Тунельний та лавинний електричні пробої не призводять до руйнування структури р-n -переходу і відносять к оборотним пробоям, тобто після зняття Uзв властивості р-n -переходу відновляються. Для деяких типів напівпровідникових діодів ( стабілітронів ) лавинний пробій є основним режимом роботи.

Тепловий пробій виникає під час проходження зворотного струму від попереднього тунельного або лавинного пробою. Струм різко зростає, гріє перехід, а з підвищенням температури збільшується кількість носіїв заряду, що знову підвищує струм у переході і сприяє його подальшому розігріванню. Процес закінчується розплавленням ділянки переходу і безповоротним виходом його з ладу. Якщо тепловий пробій настає внаслідок перегрівання переходу від недостатніх умов тепловідведення, то стадії лавинного або тунельного пробою не є обов'язковими.

2. РАЗНОВИДИ НАПІВПРОВІДНІКОВИХ ДІОДІВ

2.1 Конструкція та призначення напівпровідникових діодів

Напівпровідниковий діод - це прилад з одним p-n-переходом, що утворюється при контакті двох областей напівпровідника з різними типами провідності: діркової та електронної.

Структура діода та його схематичне позначення наведені на рис. 1.

а б

Рис. 2.1. Структура діода (а) та його схематичне позначення (б)

Ділянку напівпровідника з великим опором (+) називають базою ( або анодом ), прошарок з малим опором (-) - емітером ( або катодом ). Для з'єднання зовнішніх виводів з кристалом напівпровідника застосовують омічні контакти, в яких зв'язок між напругою і струмом визначається законом Ома. Контакт металу з напівпровідником виявляється омічним (не утворює потенційного бар'єра), якщо робота виходу електрона з металу менша, ніж з напівпровідника. В цьому випадку електрони вільно переходять з металу в напівпровідник і назад.

На практиці знаходять застосування точкові, площинні, сплавні і дифузійні діоди.

Точковий діод утворюється у місці контакту невеликої пластини напівпровідника і вістря металевого дроту -- пружини. Тому лінійні розміри переходу менше його ширини. Для більш надійного контакту через перехід пропускають імпульс струму в декілька ампер, що вплавляє вістря металу в напівпровідник. Завдяки малій площі діоди мають невеликі прямі струми, дуже малу ємністю переходу і використовуються до частот у кілька сотень мегагерц.

Площинні сплавні діоди мають площинний електричний перехід, лінійні розміри якого, що визначають його площу, значно більше ширини p-n-переходу. Перехід у таких діодах може виконуватися методом сплавлення напівпровідникової пластини з металом. Матеріал нагрівають до температури, що достатня для того, щоб частина напівпровідника розчинилася в отриманому розплаві. При наступному охолодженні відбувається рекристалізація початкового напівпровідника з домішкою вплавленого металу і утворюється р-n-перехід.

Дифузійні діоди виготовляються за допомогою дифузії у напівпровідникову пластину домішки, яка знаходиться в газоподібній, рідинній або твердій фазах.

Дифузійні діоди відрізняються від сплавних меншою ємністю і більшою швидкодією.

За функціональним призначенням діоди поділяють на випрямні, стабілітрони, тунельні, варикапи, високочастотні (універсальні), імпульсні, перемикаючі, фото-діоди, світлодіоди, та інші.

Розглянемо деякі типи діодів, які широко застосовуються на практиці.

Рис. 2.2. Вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).

Випрямні діоди використовують вентильні властивості p-n-переходу і їх застосовують як випрямлячі змінного струму низької частоти в постійний. Для виготовлення випрямних діодів використовують германій, кремній і арсенід галію.

На рис. 2.2. показані вольт-амперні характеристики германієвого (а), кремнієвого (б) діодів та їх умовне позначення (в).

Германієві випрямні діоди можуть бути використані при температурах, що не перевищують 70-80 °С, кремнієві -- до 120-150°С, арсенід-галієві -- до 250°С. Переваги кремнієвих діодів: малі зворотні струми, більший температурний діапазон, більші допустимі зворотні напруги. Перевага германієвих - малі падіння напруги при прямих струмах. Арсенід-галієві діоди крім значних робочих температур, мають кращі частотні властивості ( 1 МГц і више ).

Дія випрямних діодів базується на використанні вентильних властивостей р-n-переходу. Випрямний діод являє собою електронний ключ, який керується прикладеною до нього напругою. При прямій напрузі ключ замкнений (відкритий), при зворотній -- вимкнутий (закритий). У відкритому стані випрямний діод має малий опір і дозволяє пропускати в навантаження великі струми.

Вентильний елемент - діод VD ввімкнено послідовно з навантаженням RH і вторинною обмоткою трансформатора. Струм ІН у навантажувальному резисторі з'являється лише в ті півперіоди напруги U2, коли вентиль VD відкритий. Напруга на навантаженні буде нижче вхідної на величину спаду напруги U на відкритому діоді.

Основними параметрами випрямних діодів, що характеризують їх роботу у випрямних схемах, є: максимально допустимий прямий струм Іпр.max через діод у прямому напрямку; максимально допустима зворотна напруга Uзв.max, яка не призводить до виходу приладу з ладу за визначених умов; прямий струм Іпр при 1..2В на переході; зворотний струм діода Ізв при напрузі Uзв.max. Випрямні діоди вибирають за параметрами Іпр.max, Uзв.max та за потужністю.

Стабілітрон - це напівпровідниковий діод, в якому використовується режим електричного пробою p-n- переходу при включенні діода в зворотному напрямку. Стабілітрони виготовляють з кремнію. На рис. 2.4 показані вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона (а) і його умовне позначення (б).

Схему однопівперіодного випрямляча наведено на рис. 2.3, а.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

б)

Рис. 2.3. Схема однопівперіодного випрямляча (а) і його часові діаграми (б)

Робочою ділянкою стабілітрона є зворотна гілка ВАХ. На ній точками А та В показані границі робочої ділянки. Як видно з рис.2.4, при підвищенні зворотної напруги відбувається різке зростання зворотного струму при майже незмінному рівні зворотної напруги. Це і дозволяє використовувати його як стабілізатор напруги. Якщо зворотний струм через стабілітрон не перевищує значення Іст max , то електричний пробій не переходить у тепловий і діод не псується.

Стабілітрони характеризуються наступними параметрами:

- напругою стабiлiзацiї Uст значенням напруги на стабілітроні при протіканні заданого струму стабiлiзацiї Iст;

- допустимим відхиленням напруги стабілізації вiд номінального значення, яке визначається при нормальному струмі стабiлiзацiї i виражається абсолютним значенням або відносним [];

- максимально допустимою потужністю розсіювання Рmax, при якій забезпечується задана надійність;

- мінімально допустимим струмом стабілізації Іст min; при струмах, менших Іст min, пробій стає нестійким i не забезпечується задана надійність роботи;

- максимально допустимим струмом стабiлiзацiї , при якому забезпечується задана надійність; величина цього струму визначається максимально допустимою потужністю розсіювання Рmax;

- диференціальним опором , тобто відношенням приросту напруги стабiлiзацiї до приросту струму;

- температурним коефіцієнтом напруги стабiлiзацiї (ТКН) бст , який визначається відношенням відносної зміни напруги стабiлiзацiї () до абсолютної зміни температури оточуючого середовища (Тоточ) при незмінному струмі стабiлiзацiї

.

На базі стабілітронів будують стабілізатори напруги.

Включення стабілітронів у схему стабілізації вихідної напруги показано на рис. 2.5

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 2.5. Схема параметричного стабілізатора напруги

Стабілітрон підключають паралельно навантаженню Rн, а в загальне коло включають обмежуючий резистор RБ, який є функціонально необхідним елементом. При збільшенні вхідної напруги збільшується струм через стабілітрон і резистор RБ (Rн = const), напруга на стабілітроні і навантаженні Uн = Uст = Uвих залишається незмінною, а надлишок вхідної напруги виділяється на RБ. Із зміною опору Rн струм, що протікає через опір RБ, залишається незмінним, але змінюється розподіл струмів між стабілітроном і навантаженням, а напруга Uвих , як і раніше зберегається незмінною.

Тунельний діод це напівпровідниковий діод, на прямій гілці ВАХ якого є ділянка з негативним диференціальним опором. ВАХ приладу та умовне позначення наведено на рис.2.6.

Рис. 2.6. ВАХ тунельного діода та умовне позначення

Наявність ділянки А В на рисунку пояснюється тим, що при дуже малих товщина запірного слою ( 10 нм і менше) спостерігається тунельний перехід зарядів із валентної зони в зону провідності.

Основними параметрами тунельного діода є:

струм піка Іп , що складає від десятих долей до сотен mA ;

струм впадини Ів;

відношення струму піка до струму впадини Іп / Ів = ( 5…20);

напруга пика Uп, від 50 до 150 mВ;

напруга впадини Uв, від 250 до 500 mВ;

напруга раствора Uр;

ємність тунельного діода С0.

Тунельні діоди, як швидкодіючі напівпровідникові прилади, застосовуються в генераторах високочастотних коливань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.Схема генератора на тунельному діоді наведена на рис.2.7.

Обернені діоди являють собою різновид тунельних і характеризуються тим, що замість ділянки з негативним диференціальним опором У них на вольт-амперній характеристиці є практично горизонтальна Ділянка (рис. 1.13, б). У цих діодах пряму вітку характеристики можна вважати зворотною. Обернений діод має значно меншу пряму напругу, ніж звичайні діоди, і може бути застосований для випрямлення прямих напруг. Значення зворотних напруг також малі.

Умовні позначення тунельного та оберненого діодів показані відповідно на рис. 1.13, б, г.

Варикап це напівпровідниковий діод, дія якого засновується на використанні залежності бар'єрної ємності p-n-переходу від значення прикладеної зворотної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю. Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика СВ= f ( Uзв

Керуюча напруга на варикап подається через високоомний резистор R. Це вилучає шунтування ємності варикапа малим внутрішнім опором джерела керуючої напруги. Змінюючи значення UK, змінюють зворотну напругу на варі капі і відповідно його ємність. Паралельно варикапу вмикається коливальний LС-контур, настроювання якого регулюють за допомогою варикапа. Роздільний конденсатор Ср вмикають для того, щоб не було шунтування варикапа малим опором індуктивності для постійної напруги.

Основними параметрами варикапа є:

ємність варикапа СВ, яка замірюється між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі;

коефіцієнт перекриття по ємності Кс, який дорівнює відношенню ємності варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги (Кс= 2…20).

температурний коефіцієнт ємності .

Завдяки можливості змінювати ємність за допомогою напруги варикапи використовуються для автоматичного або ручного настроювання високочастотних коливальних контурів та керування частотою генераторів гармонічних коливань.

Слід виділити особливу різновидність варикапів, які спеціально призначені для параметричного підсилення коливань і перетворювання несучої частоти. ЦІ прилади називають варакторами або параметричними діодами.

Для роботи в високочастотних та імпульсних пристроях призначені відповідно високочастотні та імпульсні діоди, що мають малу ємність ( <1пФ) та мінімальну тривалість перехідних процессів при вмиканні та вимиканні. Параметри високочастотних діодів таки самі як у випрямних, але їх застосовують при меншому електричному навантаженні. У швидкодіючих імпульсних колах широко застосовуються діоди Шотки.

Діоди Шотки побудовані на основі структури метал напівпровідник. Як напівпровідник в них частіше використовується кремній ( або арсенід галію ), як метал молібден, алюміній, яки наносяться методом вакуумного випаровування. Такий електричній перехід відрізняється меншим прямим спадом напруги через меншу висоту потенційного бар'єра для основних носіїв, а пряма гілка ВАХ ближче до реальной. Високочастотні діоди Шотки мають площу переходу за меншу 20-30 мкм2, ємність не більшу 1 пФ і дуже малий опір бази. Відсутність інжекції неосновних носіїв заряду, а значить і накопичування їх в базі, суттєво підвищує їх швидкодії. Тому тривалість перемикання у них долі наносекунди, а гранична частота десятки гігагерц. Це надає перевагу діодам Шотки при використанні у колах з високою частотою. Потужні діоди Шотки мають велику площу переходу, струми в них досягають десятків ампер, зворотні напруги 500 В. Завдяки меншій напрузі ( 0,3 В замість 0,7 В ) потужні металонапівпровідникові діоди забезпечують більш високий ККД випрямлячів.

Маркування напівпровідникових діодів передбачає шість символів.

Перший символ -- літера (для приладів загального застосування) або цифра (для приладів спеціального призначення), що вказує вихідний напівпровідниковий матеріал, з якого виготовлений діод: Г (1) -- германій, К (2) -- кремній; А (3) -- арсенід галію.

Другий символ -- літера, яка позначає підклас діода: Д -- випрямні, високочастотні (універсальні) і імпульсні діоди; В -- варикапи; С -- стабілітрони і стабістори; Л -- світлодіоди.

Третій символ -- цифра, що вказує призначення діода (у стабілітрона -- потужність розсіяння): наприклад, 1,2 -- випрямні, 3 -- магнітодіоди, 4 -- універсальні і т. п.

Четвертий і п'ятий символи -- двозначне число, що вказує порядковий номер розробки (у стабілітронів -- номінальна напруга стабілізації).

Шостий символ -- літера, що означає параметричну групу приладу (у стабілітронів -- послідовність розробки).

Приклади маркування діодів:

ГД412А -- германієвий (Г), діод (Д), універсальний (4), номер розробки 12, група А; КС196В -- кремнієвий (К), стабілітрон (С), потужність розсіяння не більше 0,3 Вт (1), номінальна напруга стабілізації 9,6 В (96), третя розробка (В).

Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпусу використовується кольорове маркування у вигляді міток, що наносять на корпус приладу.

3. БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

3.1 Конструкція, схеми вмикання та режими роботи биполярних транзисторів

Биполярними транзисторами ( БТ ) називають напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими p-n-переходами, трьома ( або чотирьома ) виводами і здатний посилювати потужність електричного сигналу.

У біполярному транзисторі використовуються водночас два типи носіїв заряду -- електрони і дірки (звідси і назва -- біполярний).

Конструктивно БТ являють собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якому відтворені три області з різною електропровідністю. Залежно від порядку чергування типу областей розрізняють транзистори типу n-p-n (рис. 1) і p-n-p (рис. 3.2).

Одну з крайніх областей яку використовують в режимі інжекції, називають емітером, а p-n-переход, що примикає до емітера, - емітерним. Проміжна область, в яку інжектуються неосновні носії, називають базою. Другу крайню область - колектором, а перехід - колекторним. Концентрація домішок у базі завжди значно менша, ніж у колекторі та емітері. Найважливішою умовою роботи БТ є дуже мала ширина базової області (одиниці, мкм), а площа колекторного переходу завжди більше площі емітерного переходу. Область емітера повинна володіти більш високою електропровідністю, ніж база та колектор.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Транзистор як активний напівпровідниковий прилад ( здатній підсилювати потужність) використовують таким чином, що один із його електродів є вхідним, а другий - вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу та виходу.

Залежно від того, який з трьох електродів транзистора є спільним для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 3.2, розрізняють три схеми вмикання транзисторів: із спільною базою (СБ), із спільним емітером (СЕ) і спільним колектором (СК).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3.2. Схеми вмикання БТ

Залежно від стану емітерного і колекторного переходів (відкритий чи закритий) розрізняють такі чотири режими роботи БТ.

Активний режим - на емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний - зворотна.

Інверсний режим - до колекторного переходу подана пряма напруга, а до емітерного - зворотна.

Насичення - обидва переходи знаходяться під прямою напругою.

Режим відсічки - до обох переходів підводять зворотні напруги.

Режими відсічки й насичення використовують в імпульсних і цифрових пристроях. Активний режим БТ є основним у підсилювачах потужності й генераторах коливань. Інверсний режим роботи БТ призводить до значного зменшення коефіцієнта передачи струму емітера і тому на практиці застосовується дуже рідко.

3.2 Принцип роботи біполярного транзистора в активному режимі

Розглянемо фізичні процеси в БТ типу p-n-p в активному режимі при його вмиканні за схемою із СБ (рис. 3.3).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3.3. Потоки дірок і електронів у БТ типу p-n-p в активному режимі

В активному режимі емітерний перехід (ЕП) зміщений в прямому напрямку, а колекторний (КП) - у зворотному. Концентрація домішок в базі значно менша ніж в емітері, а тому інжекція дірок з емітера в базу значно перевищує інжекцію електронів в зворотному напрямку. Інжекція носіїв обумовлює проходження через емітерний перехід дифузійних струмів.

Таким чином струм емітера ІЕ дорівнює сумі діркової ІЕр та електронної ІЕn складової: ІЕ = ІЕр +ІЕn.

Електронна складова струму ІЕn обумовлена рухом електронів із бази в емітер і замикається у вхідному колі через джерело напруги UЕБ. Вона не бере участі в утворенні струму в електричному колі колектора.

Більшість дірок, які є неосновними носіями бази, завдяки дрейфу досягають зони колектору, де вони є основними носіями, і, потрапляючи під дію прискорюючого поля колекторного переходу, утворюють керовану частину струму колектора - ІКр.

Значення струму колектора ІКр пропорційне струму емітера ІЕ :

ІКр = аІЕ,

де а - інтегральний (статичний) коефіцієнт передачі струму емітера в схемі з СБ, який досягає значення 0,95- 0,99 і більше, не перевищуючи, однак, одиниці.

Можливість керувати вихідним струмом транзистора змінюючи вхідний струм, є важливою властивістю БТ як активного елемента електронних схем.

Крім керованої частини колекторного струму ІКр в електроді колектора протікає некерована - зворотний (тепловий) струм колекторного переходу - ІКБ0. Напрямок зворотного струму колектора ІКБ0 збігається з напрямком керованої частини колекторного струму і тому вихідний струм транзистора дорівнює:

ІК = аІЕ + ІКБ0.

Згідно з першим законом Кірхгофа, між струмами електродів БТ завжди дійсні співвідношення: ІЕ = ІК + ІБ ,

де ІБ = ІБрек - ІКБ0 + ІЕn - струм бази.

Оскільки коефіцієнт передачі струму а < 1, схема зі СБ не забезпечує посилення за струмом.

Однак тому, що в коло колектора можна вмикати резистори з великими опорами і зворотна напруга, прикладена до колекторного переходу, значно більше напруги прямозміщеного емітерного переходу, посилення у транзисторі за напругою і за потужністю може бути значним.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3.4. Потоки електронів і дірок у транзисторі типу n-р-n

Подібні процеси протікають і в транзисторі типу n-p-n (рис. 3.4), але в ньому міняються ролями електрони й дірки, а також змінюються полярності напруг і напрямки струмів.

3.3 Статичні характеристики біполярного транзистора

Для кожної схеми вмикання в активному режимі транзистора існують свої сім'ї статичних характеристик.

Основними статичними характеристиками біполярного транзистора є:

вхідні Івх = ѓ(Uвх) при Uвих = const та вихідні Івих = ѓ(Uвих) при Івх = const.

3.3.1 Статичні характеристики БТ для схеми СБ

Для схеми вмикання зі СБ загальною точкою для входу і виходу є база. Тоді :

Івх = ІЕ; Івих = ІК; Uвих = UКБ; Uвх = UЕБ.

Вхідні та вихідні статичні характеристики БТ типу n-р-n для схеми зі СБ представлені на рис. 3.5.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

а б

Рис. 3.5. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СБ:

а) вхідні; б) вихідні

Вхідні характеристики БТ в схемі зі СБ виражаються залежністю IE = f(UEБ), при UКБ = const.

В активному режимі роботи транзистора зі збільшенням прямої напруги UЕБ знижується потенційний бар'єр в емітерному переході, збільшується інжекція носіїв ІЕn і ІЕр через перехід, тому росте струм емітера.

При UКБ = 0 вхідна характеристика ідентична прямій гілці ВАХ діода. При подаванні позитивної колекторної напруги UКБ > 0 збільшується ширина колекторного переходу, отже, зменшується ширина бази, збільшується градієнт концентрації неосновних носіїв у базі, внаслідок чого збільшується ІЕ і характеристика зміщується ліворуч.

Вихідні характеристики БТ в схемі з СБ визначаються залежністю IK = f(UКБ), при IE = const.

При IE = 0 характеристика проходить через початок координат (без струму емітера при UKБ = 0 не може бути і колекторного струму). Якщо тепер збільшувати зворотну напругу на колекторі, то в його колі з'явиться IКБ0.

Вихідні характеристики мають вигляд прямих ліній. Залежність між струмами IК і IЕ майже лінійна. Тому вихідні характеристики при однаковій зміні струму ДIЕ зміщуються на однакову відстань.

При зміні знака напруги UКБ вже при невеликих його значеннях струм колектора різко зменшується.

Вихідні характеристики мають три характерні області: І - сильна залежність ІК від UКБ, де обидва переходу транзистора відкриті і спостерігається режим насичення струму; ІІ - слабка залежність ІК від UКБ, де можливий активний (підсилювальний) режим роботи транзистора; ІІІ - пробій колекторного переходу.

На сім'ї вихідних характеристик БТ зображена крива максимально допустимої потужності розсіювання колектором РКmax. Вона обмежує значення ІК та UКБ областю дозволених режимів транзистора, які лежать нижче кривої РКmax.

3.3.2 Статичні характеристики БТ для схеми СЕ

Для схеми вмикання з СЕ загальною точкою для входу і виходу є емітер. Очевидно, що

Івх = ІБ; Івих = ІК; Uвих = UКЕ; Uвх = UБЕ.

В даному випадку вхідним є струм бази ІБ, тоді керована частина колекторного струму буде визначатись виразом

ІК = аІЕ + ІКБ0 = а ( ІК + ІБ ) + ІКБ0.

Розв'язуємо ці рівняння відносно ІК.. Тоді одержуємо:

,

де - коефіцієнт передачі струму бази;

- наскрізний струм емітера.

Враховуючи наведені раніше значення а, стає очевидним, що , а це означає, що в схемі зі СЕ є підсилення струму.

Якщо відомий коефіцієнт , то можна визначити за формулою .

Таким чином, при вмиканні транзистора за схемою з СЕ спостерігається посилення за струмом, за напругою та за потужністю.

Вхідні і вихідні характеристики БТ типу n-р-n вмикання з СЕ, показані відповідно на рис. 3.6.

Вхідні характеристики БТ в схемі зі СЕ виражаються залежністю IБ = f(UБE), при UКЕ= const. Сім'я вхідних ( або базових ) характеристик ( Рис. 3.6,а) ілюструє залежність базового струму IБ від напруги на емітерному переході UБE за умови постійності напруги UКЕ між емітером та колектором.

При UКЕ = 0 вхідна характеристика відповідає прямій гілці ВАХ емітерного і колекторного переходів, ввімкнених паралельно. Струм бази є сумарним струмом двох прямих струмів емітерного і колекторного переходів.

При UКЕ > 0 струм бази становить лише малу частину струму емітера, характеристика зміщується праворуч.

Вихідні характеристики БТ ( колекторні ) в схемі зі СЕ ( Рис. 3.6,б ) відображають залежність IК = f(UКЕ), при ІБ= const і досить точно описуються співвідношенням

де

Згідно з рівнянням, при збільшенні струму бази на значення IБ` збільшується струм колектора, тому вихідні характеристики зміщуються вверх.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

а б

Рис. 3.6. ВАХ транзистора, увімкненого за схемою з СЕ:

а) вхідні; б) вихідні

Характеристики мало відрізняються від характеристик для схеми з СБ, за виключенням таких особливостей.

По-перше, вихідні характеристики в схемі з СЕ мають більший нахил.

Це засвідчує зменшення вихідного опору транзистора. Ріст струму колектора зі збільшенням напруги UКЕ визначається зменшенням ширини бази за рахунок збільшення ширини області об'ємного заряду колекторного переходу. При зменшенні ширини бази коефіцієнт перенесення неосновних носіїв через область бази зменшується, отже, збільшується коефіцієнт передачі струму емітера. Коефіцієнт передачі струму бази в схемі з СЕ росте швидше, ніж коефіцієнт а. Тому при постійному струмі бази струм колектора збільшується більше, ніж у схемі з СБ.

По-друге, як вихідні, так і вхідні характеристики стрімко змінюють свій хід при напрузі колектора, близьких до напруги бази. Це пояснюється тим, що колекторний перехід при такій напрузі відкривається й з'являється зустрічний струм дірок від колектора. При UКЕ = 0 вхідна характеристика представляє собою вольт-амперну характеристику двох переходів, увімкнених паралельно в прямому напрямку, тому UБЕ різко знижується.

Характеристики схеми з СК схожі з характеристиками схеми з СЕ, оскільки в обох схемах вхідним струмом є струм бази, а вихідні струми ІЕ ? ІК. Тому для графічного аналізу схеми з СК використовують сім'ї статичних характеристик схеми СЕ.

Характеристиками транзистора користуються, як правило, для визначення режимів роботи транзисторних каскадів за будь-якою схемою ввімкнення, а також для графічного аналізу цих каскадів при великих сигналах. Для аналітичного розрахунку транзисторних каскадів застосовують еквівалентні схеми транзисторів. Еквівалентні схеми транзистора підрозділяють на дві групи: еквівалентні схеми, побудовані з урахуванням фізичних властивостей транзистора, його структури і геометрії (моделі транзистора), і еквівалентні схеми, що відображають властивості транзистора як активного лінійного чотириполюсника (формальні еквівалентні схеми). Перші характеризуються фізичними (внутрішніми) параметрами транзистора, другі -- параметрами транзистора як чотириполюсника (характеристичними параметрами).

3.4 Біполярний транзистор як активний лінійний чотириполюсник

При любій схемі вмикання, якщо рівень вхідного сигналу малий і транзистор працює на лінійній ділянці ВАХ ( робота в режимі малого сигналу ), його можна розглядати як активний лінійний чотириполюсник (рис. 3.7), в якому напруги і струми на вході U1 і І1 і виході U2 і І2 зв'язані між собою різноманітними системами рівнянь.

Ріс. 3.7. Еквівалентний чотириполюсник

На практиці для характеристики транзисторів найбільш зручна система h-параметрів і відповідна їм система рівнянь. Коефіцієнти в цих рівняннях, які називають h-параметрами, мають певну фізичну суть:

де при Д - вхідний опір транзистора при короткому замиканні на виході для змінної складової струму;

при ? - коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою при розімкнутому вході для змінної складової струму;

при ? - коефіцієнт передачі струму при короткому замиканні на виході;

при ? - вихідна провідність при розімкнутому вході.

Розмірність останнього параметру в відповідно до СІ позначається См (сіменс).

Еквівалентна схема транзистора в h-параметрах наведена на рис. 3.8.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3.8. Еквівалентна схема транзистора для системи

h-параметрів

Джерело h21I1 еквівалентної схеми називають залежним джерелом струму, тому що значення струму цього джерела залежить від струму на вході. Це джерело характеризує підсилення вхідного струму. Аналогічно джерело h12U2 називають залежним джерелом ЕРС. Воно характеризує зворотний зв'язок по вихідній напрузі.

Система рівнянь може бути конкретизована в залежності від схеми вмикання:

Схема з СБ Схема з СЕ

3.4.1 Визначання h-параметрів БТ за статичними характеристиками

Величина h-параметрів залежить від схеми вмикання транзистора. Їх можна визначити графоаналітично за статичними вхідними і вихідними характеристиками.

Для визначення усіх h-параметрів графоаналітичним методом необхідно мати не менше двох характеристик кожної сім'ї. Параметри розраховують за величинами кінцевих приростів струмів і напруг поблизу робочої точки транзистора.

Розглянемо визначення h-параметрів транзистора у вибранній робочій точці по вхідним і вихідними характеристиками транзистора для схеми з СЕ (рис. 3.9).

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3.9. Визначення h-параметрів для схеми з СЕ:

а) за вхідними характеристиками;

б) за вихідними характеристиками

Параметри вхідного кола h11 і h12 визначають за вхідними характеристиками транзистора (рис. 3.9, а). За точку спокою транзистора обираємо точку А. Задаємо приріст струму бази IБ симетрично відносно точки А при постійній напрузі колектора UКЕ (точки 1 і 2, (рис. 3.9, а)). Знаходимо відповідну IБ зміну напруги UБE. Тоді вхідний опір транзистора

Для постійного струму бази в робочій точці IБ0 = IБ`` задаємо приріст напруги колектора UКЕ =UКЕ` - UКЕ `` (точки А і В) і визначаємо відповідну цьому зміну напруги бази UБЕ`. Тоді коефіцієнт зворотного зв'язку за напругою

Параметри h22 і h21 визначаємо за вихідними характеристиками для тієї ж точки А (рис. 3.9, б). При сталому струмі бази IБ`` задаємо симетрично точці А приріст колекторної напруги UКЕ (точки 3 і 4) і знаходимо відповідний цьому приріст струму колектора IК` .

Тоді вихідна провідність транзистора

Вона має позитивне значення, тому що збільшення напруги супроводжуються збільшенням струму.

Далі при постійній напрузі колектора задаємо приріст струму бази IБ` теж симетрично відносно точки А (точки С і D) і знаходимо відповідний приріст струму колектора IК`` . Тоді диференціальний коефіцієнт передачі струму бази

Аналогічно можна визначити за відповідними характеристиками параметри транзистора в інших схемах вмикання. Точність визначення параметрів графоаналітичним методом недостатньо висока. Точніші результати дає безпосереднє вимірювання параметрів за допомогою спеціальних вимірювальних приладів.

Слід відзначити, що параметри транзистора в різних схемах вмикання однозначно зв'язані між собою й у разі потреби завжди можна перейти від однієї системи параметрів до іншої за допомогою формул переходу співвідношень між параметрами в трьох схемах вмикання (табл. 1).

Таблиця 1

Схема з СЕ	Схема з СК	Схема з СБ

Типові значення h-параметрів для схем з СЕ і СБ наведені в таблиці 2

Таблиця 2

Параметр	Схема із СЕ	Схема із СБ
Вхідний опір - h11 Коефіцієнт зворотнього зв'язку за напругою - h12 Коефіцієнт передачі струму - h21 Вихідна провідність - h22	Сотні Ом - одиниці кОм 10-3 - 10-4 Десятки - сотні Одиниці - десятки кОм	Одиниці - десятки Ом 10-3 - 10-4 0,950 - 0,998 Сотні кОм - одиниці МОм

3.4.2 Фізичні параметри та еквівалентні Т - подібні схеми БТ

При розрахунку схем на БТ для режиму на постійному струмі ( статичний режим ) використовують фізичну модель БТ, названою моделлю Молла-Еберса, де транзистор зображено сукупністю двох діодів та джерелами струму ( рис. 3.10) без урахування малих опорів ділянок бази rБ і колектора rK.

При аналізі змінних складових струмів і напруг у схемах на БТ ( у підсилювальному режимі ) використовують еквівалентні Т- подібні схеми, де враховують власні ( фізичні ) параметри самого транзистора. До фізичних параметрів відносяться опори rЕ, rБ, rK, тобто опори емітера, бази та колектора змінному струму. Опір rЕ - це сума опорів емітерного переходу і емітерної області. Так саме rK - це опір суми опорів колекторного переходу та колекторної області. Опір бази rБ є поперечним опором бази. Фізичні параметри транзистора не залежать від його схеми вмикання. На рис. 3.11 показані Т- подібні схеми транзистора при його вмиканні за схемами із СБ і СЕ.

Дамо характеристику елементам, що входять у еквівалентні схеми.

Диференціальний опір емітерного переходу визначається виразом

при UК = const.

Опір rЕ залежить від сталої складової струму ІЕ за співвідношенням



Значення rЕ сягає десятки омів.

2. Об'ємний опір бази rБ досить значний. Числове значення його залежно від типу транзистора становить 100…300 Ом.

3. Диференціальний опір колекторного переходу визначається виразом

при ІК = const.

Значення rK лежить у межах 100…1000кОм.

4. Джерело струму - аІЕ, у схемі із СБ, враховує транзитну складову струму емітера, що проходить крізь базу до колектора.

Диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму виражається співвідношенням при UК = const. Величину а на середних частотах вважають сталою, але на високих частотах значення а зменшується. На гранічної частоті - fа, модуль зменшується в = 1,41 раза. За параметром fа БТ поділяють на низькочастотні ( 3 МГц ), середньочастотні ( 3…30 МГц ), високочастотні ( 30…300 МГц ) та надвисокочастотні ( > 300 МГц ).

5. Джерело струму - ІБ, у схемі із СЕ, характеризує струм через колекторний перехід. Диференціальний коефіцієнт передачі емітерного струму виражається співвідношенням при UК = const і є також частотно залежним. Гранична частота - f , якщо її визначити за ознакою зменшення в = 1,41раза, буде в ( 1+ ) разів меншою, тобто f = fа /( 1+ ). Тому частотні властивості БТ в схемі СЕ гірші, ніж у схемі СБ.

6. Ємності СЕ і СК емітерного та колекторного переходів, як і будь якого p-n-переходу, містять бар'єрну і дифузійну складові. Власні значення ємностей залежать від типу транзистора. У високочастотних БТ вони менші, ніж у низькочастотних і становлять СЕ - сотні пікофарад, а СК - десятки пікофарад. СК дуже впливає на роботу БТ в ділянці низьких частот ( десятки кГц ), оскільки ця ємність зашунтована великим опором rK, на відміну від СЕ, що зашунтована малим опором rЕ . Тому ємність СЕ дужче впливає на роботу БТ на ділянці високих частот ( десятки МГц ). На ділянці середніх частот ( десятки Гц і одиниці кГц ) вплив ємностей СЕ і СК у еквівалентній схемі не враховують.

Приведені Т- подібні еквівалентні схеми БТ є приблизними, але їх використання для вирішення теоретичних та практичних задач не дає значних похибок. У довідниках значення rЕ, rБ та rK не приводяться, тому їх розраховують за відомими h-параметрами транзистора.

Параметр	СЕ	СБ
	h21Е
rЕ	h12Е / h22Е
rK		1/h22Б
rБ		h12Б/h22Б
а		- h21Б

3.5 Динамічні характеристики БТ

У біполярному транзисторі значення колекторного струму обмежується зверху ( див. Рис. 3.5 ) допустимою потужністю розсіювання на колекторі. Її перевищення спричиняє пробій транзистора. Тому, для обмеження колекторного струму, використовують резистор в колекторному ( або емітерному ) колі.

У схемі підсилення на БТ ( рис. 3.12, а ) величина струму колектора обмежена на рівні ІКmax =EK / RK , де EK - напруга джерела живлення, а RK - резистор в колі колектора. Напруга джерела живлення розподіляється між ділянкою К-Е транзистора та опором навантаження - EK = UКЕ + ІК RK. Потенціал колектора починає змінюватися разом

4. ТИРИСТОРИ

4.1 Структура та основні види тиристорів

Тиристорами називають напівпровідникові прилади з трьома (і більше) р-n-переходами, які мають два стійких стани: відкритий і закритий, головним застосуванням яких є безконтактна комутація електричних кіл.. Розрізняють діодні (некеровані) і тріодні (керовані) тиристори. Тиристор з двома виводами називають діодним тиристором або диністором. Тиристор з трьома виводами, з яких один є керувальним електродом, називають тріодним тиристором або триністором.

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

А б

Рис. 1. Структура (а) та ВАХ (б) диністора

Диністор представляє собою двополюсну чотиришарову структуру напівпровідника р1-п1-р2-п2- (рис. 1,а), що чергуються, та три р-n-переходи.

Крайні випрямляючі переходи (р1-п1 і р2-п2 ) називають емітерними переходами (ЕП). Шари p1, п2, прилеглі до ЕП є емітерними. Середній р2-n1-перехід називають колекторним (КП). Металевий контакт, прилеглий до крайньої p1-області, називають анодом (А), а контакт, прилеглий до крайньої n2-області, - катодом (К). Внутрішні p2 і n1-області структури називають базами.

Розглянемо процеси, яки протікають у диністорі при подаванні на нього прямої напруги, коли до аноду p1 підключити “ + ” U - плюс зовнішньої напруги, а до катоду n2 “ - ” - мінус. У цьому випадку емітерні переходи ЕП1,2 зміщуються у прямому напрямку, а КП - у зворотному і на ньому падає майже вся напруга зовнішнього джерела U. Тиристор закритий, струм в колі дуже малий і визначатиметься зворотним струмом КП.

Так як ЕП1,2 відкриті, то дірки інжектують з області р1 в область n1, а електрони - з області n2 в область р2. Частина носіїв, уникнувши рекомбінації, досягає зворотно зміщеного КП і перекидається його полем: дірки - у базу р2, а електрони - у базу n1. Поява дірок у базі р2 приводить до утворення нескомпенсованого “ + ” заряду, а електронів у базу n1 - нескомпенсованого “ - ” заряду. Електричним полем зарядів зменшується висота потенціального бар'єра КП, що викликає збільшення зустрічної інжекції носіїв. У структурі розвівається лавиноподібний процес збільшення струму. Все це призводить до зменшення опору КП і падінню напруги на тиристорі. Тиристор переходить з закритого стану у відкритий.

Описані процеси визначають ВАХ диністора, показану на рис. 1, б, на прямій гілці якої можна виділити дві стійкі зони: область ІІІ (непровідний стан приладу ) з малими значеннями струму при великих значеннях напруги U і область вмикання І (відкритий стан приладу) з великими значеннями струму при малих значеннях напруги U. Точки А та В називають відповідно точками вмикання й утримання диністора, а відповідні їм струми називають струмом вмикання (Івм) та струмом утримування (Іут). Між точками А та В лежить область ІІ (лавинного пробою), в якій диністор володіє негативним диференціальним опором.

...