Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
СОДЕРЖАНИЕ
|
[1] [1.1] Введение, основные термины и определения [1.2] Зонная структура полупроводников [1.3] Структура связей атомов и электронов полупроводника [1.4] Концентрация подвижных носителей заряда в собственном полупроводнике [1.5] Примесные полупроводники [1.5.1] Концентрация носителей заряда в примесных полупроводниках [1.6] Электропроводность полупроводников [1.7] P-N структуры [1.8] Вольтамперная характеристика p-n перехода [1.9] Пробой p-n перехода [1.10] Емкость p-n перехода [1.11] Свойство переходов металл-полупроводник
[2] [2.1] Особенности и свойства полупроводниковых диодов, вольтамперная характеристика диода [2.2] Разновидности диодов, система параметров [2.2.1] Универсальные диоды [2.2.2] Силовые диоды [2.2.3] Импульсные диоды [2.2.4] Стабилитроны [2.2.5] Варикапы [2.3] Система обозначений диодов
[3] [3.1] Вольтамперные характеристики транзисторов [3.2] Эквивалентная схема транзистора [3.3] Система обозначений и классификация транзисторов [3.4] Составные транзисторы
[4] [4.1] Вольтамперные характеристики полевого транзистора с p-n переходом [4.2] МОП (МДП) – транзисторы [4.3] Система обозначений полевых транзисторов
[5] [5.1] Динисторы [5.2] Вольтамперная характеристика динистора [5.3] Тринисторы (тиристоры) [5.4] Вольтамперная характеристика тринистора [5.5] Симисторы [5.6] Запираемые тиристоры [5.7] Параметры и система обозначений тиристоров
[6] [6.1] Светодиоды [6.2] Характеристики светодиодов [6.3] Система обозначений светодиодов [6.4] Фоточувствительные приборы [6.5] Вольтамперная характеристика фотодиода [6.6] Параметры фотодиодов [6.7] Фототранзисторы [6.8] Фототиристоры [6.9] Фоторезисторы [6.10] Оптроны [7] Вопросы для самопроверки [8] КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА. [8.1] Методические указания к выполнению контрольной работы. [8.2] Оформление отчета по контрольной работе. [8.3] Задание. [9] Пример выполнения контрольной работы
[10]
[11] |
Известно, что электроны в атомах могут обладать лишь определенными (не произвольными) значениями энергии, которые называются энергетическими уровнями. При этом электроны расположенные ближе к ядру атома имеют меньшую энергию, то есть находятся на более низких энергетических уровнях и сильнее связаны с ядром. Чтобы удалить электрон от ядра надо преодолеть их взаимное притяжение, на что требуется затратить некоторую энергию.
Рис.1.1. Энергетические уровни.
Чем на более высоком энергетическом уровне он находится, тем дальше электрон от ядра, тем слабее он привязан к нему. Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, то выделяется некоторое количество энергии, называемое квантом, которое уносится в виде электромагнитного излучения с частотой ν.
Величина этой энергии определяется соотношением ∆W = hν, где h = 6,62∙10-34 – постоянная Планка. Очевидно, справедливым будет и обратное утверждение, что если электрону, находящемуся на уровне W1 сообщить энергию ∆W, то он перескочит на уровень W2.
Электроны в отдельном атоме занимают дискретные уровни энергии, но при объединении большого количества атомов в твердых телах и сближении отдельных атомов кристаллической решетки на очень близкое расстояние, эти уровни занимают положения с различными энергиями, как-бы «расщепляются», образуя так называемые энергетические зоны. То есть вместо одного уровня образуется целый набор энергетических уровней, отличающихся небольшим значением энергии. Формально это объясняется принципом Паули, согласно которому не может существовать двух совершенно одинаковых электронов, они должны отличаться, например энергией или направлением вращения. Этот набор уровней и называют энергетической зоной.
Электроны внешней оболочки атома, которые участвуют в образовании химических и электрических связей, обладают уровнями энергии, входящими в состав так называемой валентной зоны. Этими электронами атомы связаны полярной ковалентной или какой-либо другой связью, и они не могут перемещаться по кристаллу, то есть служить переносчиками электрического тока.
Но связь можно разорвать, например, путем подачи кванта энергии извне. В этом случае при наличии внешнего электрического поля электрон сможет перемещаться по кристаллу, т.е. служить переносчиком электрического тока. Электрон при этом попадает в более высокую энергетическую зону, которая называется зоной проводимости, поскольку электроны, находящиеся в этой зоне, обуславливают электропроводность.
Энергетические зоны могут перекрываться (например, в металлах), а могут быть разделены запрещенной зоной (например, в полупроводниках и диэлектриках).
В металлах сил кристаллической решетки не хватает, чтобы удержать электроны на своих местах, т.е. являясь валентными, они одновременно могут перемещаться по кристаллу. Это обстоятельство на зонной диаграмме отображается слиянием валентной зоны и зоны проводимости.
В металлах даже при температуре абсолютного нуля самопроизвольное движение электронов по кристаллу не прекращается, однако так как выделенного направления движения в отсутствии внешнего электрического поля нет, то суммарный ток равен нулю. Металл при этом будет электрически нейтральным. В них нельзя определить какой электрон, какому атому принадлежит, они общие и образуют так называемый электронный газ. Проводимость металлов чисто электронная.
У диэлектриков валентные электроны сильно связаны с кристаллической решеткой и в нормальных условиях зона проводимости пуста, вещество ток не проводит. Чтобы оторвать электрон от атома, перебросить его в зону проводимости ему требуется сообщить энергию, определяемую шириной, так называемой запрещенной зоны. Это область энергий, которой электроны не могут обладать.
У полупроводников энергетическая диаграмма имеет такую же структуру, но ширина запрещенной зоны гораздо меньше (Ge - 0,66 эВ, Si – 1,11 эВ, GaAs - 1,43 эВ), чем у изоляторов (единицы, десятки эВ). Поэтому полупроводник станет проводить электрический ток, если валентные электроны получат энергию больше ширины запрещенной зоны. Для этого полупроводник можно нагреть, подействовать внешним излучением и т.п. Теоретически это же можно сделать и с изоляторами, но при подведении соответствующих уровней энергии изоляторы, до того как стать проводниками, разрушаются.
Рис.1.2. Энергетические диаграммы металла,
изолятора и полупроводника.
В полупроводниках без каких-либо примесей (они называются собственными или полупроводниками i-типа) при температуре абсолютного нуля все уровни валентной зоны заняты электронами, а в зоне проводимости находятся полностью свободные уровни и потому полупроводник превращается в изолятор. Энергетическая диаграмма собственного полупроводника представлена на рис. 1.3.
Рис. 1.3. Структура энергетических зон
собственного полупроводника
Свойствами полупроводников обладает большое количество материалов, в частности кремний (Si). Он четырёхвалентен и связь между атомами в кристалле является ковалентной или парноэлектронной. То есть любой электрон внешней оболочки одновременно как бы принадлежит двум атомам, а в целом у каждого атома формируется устойчивая восьмиэлектронная оболочка. Эти связи можно условно представить в виде параллельных линий, как показано на рис. 1.4
Рис.1.4. Структура кристаллической решетки
и принцип образования ковалентных связей
в собственном полупроводнике.
В отличие от металлов в полупроводнике каждый электрон при T = 0° находится на вполне конкретном месте и за его перемещением в принципе можно проследить.
При температуре выше абсолютного нуля тепловое возбуждение приводит к перебросу части электронов из валентной зоны через запрещенную зону на дно зоны проводимости (). По этой причине отсутствие электрона в валентной зоне приводит к появлению положительного заряда в химической связи, который характеризуется как положительно заряженная квазичастица – дырка. Следовательно, носителями зарядов в полупроводниках являются электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне. Движение дырок можно представить как совокупное поведение электронов валентной зоны.
Процесс образования свободных электронов и дырок под воздействием тепла называют тепловой генерацией. Она характеризуется скоростью генерации G, определяющей количество пар носителей заряда, генерируемых в единицу времени. Помимо тепловой генерации возможна генерация под воздействием света или каких-либо других энергетических воздействий.
Так как кристалл – регулярная и упорядоченная структура, то образование одного свободного электрона обязательно будет сопровождаться рождением одной дырки. Этот процесс называется генерацией электронно-дырочных пар.
Рис.1.5. Перемещение электрона в кристаллической
решетке собственного полупроводника.
Условно это отображено на рис. 1.5. При перемещении электронов вправо происходит последовательная ионизация атомов кремния и можно считать, что некоторый положительный ионизирующий заряд перемещается влево. На самом деле движущихся положительных зарядов здесь нет, его роль выполняет дырка - пустое место в ковалентной связи.
Рис.1.6. Переход электрона из валентной зоны
в зону проводимости.
С этой точки зрения дырку считают переносчиком электрического тока, но имеющим положительный электрический заряд (это не реальная частица типа позитрона или иона, а некоторая абстракция, вводимая лишь для моделирования протекающих процессов). В данной ситуации ток через полупроводник будет протекать, хотя формально в зоне проводимости может не оказаться ни одного электрона.
Возникшие в результате генерации носители заряда находятся в состоянии хаотического движения. Двигаясь хаотически, электроны могут занимать вакантные места в ковалентных связях, при этом выделяется ранее затраченная энергия. Это явление называют рекомбинацией и характеризуют скоростью рекомбинации R, определяющей количество пар носителей заряда, исчезающих в единицу времени.
При переходе электрона в зону проводимости ток будет обусловлен его перемещением по кристаллу. При наличии дырки между ковалентными связями кристалла будут перемещаться разные электроны, что эквивалентно движению одной дырки.
Проводимость собственного (без примесей) полупроводника имеет двойственный характер, она определяется наличием как электронов в зоне проводимости, так и дырок в валентной зоне. Проводимость зависит от концентрации носителей, то есть от их количества в единице объёма. Концентрацию электронов обозначают буквой n (negative), а дырок – p (positive)
Если дырок в валентной зоне нет, а электроны в зоне проводимости присутствуют, то переносчиками тока будут только электроны и такой ток называется электронным. Если же в зоне проводимости электроны отсутствуют, а дырки в валентной зоне есть, то ток всё равно может течь, но его носителем будут дырки. Такой ток называется дырочным, так как он обусловлен перемещением дырок.
В равновесном состоянии для собственного полупроводника генерация и рекомбинация протекают с одинаковой скоростью , поэтому в полупроводнике устанавливается собственная концентрация электронов, обозначаемая , и собственная концентрация дырок, обозначаемая . Индекс i происходит от англ. intrinsic – собственный. Поскольку электроны и дырки генерируются попарно, то в собственном полупроводнике выполняется условие . Скорость тепловой генерации обратно пропорциональна ширине запрещенной зоны и прямо пропорциональна температуре T. Поэтому чем шире запрещенная зона, тем меньше концентрация собственных носителей заряда.
Энергетический уровень, вероятность нахождения электронов на котором равна ½, называется уровнем Ферми (). В собственных полупроводниках уровень Ферми располагается посередине запрещенной зоны.
Ширина запрещенной зоны в полупроводниках хоть и слабо, но меняется с изменением температуры. Это происходит по двум причинам: из-за изменения амплитуды тепловых колебаний атомов решетки, которое ведет к уменьшению с ростом температуры; из-за изменения межатомных расстояний, т.е. объема тела, благодаря чему может как уменьшаться, так и увеличиваться. Как показывают экспериментальные результаты, ширина запрещенной зоны большинства полупроводников уменьшается с ростом температуры. Эти зависимости для Ge, Si и GaAs приведены на рис. 1.7.
Рис. 1.7. Зависимость ширины запрещенной зоны
от температуры.
Зависимость в этих полупроводниках может быть аппроксимирована универсальной функцией, используя которую можно определить ширину запрещенной зоны для любой температуры
(1)
Числовые значения параметров , и определяются по экспериментальным зависимостям и приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Основные параметры полупроводниковых материалов.
|
Материал полупроводника |
Si |
Ge |
GaAs |
|
|
Ширина запрещенной зоны при |
1.17 |
0.744 |
1.519 |
|
|
Параметры для |
4.73∙10-4 |
|||
|
636 |
235 |
204 |
Если носители тока в полупроводнике есть, но внешнее электрическое поле отсутствует, то они совершают хаотические перемещения и в целом ток будет равен нулю. Если же приложить некоторую разность потенциалов, то электрическое поле упорядочит движение носителей, и электроны будут перемещаться к положительному полюсу, а дырки к отрицательному. Такое движение носителей (под действием электрического поля) называется дрейфом. Полный ток в этом случае будет складываться из электронного и дырочного.
В единичном объеме конкретного полупроводника при данной температуре находится определенное количество свободных носителей (электронов и дырок), которое называется концентрацией. Для нахождения концентрации носителей необходимо учесть число имеющихся в разрешенной зоне (зона проводимости для электронов и валентная зона для дырок) свободных энергетических уровней N(), принимая во внимание принцип запрета Паули.
В теории твердого тела показано, что плотность энергетических уровней N (плотность состояний), приходящихся на единичный интервал энергии, зависит от энергии (рис. 1.8, а):
(3)
(4)
Рис. 1.8. Зависимости плотности энергетических
состояний
(а), вероятностей заполнения уровней свободными носителями
(б) и концентраций свободных носителей
(в) от энергии в беспримесном полупроводнике
В системах частиц, описываемых антисимметричными волновыми функциями, осуществляется распределение Ферми-Дирака. Этой статистикой описывается поведение систем фермионов (электронов, протонов, нейтронов) – частиц, подчиняющихся принципу Паули и имеющих полуцелый спин (±1/2). Вероятность заполнения разрешенных уровней определяется функцией Ферми-Дирака (рис. 1.8. б), содержащей в качестве параметров состояния температуру и энергию уровня Ферми:
(5)
(6)
Если число электронов (или дырок), приходящихся на любой энергетический интервал, меньше числа возможных состояний, то такой полупроводник называется невырожденным. Невырожденными полупроводниками являются нелегированные и слабо легированные полупроводники. Полупроводники становятся вырожденными при высоких концентрациях примесей, когда число подвижных носителей превышает число возможных состояний. В невырожденных полупроводниках электроны и дырки имеют энергию, значительно отличающуюся от энергии Ферми. Разность , как правило, более чем в три раза превышает значение . Поэтому единицей в знаменателях формул (5, 6) можно пренебречь. Тогда вероятность заполнения энергетических уровней в зоне проводимости будет распределением Максвелла-Больцмана классической статистики
(7)
А вероятность возникновения дырки будет равна
(8)
Энергетическая плотность электронов и дырок равна
(9)
(10)
Для определения концентрации электронов и дырок в полупроводнике надо проинтегрировать по энергии энергетическую плотность электронов и дырок соответственно
(11)
(12)
Здесь – эффективная плотность состояний в зоне проводимости, а – эффективная плотность состояний в валентной зоне.
(13)
(14)
В собственном полупроводнике , следовательно
(15)
Логарифмируя и решая относительно , получаем
(16)
Величина значительно меньше, чем , поэтому уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен приблизительно посередине запрещенной зоны.
Если в полупроводник вводится некоторая примесь, например пятивалентного элемента (сурьмы, фосфора, и т.п.), то атомы примеси частично заместят атомы полупроводника в кристаллической решетке, отдав четыре электрона на образование ковалентных связей. Пятый электрон будет «лишним» и его связь с атомом примеси окажется очень слабой (Рис. 1.9).
Рис.1.9. Структура примесного n-полупроводника.
Достаточно будет сообщить ему небольшую энергию, чтобы электрон перешел в зону проводимости и смог перемещаться по кристаллу. Проводимость такого полупроводника будет преимущественно электронной, поэтому он называется электронным или полупроводником n-типа. Примесь, приводящая к данному результату, называется донорной.
Рис.1.10. Переход электрона с донорного уровня
в зону проводимости.
В зонной диаграмме такого полупроводника (Рис. 1.10) появится дополнительная узкая энергетическая зона (донорный уровень), расположенный вблизи зоны проводимости. Так как на этом уровне есть электроны, то им легче перейти в зону проводимости, чем из валентной зоны.
Рис.1.11. Структура примесного p-полупроводника.
Можно реализовать и другую ситуацию, - ввести в собственный полупроводник примеси трехвалентных элементов (бора, индия и т. п.). В этом случае для образования ковалентной связи одного электрона будет не хватать и в этом месте образуется дырка.
Рис.1.12. Переход электрона из валентной зоны
на донорный уровень.
Проводимость такого полупроводника будет иметь преимущественно дырочный характер, а сам он будет называться дырочным или полупроводником p-типа. Такая примесь называется акцепторной, а её энергетический уровень располагается вблизи валентной зоны. При этом электронам из валентной зоны будет достаточно легко перейти на акцепторный уровень, оставив вместо себя дырки, которые и будут определять характер проводимости полупроводника.
Введение примеси в собственный полупроводник называется легированием. Носители, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными, а те, которых меньше - неосновными. Так как в n-полупроводниках , то основными носителями там являются электроны, а в p-полупроводниках - дырки.
Для любых типов полупроводников справедливо соотношение: , из которого следует, что при увеличении концентрации, электронов (при данной температуре) во столько же раз уменьшается концентрация дырок и наоборот.
Добавление небольших количеств примеси резко увеличивает концентрацию основных носителей и соответственно электропроводность полупроводника, так как уже при невысоких температурах энергии теплового движения будет достаточно, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости или из валентной зоны на акцепторный уровень.
Рис.1.13. Зависимость количества свободных зарядов полупроводника от концентрации введенной примеси и температуры.
Однако примесный характер проводимости сохраняется лишь в определенном диапазоне температур, зависящем от концентрации введенной примеси N.
Это связано с тем, что при очень низких температурах (порядка -220°C для Ge и -170°C для Si) резко уменьшается количество свободных носителей. Практически все они оказываются связанными и полупроводник по характеру проводимости приближается к собственному.
При высоких температурах (порядка +100°C для Ge и +250°C для Si) количество генерируемых электронно-дырочных пар становится настолько большим, что маскирует примесный характер проводимости.
С ростом концентрации примеси (степени легирования) температурный диапазон сохранения примесного характера проводимости расширяется. Сильно легированные (низкоомные) полупроводники обычно обозначаются символами n+, p+. С увеличением степени легирования будет возрастать ширина примесного уровня и может возникнуть ситуация, когда он сольется с зоной проводимости (для донорной примеси), либо с валентной зоной (для акцепторной примеси). Такой полупроводник называется вырожденным, или полуметаллом.
Если в чистый полупроводник одновременно вводятся примеси обоих типов в одинаковых концентрациях, то лишние электроны доноров займут вакантные места в связях у акцепторов и по структуре такой полупроводник будет похож на собственный. Он называется скомпенсированным.
Вследствие того, что носители тока в полупроводниках связаны с кристаллической решеткой, возможна еще одна причина направленного движения электронов и дырок, помимо дрейфа в электрическом поле. Эта причина возникает, если концентрация носителей по объему полупроводника неодинакова (неравновесна). В данной ситуации возникнет движение носителей в направлении, где их концентрация меньше и потечет ток, который называется диффузионным. Создать неравновесную концентрацию носителей можно, если, к примеру, один конец полупроводника нагреть, а другой охладить.
В любом полупроводнике одновременно происходят процессы и генерации и рекомбинации носителей. С ростом подводимой энергии этот процесс смещается в сторону генерации и наоборот. Среднее время, в течение которого электрон находится в зоне проводимости, то есть время с момента разрыва ковалентной связи до момента ее восстановления (регенерации), называется временем жизни. Такое же понятие можно ввести и для дырок.
Концентрация равновесных носителей заряда зависит от положения уровня Ферми. В электронном полупроводнике концентрация электронов в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней доноров () на энергетические уровни зоны проводимости. Поэтому концентрация должна быть равна концентрации ионизированных доноров:
(17)
– вероятность отсутствия электрона на уровне , следовательно
(18)
Приравнивая правые части уравнений (11) и (18) получаем:
(19)
Решая это равенство относительно получаем выражение
(20)
Из полученного выражения следует, что положение уровня Ферми зависит от температуры и концентрации примеси. Можно показать, что
(21)
(22)
Умножая полученные соотношения друг на друга получим
(23)
Таким образом, при любой концентрации примесей произведение концентраций электронов и дырок остается постоянной величиной.
В дырочном полупроводнике концентрация дырок в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней валентной зоны на энергетический уровень акцепторов. Поэтому концентрация дырок должна быть равна концентрации ионизированных примесей, то есть
(24)
(25)
Направленное движение носителей заряда в приложенном электрическом поле представляет собой электрический ток, также называемый дрейфовым током. Учитывая то, что перемещаются как электроны, так и дырки, плотность дрейфового тока можно представить в виде:
(26)
где – удельная электропроводность полупроводника.
Для полупроводника n-типа главную роль играет электронная электропроводность, а для полупроводника р-типа главную роль играет дырочная проводимость, поэтому в примесных полупроводниках, как правило, одним из слагаемых можно пренебречь.
Помимо дрейфа подвижных носителей вклад в электрический ток может вносить диффузионное движение носителей. Как известно, диффузия представляет собой направленное перемещение носителей вследствие их неодинаковой концентрации в различных частях кристалла. Плотность тока будет пропорциональна градиенту концентрации подвижных носителей (dn/dx или dp/dx); соответственно плотность диффузионного тока для электронов может быть представлена как:
(27)
а плотность диффузионного тока дырок вследствие изменения знака заряда носителей запишется как:
(28)
где Dn и Dp – коэффициенты диффузии соответственно для электронов и дырок.
Коэффициенты диффузии, подобно подвижностям , характеризующим дрейфовое движение, отражают способность электронов и дырок к перемещению. Связь между коэффициентами диффузии и подвижностями определяется соотношением Эйнштейна:
(29)
Таким образом, суммарный электрический ток имеет вид:
(30)
Подвижности электронов и дырок в реальных полупроводниках, вследствие процессов рассеяния, ниже подвижностей в кристаллах с идеальной решеткой. В полупроводниках рассеяние носителей заряда происходит в основном на акустических фононах и на ионах примесей. В разных температурных диапазонах будет доминировать тот или иной механизм рассеяния, и он будет определять величину и температурную зависимость подвижности. При низких температурах (T < 100 K) характер зависимости подвижности обусловлен рассеянием на ионах примесей. В области высоких температур (T > 100 K) подвижность уменьшается с ростом температуры вследствие рассеяния на акустических фононах и можно представить зависимость подвижности от температуры полуэмпирической моделью
, (30)
где К, а – параметр, определяемый опытным путем. Значения параметра а и других параметров для различных полупроводников представлены в таблице 2.
Таблица 2.
Основные параметры полупроводниковых материалов.
|
Материал полупроводника |
Si |
Ge |
GaAs |
|
|
Ширина запрещенной зоны при |
1.17 |
0.744 |
1.519 |
|
|
Параметры для определения ширины запрещенной зоны |
4.73∙10-4 |
|||
|
636 |
235 |
204 |
||
|
Параметры для определения подвижности носителей |
2.42 |
1.66 |
1.0 |
|
|
2.2 |
2.33 |
2.1 |
||
|
Подвижности носителей заряда при |
0.15 |
0.39 |
0.85 |
|
|
0.06 |
0.19 |
0.04 |
||
|
Эффективные массы носителей заряда |
1.08 |
0.56 |
0.068 |
|
|
0.56 |
0.35 |
0.45 |
||
|
Диэлектрическая проницаемость |
11.8 |
16.0 |
13.2 |
|
|
Время жизни носителей заряда |
Если соединить полупроводники с разными типами проводимости, например, сплавить так, чтобы не нарушилась кристаллическая структура, то между p и n областями будет существенно разной концентрация соответствующих носителей. Дырок будет больше в p-полупроводнике (там они - основные носители) и мало в n-структуре, где они являются неосновными носителями, для электронов ситуация будет противоположной.
Рис.1.12. Распределение носителей в p-n-структуре.
На рис. 1.12 приняты обозначения nn, pn – концентрации электронов и дырок в n-полупроводнике, np, pp – их концентрации в p-структуре. Вследствие разности концентраций начнется диффузия (перемещение) электронов в p область, а дырок - в n-полупроводник. Так как электроны и дырки представляют собой заряженные частицы, то их перемещение вызовет появление нескомпенсированного положительного заряда в n-полупроводнике и такого же по величине, но отрицательного заряда в p-слое. Между образовавшимися зарядами возникает контактная разность потенциалов Uк, то есть электрическое поле, которое будет препятствовать диффузионному переходу основных носителей. Величина этого поля (потенциальный барьер) установится таким, что диффузионный ток прекратится. Однако кроме основных носителей в полупроводниках в небольшом количестве имеются и неосновные. Контактная разность потенциалов будет вызывать их перемещение (дрейф), в направлениях, противоположных движению основных носителей вследствие диффузии. Переход через границу раздела слоев полупроводника пары неосновных носителей вызовет снижение потенциального барьера и позволит перейти в обратную сторону паре основных. Такие процессы происходят непрерывно и поэтому в установившемся режиме при отсутствии внешнего электрического поля через границу раздела в противоположных направлениях протекают равные диффузионный и дрейфовый токи. Суммарный ток через границу раздела равен нулю и в целом такая система будет электрически нейтральна.
Оставшиеся на границе раздела основные носители привязаны к атомам. Поэтому там образуется зона с очень малой концентрацией свободных носителей или обедненный (высокоомный) слой, который называется p-n переходом. Толщина (или ширина) этого перехода лежит в пределах от сотых долей до единиц микрон и зависит от степени легирования исходных полупроводников. Чем больше примесей введено, тем будет уже p-n переход, так как заряды, необходимые для образования контактной разности потенциалов, будут выведены из меньшего объема полупроводника. Величина потенциального барьера составляет десятые доли вольта и зависит от свойств материалов, из которых изготавливается p-n структура. Иногда область p-n перехода называется запирающим слоем. Ее проводимость оказывается близкой к проводимости собственного полупроводника.
Предположим, что на p-n структуру подано внешнее напряжение, а именно: положительный полюс источника соединен с внешним краем p-полупроводника, а отрицательный - с n-полупроводником, как показано на рис. 1.13.
Рис.1.13. p-n – структура с приложенным внешним
прямым напряжением.
Направление поля внешнего источника при этом будет противоположно направлению внутреннего поля контактной разности потенциалов. Напряжение такой полярности называется прямым или отпирающим. В данной ситуации высота потенциального барьера p-n перехода снижается, что приводит к уменьшению дрейфового тока и росту диффузионного, так как в этом случае большее число основных носителей оказывается способным преодолеть пониженный потенциальный барьер. Дырки и электроны как-бы подталкиваются внешним полем от краев полупроводниковых слоев к области p-n перехода, при этом происходит компенсация объемного заряда и снижение потенциального барьера.
Наличие внешнего прямого напряжения приводит к нарушению динамического равновесия между диффузионной и дрейфовой составляющими токов через p-n переход. Диффузионный ток становится больше дрейфового и , то есть через p-n переход потечет ток, в основном обусловленный диффузией дырок в n-область и электронов - в p-полупроводник, причем много больше дрейфовой составляющей и .
Под действием внешнего прямого напряжения происходит как бы принудительное введение (впрыскивание) в соответствующие области полупроводника носителей, которые являются для них неосновными. Этот процесс называется инжекцией. Область полупроводника, которая инжектирует носители, является эмиттером, а область, в которую они попадают - базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то n-полупроводник будет эмиттером, а p-слой – базой. Для дырок все будет наоборот. Однако, обычно концентрации примесей (степень легирования) в p и n областях полупроводника различны и если nn>>pp, то инжекцией дырок можно пренебречь. В таком случае понятия эмиттер и база станут трактоваться однозначно.
При увеличении прямого напряжения высота потенциального барьера будет уменьшаться, а ток через p-n переход возрастать. Зависимость тока от напряжения в этом случае определяется соотношением
, ,
где – так называемый ток насыщения или тепловой ток, практически равный дрейфовому току неосновных носителей, который очень мал, – заряд электрона, – постоянная Больцмана, – приложенное прямое напряжение, – абсолютная температура. Часто отношение называют температурным потенциалом . При T = 300°K его величина - порядка 25 мВ.
Поскольку высота потенциального барьера составляет десятые доли вольта, то для его значительного понижения и, соответственно получения больших прямых токов, достаточно прямых напряжений того же порядка. Увеличение прямого тока можно представить как результат уменьшение сопротивления p-n перехода (обедненной носителями области), за счет сокращения его толщины. В первом приближении считают, что при некоторой величине p-n переход исчезает, при этом сопротивление структуры будет равно сопротивлению p и n областей.
Если изменить полярность внешнего напряжения (положительный потенциал подать на n-полупроводник, а отрицательный - на p рис. 1.14), то такое напряжение будет называться запирающим, или обратным.
Рис.1.14. p-n – структура с приложенным внешним
обратным напряжением.
В этом случае полярность внешнего напряжения совпадет с направлением поля p-n перехода и высота потенциального барьера увеличится. Преодолеть его основным носителям (для данного типа полупроводника) станет еще сложнее, чем раньше. Это приведет к практически полному прекращению диффузионного тока уже при небольших величинах Uобр. Ток через переход в этом случае определяется дрейфовой составляющей, так как суммарное поле будет вытягивать дырки из n - области и электроны из p - области. Такой процесс называется экстракцией. Обратный ток через p-n переход будет очень мал, так как он определяется концентрацией неосновных носителей в p и n полупроводниках.
Величина обратного тока через p-n переход описывается соотношением, аналогичным приведенному для прямого тока, но вместо Uпр в показателе экспоненты будет Uобр со знаком минус
.
При обратном напряжения в несколько десятых долей вольта практически все неосновные носители начинают участвовать в переносе тока и, с дальнейшим ростом Uобр его возрастание прекращается, наступает насыщение. Величина этого тока и обозначается как .
Вольтамперной характеристикой называется зависимость тока протекающего через какой-либо прибор от приложенного напряжения. Для p-n перехода она имеет вид, представленный на рис 1.15.
Рис.1.15. Вольтамперная характеристика p-n перехода.
Масштабы прямой и обратной ветвей здесь существенно различны.
Такая характеристика описывается приведенными ранее соотношениями. При , ,
а , поэтому Iпр будет много больше Iобр, а Iобр ≈ -Io.
При наличии обратного напряжения носители как бы растаскиваются к краям полупроводниковых слоев, при этом увеличивается зона, обедненная свободными носителями, то есть расширяется область p-n перехода.
Свойство p-n перехода обладать существенно разной проводимостью в прямом и обратном направлениях называется вентильным эффектом.
Если p-n структуру подогреть, то при неизменных приложенных напряжениях прямой и обратный токи станут больше, чем до нагрева. Вольтамперная характеристика изменится, как это показано на рис. 1.16 штриховой линией. Увеличение прямого и обратного токов при фиксированных значениях напряжений объясняется ростом интенсивности генерации электронно-дырочных пар, то есть увеличением концентрации основных и неосновных носителей.
Рис.1.16. Изменение вольтамперной характеристики
p-n перехода при изменении температуры.
Вследствие этого обратный ток возрастает очень резко. Он удваивается при повышении температуры на каждые 10 у кремниевых p-n переходов и практически утраивается у германиевых. Прямой ток возрастает слабее, так как он в основном обусловлен примесной проводимостью и рост количества основных носителей при повышении температуры слабее сказывается на повышении их общего числа.
При температурах выше или ниже критических оба полупроводника превращаются в собственные и разница между ними, а также различие между прямой и обратной ветвями вольтамперной характеристики исчезают.
С ростом запирающего напряжения обратный ток через p-n структуру будет возрастать. Это связано с ее разогревом и возникновением ударной ионизации. Последнее явление проявляется в том, что при высоких обратных напряжениях электроны, проходящие p-n переход, приобретают высокую энергию и при столкновении с узлами кристаллической решетки (атомами) могут вызвать рождение пары носителей, которые в свою очередь будут разгоняться полем, порождать новые пары и т.д. С ростом обратного напряжения этот процесс становится все более интенсивным. Когда пара носителей в среднем порождает больше одной новой пары, то возникает лавинообразный процесс их размножении. При некотором обратном напряжении ток через p-n переход скачком возрастает (теоретически до бесконечности) (рис.1.17). Такой эффект называется пробоем p-n перехода, а в данном случае электрическим лавинным пробоем. Этот механизм пробоя характерен для p-n переходов с большой шириной, которые получаются при использовании слабо легированных полупроводников. При лавинном пробое, кроме механизма ударной ионизации может также действовать эффект, заключающийся в вырывании электронов из связей сильным электрическим полем. Пробивное напряжение p-n переходов при лавинном пробое обычно составляет десятки, сотни и более вольт.
Рис.1.17. ВАХ лавинного и туннельного пробоя p-n - перехода.
Если p-n переход образован сильно легированными полупроводниками, то он получается узким и даже при небольшой запирающей разности потенциалов напряженность поля оказывается огромной. Электрон или дырка при этом, пролетая область перехода, не успевают по пути встретить и ионизировать какой-либо атом. В этой ситуации возникают условия для так называемого туннельного пробоя. Его сущность состоит в том, что, при напряженности поля более 105-106 В/см, электроны могут перейти из валентной зоны в зону проводимости и обратно без изменения энергии. То есть они не преодолевают потенциальный барьер, а как бы «протыкают» его. Напряжение туннельного пробоя лежит в пределах единиц вольт и его особенность состоит в том, что обратный ток в зоне пробоя изменяется плавно.
Интерпретировать механизм туннельного перехода можно следующим образом (рис. 1.18). Если имеется некоторый холм и требуется переместить предмет с одной его стороны на другую, то необходимо сначала затратить энергию, чтобы поднять его на вершину, а потом он скатится вниз с выделением того же количества энергии. В итоге энергия предмета до и после перемещения будет одинаковой. Однако, если в холме прокопан горизонтальный туннель, то перемещение предмета можно осуществить без затрат энергии, что и характерно для туннельного эффекта.
Рис.1.18. Интерпретация механизма туннельного пробоя.
Еще один вид пробоя называется тепловым. По характеру он существенно отличается от электрических видов пробоя. Его механизм можно представить следующим образом. Пусть при некотором обратном напряжении Uобр через p-n переход протекает ток Iобр. Тогда, вследствие выделения мощности P= Uобр Iобр, полупроводниковая структура нагреется на to . Это приведет к росту обратного тока, вследствие чего возрастет рассеиваемая мощность. Если при этом тепло не отводить, увеличится температура и т.д. То есть может возникнуть лавинообразный рост обратного тока, сопровождающийся повышением температуры вплоть до расплавления полупроводниковой структуры.
Вольтамперная характеристика теплового пробоя имеет вид, представленный на рис. 1.19 и ее особенностью является наличие падающего участка. Тепловой пробой возникает, если выделяющееся количество тепла больше отводимого, и он необратим.
Рис.1.19. Вольтамперная характеристика теплового пробоя.
В отличие от теплового, электрический пробой обоих видов обратим, то есть если ограничить ток пробоя и достаточно интенсивно отводить тепло, то p-n переход может пребывать в таком состоянии сколь угодно долго. При снятии обратного напряжения исходное состояние перехода восстановится. На использовании эффекта электрического пробоя основана работа особого вида полупроводниковых приборов - стабилитронов.
При обратном напряжении p-n переход обеднен свободными носителями, его сопротивление очень велико, а по обе стороны находятся два разноименных объемных заряда, образованных ионизированными атомами донорной и акцепторной примесей. Такая структура представляет собой аналог плоского конденсатора (p-n переход – аналог диэлектрика, а p и n слои полупроводника – токопроводящие обкладки).
Рис.1.20. Барьерная емкость p-n перехода.
Емкость такого p-n перехода называется барьерной. Она зависит от величины приложенного обратного напряжения и уменьшается с его ростом (рис. 1.21). Это связано с эффектом зависимости ширины p-n перехода от обратного напряжения. С его ростом расширяется слой, обедненный носителями, что эквивалентно раздвижению обкладок конденсатора и уменьшению емкости.
Этот эффект позволяет использовать полупроводниковые приборы с p-n переходами в качестве управляемых напряжением конденсаторов (такие приборы называются варикапами и варакторами).
Рис.1.21. Зависимость барьерной емкости p-n перехода
от обратного напряжения.
Если p-n переход смещен в прямом направлении, то через него течет ток и вследствие инжекции происходит введение неосновных носителей в соответствующие слои полупроводника. Эти носители рекомбинируют с основными, но не сразу, а в течение некоторого интервала времени соответствующего временем жизни неосновных носителей. Вследствие того, что это время конечно, в p и n слоях полупроводника при прямом напряжении будут присутствовать избыточные заряды неосновных носителей (+Qдифр в n-слое и –Qдиф в p-области).
Если резко изменить полярность напряжения с прямой на обратную, то накопленные неосновные носители станут вытягиваться электрическим полем в слои полупроводников, где они являются основными. Этот процесс называется экстракцией или рассасыванием неосновных носителей. Пока таких носителей много, через p-n переход течет большой обратный ток, ограниченный лишь сопротивлением внешней цепи. По мере вывода неосновных носителей обратный ток уменьшается и через некоторое время приближается к величине теплового тока Io, как показано на рис. 1.22. Пока протекает большой ток, сопротивление запертого p-n перехода будет мало, а затем становится опять большим. Время, в течение которого p-n переход при подаче обратного напряжения восстанавливает свои свойства, называется временем восстановления обратного сопротивления. По величине оно имеет тот же порядок, что и время жизни неосновных носителей.
Рис.1.22. Время восстановления обратного сопротивления
p-n перехода.
Рассмотренный процесс похож на процесс, происходящий при заряде (накопление, инжекция неосновных носителей) и разряде (их рассасывание, экстракция) конденсатора. Поэтому при анализе и моделировании временных характеристик p-n перехода вводится понятие его диффузной емкости. То есть считается, что при прямом напряжении параллельно границе раздела слоев полупроводника включена емкость Сдифф, в которой накапливаются и из которой выводятся неосновные носители. Ее величина зависит от напряжения, (вернее от величины прямого тока через переход) и достигает значений тысяч и более пикофарад. При нулевых и обратных напряжениях Сдифф становится очень малой и основную роль начинает играть барьерная емкость.
Внешние выводы полупроводниковых приборов выполняются из металла и контактируют с полупроводниковыми материалами. Свойства таких контактов зависят от используемого металла и полупроводника.
Пусть металл контактирует с полупроводником n-типа (рис. 1.23). В металле все электроны обобщены и образуют электронный газ, в полупроводнике n-типа излишек электронов, но там существует некоторая их упорядоченность. После создания контакта металла с полупроводником может начаться обмен электронами, причем могут возникнуть две разные ситуации.
Для вывода электрона за пределы твердого тела необходимо совершить определенную работу, то есть сообщить электрону соответствующую энергию. Эта работа называется работой выхода. При этом работа выхода из конкретного металла - Ам может быть как больше, так и меньше работы выхода из полупроводника - Ап.
Если Aм<Aп, то электроны из металла смогут легче перемещаться в полупроводник, чем обратно. При этом в полупроводнике на границе контакта с металлом появится обогащенный основными носителями (электронами) слой. В металле обедненный слой не сформируется, так как электроны в нем свободно перемещаются по всему кристаллу. Переход металл-полупроводник в этом случае не будет обладать вентильными свойствами, то есть он хорошо проводит ток при обеих полярностях, приложенного к такой структуре напряжения. Данное свойство позволяет получить невыпрямляющие, омические контакты для подведения к полупроводниковым слоям внешнего электрического поля.
Рис.1.23. Перемещение электронов через переход
металл - n-полупроводник.
В случае, когда Aм>Aп , электронам из полупроводника легче перейти в металл, но в этом случае в полупроводнике (и только в нем) образуется обедненный основными носителями слой, а на границе разделов возникнет потенциальный барьер величиной .
Если к такой структуре приложить внешнее напряжение в прямом направлении (+ к металлу, - к полупроводнику), то обедненный слой будет обогащаться электронами и при значении исчезнет. Через контакт металл-полупроводник потечет прямой ток, причем он будет переноситься только электронами (дырок в металле нет), которые являются основными носителями и для металла и для полупроводника. При этом отсутствуют явления инжекции, накопления и рассасывания избыточных неосновных носителей. Диффузионная емкость у такого перехода практически отсутствует.
При изменении полярности напряжения на обратную, электроны в полупроводнике будут уводиться от границы раздела вглубь, толщина обедненного слоя и его сопротивление возрастут и ток через переход, как и в обычном p-n переходе, практически прекратится.
Структуры металл-полупроводник впервые были исследованы немецким ученым Шоттки и в его честь потенциальный барьер, возникающий при соответствующих условиях, назвали барьером Шоттки.
Рис.1.24. Перемещение электронов через переход
металл - p-полупроводник.
Если сформировать контакт металл - p-полупроводник (рис. 1.24), то в ситуации, когда Aм<Aр, электроны начнут перемещаться в полупроводник. Около его границы с металлом окажется их избыток, образуется отрицательный объемный заряд и потенциальный барьер, который будет препятствовать дальнейшему перемещению электронов через переход. Обедненный основными носителями (дырками) слой, ведет себя подобно p-n переходу, то есть обладает вентильными свойствами. Если же AM>AP, то электроны начнут двигаться из полупроводника в металл, область перехода обогатится основными носителями (электронами в металле и дырками в полупроводнике) и такой контакт будет иметь невыпрямляющие свойства. Процессы при этом будут протекать несколько по иному, чем при использовании полупроводника n-типа, но упрощенно их можно представить именно так.
P-n структура, на внешних границах которой сформированы омические (невыпрямляющие) контакты для подвода тока называется полупроводниковым диодом. Обычно она заключается в какой-либо корпус для защиты от внешних воздействий.
Однако имеются разновидности диодов, состоящие из одного слоя полупроводника (диоды Ганна), содержащие выпрямляющий контакт полупроводник–металл (диоды Шоттки), или имеющие несколько слоев полупроводника с разными свойствами (p-i-n диоды). Условная структура полупроводникового диода и его обозначение на принципиальных схемах представлены на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Структура и условное обозначение
полупроводникового диода.
Вывод от p-слоя полупроводника называется анодом и при маркировке часто помечается значком “+”, а вывод от n-слоя катодом и может обозначаться знаком “-”. При подаче внешнего напряжения такой же полярности диод будет открыт и через него потечёт прямой ток, связанный с величиной прямого напряжения практически экспоненциальной зависимостью
.
Однако, имеются определённые отличия прямой ветви вольтамперной характеристики диода от ВАХ p-n перехода. Они связаны с тем, что области полупроводника обладают некоторым объемным сопротивлением, зависящим от их геометрических размеров, степени легирования и величины протекающего тока. В формулу для тока через p-n переход входит ток насыщения I0, обусловленный движением неосновных носителей. Их количество определяется как степенью легирования полупроводника, (так как - const для заданной температуры, то чем легирующей примеси больше, тем меньше неосновных носителей), так и объёмом полупроводниковой структуры. Таким образом, чем больше площадь p-n перехода, тем больше будет I0, и меньше Uпр. Сопротивления имеются также у невыпрямляющих контактов к внешним границам полупроводниковых слоёв и у самих токоподводящих проводников. Диод в открытом состоянии можно представить в виде эквивалентной схемы приведенной на рис. 2.2
Рис.2.2. Эквивалентная схема диода
в открытом состоянии.
Таким образом, падение напряжения, измеренное на зажимах диода при протекании прямого тока, всегда будет больше, чем для p-n перехода при том же токе. Однако, дополнительные сопротивления невелики, и объемное сопротивление уменьшается с ростом прямого тока. Поэтому, хотя прямая ветвь ВАХ реального диода и пойдёт правее, чем у p-n перехода (рис. 2.3), но даже при токах в сотни и тысячи ампер прямое падение напряжения не превышает 1÷1,5 В.
Рис.2.3. Отличия прямой ветви ВАХ диода от ВАХ p-n перехода
Собственное сопротивления p и n областей зависит от используемого полупроводникового материала, а сопротивление перехода - от высоты потенциального барьера.
При изменении площади p-n перехода, будет изменяться его сопротивление и объёмные сопротивления (с ростом площади S они будут уменьшаться), поэтому прямые ветви ВАХ диодов разной площади, изготовленных из одинаковых материалов также пойдут несколько по-разному.
Если один из слоев полупроводника заменен металлом и образуется выпрямляющий контакт, то такой диод (рис. 2.4) называется диодом Шоттки. Прямая ветвь его вольтамперной характеристики лежит в промежутке между соответствующими ветвями германиевого и кремниевого диодов. Кроме того, диоды Шоттки обладают очень малой емкостью в запертом состоянии, а напряжение пробоя для них не превышает нескольких десятков вольт.
Рис. 2.4. Структура и условное обозначение диода Шоттки.
Диоды могут изготавливаться из различных полупроводниковых материалов - Ge, Si, GaAs и выполнять различные функции – выпрямления, детектирования, умножения частоты и т.д.
Наиболее часто для изготовления полупроводниковых диодов используются Ge и Si. Диоды Шоттки выполняются в основном на основе кремния. В настоящее время для получения высокоскоростных приборов используется арсенид галлия. Прямые ветви ВАХ таких диодов, с p-n переходами одинаковой площади имеют разный вид (рис.2.5), в частности при фиксированном прямом токе падение напряжения на них будет различным. Наименьшее оно - у германиевого диода, а наибольшее – у арсенид-галлиевого. Основная причина этого – различие в ширине запрещённых зон (Ge – 0,6 эВ, Si – 1,11 эВ, GaAs – 1,43 эВ). В связи с этим будут отличаться и величины потенциальных барьеров у переходов из таких полупроводников (наименьшим он будет у германиевого диода). Для того чтобы диод открыть требуется приложить прямое напряжение сравнимое по величине с контактной разностью потенциалов. По этой причине диод Шоттки занимает промежуточное положение между германиевым и кремниевым.
Рис. 2.5. Вольтамперные характеристики
полупроводниковых диодов из разных материалов.
С ростом температуры прямая ветвь ВАХ p-n перехода и полупроводникового диода смещается влево (рис. 2.6). Это объясняется ростом интенсивности процессов термогенерации и, соответственно, уменьшением сопротивления полупроводниковых слоёв. Если задаться некоторым значением прямого тока , то с ростом температуры прямое напряжение на диоде будет падать. Скорость его изменения зависит от материала и составляет 1÷2 мв/о .
Рис.2.6. Изменение прямой ветви вольтамперной
характеристики диода при изменении температуры.
Как уже отмечалось, открытый диод представляет собой некоторое сопротивление, величину которого можно определить экспериментально из соотношения или
.
В первом случае сопротивление называют статическим, а во втором – динамическим или дифференциальным прямым сопротивлением.
Обратный ток идеализированного p-n перехода остаётся практически равным току насыщения вплоть до напряжения пробоя. У диодов обратный ток может в тысячи раз превышать , причем он увеличивается с ростом запирающего напряжения (рис. 2.7). Дело в том, что обратный ток диода состоит из трёх компонент – тока насыщения, тока термогенерации и тока утечки . Ток насыщения представляет собой ток неосновных носителей обратно смещённого p-n перехода. Ток термогенерации связан с образованием электронно-дырочных пар в области p-n перехода под действием температуры. Так как с ростом обратного напряжения увеличиваются размеры области обеднённой носителями (объём p-n перехода), то при той же температуре будет генерироваться больше носителей и этим объясняется возрастание тока термогенерации с повышением обратного напряжения. В реальных диодах в связи с загрязнением поверхности полупроводника возникает ток утечки, который также растет (по закону Ома) при увеличении обратного напряжения. Механизмы пробоя полупроводникового диода такие же, как для p-n перехода.
Рис.2.7. Изменение обратной ветви вольтамперной
характеристики диода при изменении температуры.
С ростом температуры интенсивность процессов генерации носителей возрастает, что приводит к увеличению обратного тока. Для кремниевых диодов Iобр удваивается при увеличении температуры на , а у германиевых он увеличивается вдвое с ростом температуры примерно на .
Если сравнить обратные ветви ВАХ диодов из разных материалов, то при одинаковых напряжениях минимальными обратными токами будут обладать кремниевые и арсенид-галлиевые диоды (напряжение пробоя достигает у них тысяч вольт). Гораздо большие обратные токи будут у германиевых диодов и диодов Шоттки, причем у последних напряжение пробоя не превышает десятков вольт, а у германиевых – сотен вольт.
Такие приборы обладают совокупностью свойств, обеспечивающих им очень широкую область применения, и характеризуются следующими основными параметрами:
Аналогичная группа параметров применяется для описания свойств диода при импульсных воздействиях. Если импульсы короткие и следуют достаточно редко, то токи через диоды и обратные напряжения на них могут значительно превышать статические значения.
Когда диоды используются для целей выпрямления, то на них подается переменное напряжение. Если при этом через диоды будут протекать большие прямые токи, то важным является учет параметра, который называется частотой без снижения режимов работы.
При протекании обратного тока на диоде будет выделяться некоторая мощность , а с ростом частоты среднее значение обратного тока и, соответственно, мощности будут возрастать, диод начнет сильнее нагреваться.
Наличие эффектов накопления и рассасывания неосновных носителей приводит к тому, что при увеличении прямого тока возрастает и количество накопленных носителей а, следовательно, и величина импульсов обратного тока (рис.2.8). Наиболее ярко эти зависимости проявляются, если на диод подается двуполярное напряжение прямоугольной формы.
Рис.2.8. Влияние эффектов накопления и рассасывания
неосновных носителей на работу диода.
Данное обстоятельство приводит к росту среднего обратного тока при увеличении частоты переключения диода и возрастанию температуры перехода. Действие всех рассмотренных факторов может привести к перегреву диода и выходу его из строя. Поэтому вводится ограничение на частоту выпрямляемого напряжение при заданном прямом токе через диод.
Силовые диоды применяются в основном в устройствах электропитания и обычно от них требуется обеспечение больших (до десятков и сотен ампер) токов в нагрузке и возможность выдерживать значительные обратные напряжения. Такие токи можно получить только в p-n переходах значительной площади. Поэтому силовые диоды имеют большие габариты и выполняются в массивном корпусе, предназначенном для установки на радиатор. Последнее объясняется тем, что например при токе порядка 100 А на открытом диоде будет выделяться мощность около 80 Вт.
Система параметров силовых диодов аналогична соответствующей системе универсальных, но используется и ряд дополнительных – например тепловое сопротивление переход – корпус или переход – среда. Это число, имеющее размерность град/Вт и показывающее насколько увеличивается температура кристалла при подведении к нему мощности 1 Вт и неизменной температуре корпуса или окружающей среды.
Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных, переключающих схемах. От них требуется обеспечение малой длительности переходных процессов происходящих при переходе от включенного состояния диода к выключенному, и наоборот. Обеспечить высокое быстродействие импульсных диодов можно, если они будут иметь малые емкости и малые времена рассасывания неосновных носителей. В дополнение к стандартной системе параметров универсальных диодов для оценки характеристик импульсных вводится ряд специфических.
Рис.2.9. Восстановление обратного сопротивления диода.
Иногда быстродействие импульсного диода оценивается другим параметром, который называется зарядом переключения. Он характеризует заряд неосновных носителей, накопленный во время протекания прямого тока и выводимый во внешнюю цепь в виде импульса обратного тока в течение времени . Этот заряд можно рассчитать, проинтегрировав функцию, описывающую обратный ток в течение времени восстановления. Для быстродействующих диодов величина Qпер составляет единицы - десятки пКл.
Еще один параметр – время установления прямого сопротивления.
Рис.2.10. Установление прямого сопротивления диода.
При переключении диода из запертого состояния в открытое ток, вследствие инерционности носителей, не может измениться мгновенно (рис. 2.10). Время, за которое он становится равным стационарному, установившемуся значению называется временем установления.
Все эти эффекты присутствуют и у силовых и у универсальных диодов. Но так как они обычно работают на относительно низких частотах, то влияние данных эффектов будет невелико.
Специфической разновидностью полупроводникового диода является стабилитрон, вольтамперная характеристика и обозначение которого на принципиальных схемах приведены на рис. 2.11. Особенность стабилитрона состоит в том, что рабочей является область электрического пробоя на обратной ветви его ВАХ. Если в данной области ток через стабилитрон не достигает величины, превышающей значение, то режим электрического пробоя является устойчивым, так как перехода в необратимый тепловой пробой не происходит. В этом случае при изменении обратного тока в широких пределах , напряжение на стабилитроне остается практически постоянным и называется напряжением стабилизации – .
Рис. 2.11. Вольтамперная характеристика
и обозначение стабилитрона на принципиальных схемах.
ВАХ стабилитрона в принципе ничем не отличается от ВАХ обычного диода, просто его используют несколько необычным образом. Слабая зависимость напряжения стабилизации стабилитронов от тока позволяет создавать источники со стабильным выходным напряжением – стабилизаторы. В простейших стабилизаторах выходное напряжение равно напряжению пробоя .
Для изготовления стабилитронов в основном применяется кремний, при этом разные величины получаются в зависимости от степени легирования полупроводников и различных механизмов пробоя (для < 6 В – туннельного, для > 30 В – лавинного, и смешанного для 6 В < < 30 В). Технологическими приемами можно изготовить стабилитроны с требуемыми напряжениями стабилизации в пределах от двух вольт до сотен вольт.
Вследствие специфичности режима работы таких приборов, они характеризуются параметрами, описывающими свойства обратной ветви ВАХ, основными из которых являются:
При протекании тока через стабилитрон он нагревается. Может меняться и окружающая температура, а от этого, изменяются вольтамперные характеристики. У стабилитрона будет меняться напряжение стабилизации, зависимость которого от температуры называется температурным коэффициентом напряжения стабилизации (ТКН) и определяется следующим образом:
.
Рис.2.12. Зависимость ТКН от напряжения стабилизации.
У обычных стабилитронов значения ТКН лежат в пределах . ТКН определенным образом связан с напряжением стабилизации (рис. 2.12). У стабилитронов с он отрицателен и напряжение стабилизации с ростом температуры падает, а у приборов с - наоборот.
В ряде случаев требуется иметь источник заданного напряжения с очень слабой его зависимостью от температуры, то есть с ТКН близким к нулю. Данную задачу можно решить, соединив последовательно несколько специальным образом подобранных стабилитронов.
Такую цепочку можно представить как некоторый эквивалентный стабилитрон со следующей совокупностью параметров:
Если взять стабилитроны, у которых ТКН имеют разные знаки, и соответствующим образом их подобрать, то ТКН всей системы можно сделать очень маленьким. Вместо дополнительных стабилитронов в ряде случаев можно использовать обычные диоды, включенные в прямом направлении.
ТКН их прямой ветви всегда отрицателен, а сама она имеет резкий излом при напряжении порядка 0,6÷0,8 В. С этой точки зрения обычный диод можно использовать для стабилизации низких напряжений (в этом случае он называется стабистором). Если у исходного стабилитрона , то ТКН системы с диодом можно сделать близким к нулю, при суммарном напряжении стабилизации близком к .
В ряде случаев термокомпенсирующие элементы помещаются в тот же корпус, что и кристалл стабилитрона. Такие приборы называются термокомпенсированными или прецизионными (высокоточными) стабилитронами.
На основе стабилитронов выпускаются так называемые симметричные ограничители напряжения или двуханодные стабилитроны (рис. 2.13). У них в корпусе содержится два идентичных стабилитрона соединенных встречно. Такие приборы имеют специальное обозначение и симметричную вольтамперную характеристику.
Рис.2.13. Двуханодный стабилитрон.
При обратном напряжении диод можно представить в виде конденсатора, емкость которого (барьерная емкость перехода) изменяется в зависимости от величины напряжения, как показано на рис. 2.14. Это свойство позволяет использовать полупроводниковые диоды в качестве управляемого напряжением конденсатора. Однако, у обычных диодов, из-за больших потерь добротность такого полупроводникового конденсатора, то есть его качество, оказывается низким. Специальными методами потери могут быть значительно уменьшены. Диоды, работающие в таком режиме, называются варикапами. Они в основном применяются в качестве управляемых напряжением конденсаторов.
Рис. 2.14. Зависимость барьерной емкости полупроводникового диода от величины обратного напряжения и обозначение
варикапа на электрических схемах.
Специфическими параметрами для варикапов являются:
В настоящее время используется система обозначений диодов, состоящая из пяти элементов.
Первый - это буква или цифра, обозначающая исходный материал, используемый для изготовления диода:
Г или 1 – германий, К или 2 – кремний,
А или 3 – арсенид галлия, И или 4 – соединения индия.
Если в обозначении присутствует буква, то диод предназначен для использования в аппаратуре общетехнического назначения, если же цифра, - то в специальной аппаратуре. Такие диоды могут иметь идентичные остальные параметры, но отличаются надежностью и широким температурным диапазоном, вследствие более жесткой отбраковки при технических испытаниях.
Второй элемент – буква, обозначающая тип диода:
Д – выпрямительные, импульсные и универсальные диоды,
С – стабилитроны,
В – варикапы,
А – сверхвысокочастотные (СВЧ) диоды и т.д.
Третий элемент – цифра, определяющая основные функциональные возможности прибора. Она соответствующим образом связана с буквенным обозначением. Для диодов (второй элемент Д) цифра 1 означает, что их постоянный средний ток не более 0,3А, цифра 2 - что ток лежит в пределах 0,3÷10 А, цифры 4÷9 отведены для импульсных диодов с разными значениями времени восстановления.
Для стабилитронов (второй элемент С) единица отражает факт, что его мощность не более 0,3 Вт, а напряжение стабилизации менее 10 В, двойка используется для стабилитронов с той же мощностью, но с 10≤ ≤100В и т.п.
Четвертый элемент в обозначении – двух или более разрядное число, определяющее конкретный тип, а пятый элемент – буква, характеризующая свойства однотипных приборов (отличия по группе каких-либо параметров или свойств и т.п.).
Например, КД209А – кремниевый диод с прямым током больше 0,3А. КС175Ж, 2С175Ц – кремниевые маломощные, стабилитроны в разных корпусах с напряжением стабилизации 7,5В.
В ряде случаев используется дополнительный шестой элемент – буква или цифра в конце обозначения, записанная через черточку. Цифра означает, что это - бескорпусный прибор с соответствующими особенностями. Например, КС175Ц-1 - бескорпусный стабилитрон. Буква С обозначает, что в одном корпусе имеется несколько однотипных элементов – сборка (она часто ставится после второго элемента - КДС, КВС), а буквы Р, Г и К в шестом элементе обозначения свидетельствуют о том, что приборы подобраны по параметрам (попарно, в четверки или по шесть штук). Например, КВ109А-Р.
До 1982 года действовала иная система обозначений. В частности, символами Д7Ж обозначался германиевый диод средней мощности, Д226А – кремниевый, Д815Б – мощный стабилитрон и т.п.
Такие приборы представляют собой систему из двух p-n переходов близко расположенных друг относительно друга. В зависимости от порядка чередовании слоев полупроводников с разными типами проводимости возможны два варианта таких структур - n-p-n и p-n-p транзисторы. Выводы от крайних слоев полупроводника называются эмиттер и коллектор, а вывод от среднего слоя – базой (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Структура и условные обозначения
биполярных транзисторов.
Из структуры транзистора следует, что это комбинация из двух встречно включенных диодов.
Однако при изготовлении транзисторов базу делают очень тонкой, чтобы попавшие в нее носители успели пройти ее без рекомбинации. Это обеспечивает возможность усиления транзистором мощности электрических сигналов, то есть мощность, снимаемая с выходной цепи, будет больше мощности, подаваемой во входную цепь. Транзистор не является симметричной структурой, так как площадь коллекторного перехода делается больше площади эмиттерного и степень легирования у соответствующих слоев полупроводника различна.
Для обеспечения работы транзистора необходимы источники питания входной и выходной цепей. В зависимости от того, какой из его электродов соединен с общей точкой источников, возможны три основные схемы включения транзистора (рис. 3.2). Они называются: схема с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Параметры и усилительные свойства транзистора оказываются определенным образом связанными со схемой его включения.
Рис. 3.2. Схемы включения n-p-n транзистора.
При использовании транзисторов противоположного типа проводимости полярность источников питания должна быть изменена на противоположную.
Если рассматривать n-p-n-транзистор, то в отсутствии внешних электрических полей (рис. 3.3) установится динамическое равновесие между дрейфовыми и диффузионными токами, протекающими через оба p-n перехода.
Рис.3.3. n-p-n-транзистор в отсутствии внешних
электрических полей.
Так как у транзистора три вывода, то один из них может считаться общим (например, база) и относительно него подаются напряжения на другие электроды. При этом полярность напряжений можно выбирать произвольно, например, так как показано в таблице.
|
Э |
Б |
К |
|
|
- |
+ |
- |
+ |
|
- |
+ |
+ |
- |
|
+ |
- |
- |
+ |
|
+ |
- |
+ |
- |
|
ЕЭ |
ЕК |
В первом случае полярность внешних источников такова, что эмиттерный переход оказывается открытым, а коллекторный - запертым. Для прямо смещенного p-n-перехода потенциальный барьер на границе эмиттер-база уменьшится, начнется инжекция электронов из эмиттера в базу и, соответственно, инжекция дырок из базы в эмиттер (рис. 3.4).
Рис.3.4. Распределение токов в транзисторе при
открытом эмиттерном и запертом коллекторном переходах.
Через эмиттерный переход потечет ток . Хотя дырки и электроны движутся в разные стороны, но из-за того, что их заряды имеют противоположные знаки, направление токов будет одинаковым, как показано на рисунке. Дырочная составляющая замыкается через источник , а электронная попав в область базы, вызывает установление неравновесной концентрация электронов по ее длине. Их больше у эмиттерного перехода, где происходит процесс инжекции, и практически нет у коллекторного.
Под действием этой разности концентраций возникает диффузионное движение электронов (неосновных носителей) к коллекторному переходу. Попав в область действия его поля, они втянутся им, и будут далее дрейфовать в сторону коллекторного вывода. Через запертый p-n-переход потечет электрический ток, который может достигать больших значений.
В p-n-переходе при обратном напряжении через него течет некоторый ток (обратный). Он обусловлен перемещением неосновных носителей, которых очень мало, поэтому и ток мал. Но в транзисторе эмиттер вводит (инжектирует) неосновные носители в область базы. То их количество, которое дойдет до коллекторного перехода, и будет формировать коллекторный ток . Так как часть из инжектированных электронов успеет рекомбинировать с дырками в базе, то .
Коллекторный ток станет равным нулю, когда все введенные в базу носители успеют рекомбинировать, либо если прекратить инжекцию. Однако, из-за наличия собственных неосновных носителей в слоях базы и коллектора и под действием запирающего напряжения на этом переходе, через него потечет обратный ток . Он так же, как и обратный ток диодов, сильно зависит от температуры и поэтому иногда называется тепловым.
Эмиттерный ток определяется величиной напряжения источника , которое (поскольку соответствующий переход открыт), имеет порядок долей вольта. На управление эмиттерным током при этом затрачивается мощность . Если весь поток электронов, инжектированный в базу, достигает коллектора, то мощность, выделяемая в выходной цепи, будет равна . Так как коллекторный переход закрыт, то , а значит и . То есть, затратив некоторую мощность во входной цепи, можно управлять мощностью в выходной цепи значительно большей, чем на входе. Таким образом, транзистор обеспечивает усиление сигнала по мощности. Выходная мощность не увеличивается сама по себе, она потребляется от источника питания, а транзистор этим процессом лишь управляет.
Усиление по мощности будет тем больше, чем ближе значения токов и. Их отношение обозначается буквой и называется коэффициентом передачи эмиттерного тока. Чем ближе к единице, тем, усилительные свойства транзистора лучше. Чтобы этого добиться, ток инжекции дырок из базы и ток рекомбинации электронов должны быть близки к нулю. Это возможно, если концентрация дырок в базе много меньше, чем концентрация электронов в эмиттере и если база имеет малую толщину. Последнее условие необходимо для того, чтобы инжектированные носители успевали диффундировать к коллектору без рекомбинации. Поэтому создать транзистор, соединив два диода невозможно.
Отношение электронной составляющей тока эмиттера к полному току называется коэффициентом инжекции
,
а отношение тока коллектора к электронной составляющей эмиттерного тока – коэффициентом переноса . Так как то, умножив числитель и знаменатель на , получим .
Обычно суммарный ток инжекции дырок и рекомбинации называют базовым током . Тогда уравнение токов для транзистора при рассматриваемой схеме включения может быть записано в виде . Полный ток коллектора с учетом обратного представляется следующим образом: .
Полярность напряжений источников питания, для которой рассматривалась работа транзистора, соответствует его функционированию в активном режиме, при этом ток коллектора меняется пропорционально изменениям .
Рис.3.5. Распределение токов в транзисторе при
открытом эмиттерном и коллекторном переходах.
Если полярность коллекторной источника изменить (рис. 3.5), то коллекторный переход откроется, начнется встречная инжекция электронов в базу и никаких диффузионных процессов происходить не будет. В этом случае коллекторный и эмиттерный токи перестанут зависеть друг от друга. Они будут определяться только величинами напряжений источников питания.
Рис.3.6. Распределение токов в транзисторе при
закрытом эмиттерном и коллекторном переходах.
Если на оба перехода подать запирающее напряжение (рис. 3.6), то транзистор перейдет в режим отсечки, через оба перехода потекут неуправляемые обратные токи очень малой величины, и транзистор не будет обладать усилительными свойствами.
Рис.3.7. Инверсное включение транзистора
Включение транзистора, при котором эмиттерный переход заперт, а коллекторный открыт, называется инверсным (рис. 3.7). Эта ситуация аналогична первому варианту включения, только коллектор будет выполнять функции эмиттера, а эмиттер – функции коллектора. Процессы, которые при этом происходят, аналогичны процессам для активного режима транзистора, то есть .
Однако так как реальный транзистор не является симметричной структурой, то всегда меньше . Одна из причин этого состоит в том, что площадь коллектора (собирающего перехода) делается больше площади эмиттерного, а степень его легирования меньше, чем у эмиттерного слоя. Структура реального транзистора может быть представлена следующим образом.
Аналогичные рассуждения справедливы и для транзистора p-n-p типа, необходимо только учитывать противоположные типы носителей и поменять полярность источников питания.
Параметры реальных транзисторов определенным образом зависят от режимов работы. В частности коэффициент передачи коллекторного тока меняется при изменении эмиттерного тока как показано на рис. 3.8.
Рис. 3.8. Зависимость коэффициента передачи
от эмиттерного тока транзистора в схеме с общей базой.
Дело в том, что при малых токах эмиттера разность концентраций электронов в областях эмиттерного и коллекторного переходов невелика. При этом интенсивность процесса диффузии носителей мала и большинство электронов успевают рекомбинировать с дырками в области базы, вследствие чего ток коллектора будет много меньше эмиттерного. При больших токах уменьшается коэффициент инжекции , так как концентрация свободных носителей у эмиттерного перехода становится очень большой. Кроме этого возрастают потери на рекомбинацию и начинает проявляться эффект вытеснения эмиттерного тока, который можно пояснить на примере транзистора плоской (планарной) конструкции следующим образом (рис. 3.9).
Рис.3.9. Эффект вытеснения эмиттерного тока транзистора.
При больших токах эмиттера и базы, из-за падения напряжения на ее области, потенциал эмиттерного слоя близкого к центру окажется более положительным. Это приведет к снижению инжекции соответствующей области эмиттера и уменьшению коллекторного тока. В удаленном от базы крае эмиттера такой эффект проявляется слабее, то есть центр области эмиттера как бы экранируется краями. Для борьбы с данным явлением увеличивают длину (периметр) эмиттера, выполняя его в виде гребенки, змейки и т.п.
Коэффициент передачи коллекторного тока зависит и от напряжения коллектор-база, возрастая с его увеличением. График этой зависимости (рис. 3.10) соответствует графику связи тока коллектора от ЕБК и имеет следующий вид.
Рис. 3.10. Зависимость коэффициента передачи
коллекторного тока от напряжения коллектор – база.
Основной причина такой зависимости является модуляция толщины базы (эффект Эрли). Так как коллекторный переход заперт, то область, обедненная свободными носителями, занимает в базе некоторое пространство (рис.3.11). Свободных носителей там нет и, соответственно будет отсутствовать рекомбинация инжектированных эмиттером электронов. С ростом напряжения ЕБК, будет возрастать область (ширина) коллекторно-базового p-n перехода и, следовательно, начнет сужаться область базы. При этом из-за снижения вероятности рекомбинации уменьшается ток , возрастает ток коллектора а, следовательно, и .
Рис.3.11. Эффект модуляции толщины базы транзистора.
В транзисторах с тонкой базой, при больших значениях напряжений ЕБК может произойти смыкание областей коллекторного и эмиттерного переходов - прокол базы, что вызывает резкое увеличение коллекторного тока из-за короткого замыкания источника ЕБК и может привести к разрушению транзистора. Кроме этого при повышении напряжения на коллекторе может произойти электрический, а затем и тепловой пробой.
Вследствие конечной скорости носителей, инжектированные эмиттером, электроны достигнут коллектора, через некоторое время.
Рис.3.12. Зависимость тока коллектора
от времени при импульсном воздействии.
При подаче на эмиттерный переход запирающего напряжения, накопленные в базе неосновные носители в течение некоторого времени будут выводиться из нее (рассасываться). На этом интервале они продолжат втягиваться полем источника ЕБК в коллекторную область, вызывая протекание коллекторного тока (рис.3.12) Таким образом, при резком изменении эмиттерного тока, изменения эмиттерного будут запаздывать.
Если импульс эмиттерного напряжения очень короткий, то часть электронов инжектированных им, окажется перехваченной полем запертого (в момент окончания импульса) эмиттерного перехода и импульс коллекторного тока станет меньше, следовательно, станет меньше и коэффициент его передачи .
Рис.3.13. Зависимость от частоты.
Чем короче импульсы и выше частота их следования, тем сильнее будет проявляться данный эффект. Поэтому зависимость от частоты всегда имеет падающий характер (рис.3.13). Частота, на которой падает в √2 раз, называется предельной частотой усиления в схеме с общей базой и обозначается ƒ. В качестве частотных параметров транзистора используются также – граничная частота (на ней становится равной 0,5) и – предельная частота генерации. При достижении этой частоты коэффициент усиления транзистора по мощности падает до единицы и транзистор теряет свои усилительные свойства.
Вольтамперные характеристики представляют собой зависимость токов в соответствующих цепях транзистора от приложенных напряжений. Так как токи в транзисторе сложным образом связаны с напряжениями в коллекторной и базовой цепях и друг с другом, то при снятии характеристик (рис.3.14) одно из напряжений или ток (параметр) поддерживается неизменным, а другое меняется. Характеристики транзистора называются следующим образом:
зависимость IЭ от ЕБЭ (при ЕБК = const) – входная;
зависимость IК от ЕБК (при IЭ = const) – выходная;
зависимость IК от ЕБЭ (при ЕБК = const) – характеристика прямой передачи.
Рис.3.14. Схема для снятия вольтамперных характеристик
биполярного транзистора.
При определении входной характеристики сначала предположим, что ЕБК = 0. Данную ситуацию можно представить двояко: во-первых, коллекторный вывод никуда не подключать, а во-вторых - соединить его с базой как с общей точкой схемы. В первом случае коллекторный ток равен нулю, и переход эмиттер-база представляет собой диод с соответствующей вольтамперной характеристикой (рис.3.15).
Рис.3.15. Распределение токов при включении
транзистора по схеме с общей базой и ЕБК=0.
При замыкании коллектора с базой из-за наличия контактной разности потенциалов на данном переходе, часть инжектированных электронов втянется в коллектор и вызовет протекание коллекторного тока, однако суммарный ток, потребляемый от источника ЕБЭ и равный IЭ = IК + IБ останется неизменным.
Рис. 3.16. Распределение токов при включении
транзистора по схеме с общей базой и ЕБК ≠ 0.
Похожая картина наблюдается и при ЕБК ≠ 0, т.к. IК ≈ IЭ, а IЭ задается напряжением источника ЕБЭ. Однако в этом случае характеристика сместится немного влево, а при нулевом напряжении ЕБЭ начнет протекать некоторый начальный ток эмиттера IЭН. Первое объясняется эффектом модуляции толщины базы. С ростом ЕБК, её толщина и соответственно объемное сопротивление уменьшаются, что и приводит к возрастанию тока эмиттера.
Рис. 3.17. Входные характеристики транзистора
при включении по схеме с общей базой.
Появление начального тока эмиттера связано с тем, что при наличии обратного тока коллектора IКБО возникает падение напряжения на объемном сопротивлении базы и эта разность потенциалов является прямой (отпирающей) для эмиттерного перехода. Его потенциальный барьер немного снижается и начинает протекать небольшой диффузионный ток.
Выходная характеристика снимается не при фиксированном напряжении ЕБЭ, а при фиксированном токе эмиттера. Так как IК ≈ IЭ, то теоретически это должна быть горизонтальная прямая. На самом деле вследствие зависимости от ЕБК, с ростом напряжения на коллекторе немного возрастает, и выходная характеристика будет наклонена вверх, вплоть до пробоя транзистора.
За счет наличия внутреннего запирающего поля p-n перехода при ЕБК = 0 ток коллектора не прекратится. Снизить его до нуля можно лишь скомпенсировав внутреннее поле внешним, то есть, поменяв полярность источника ЕБК. Тогда при прямом напряжении на коллекторе порядка долей вольта ток через коллекторный переход станет равным нулю, а при дальнейшем увеличении этого напряжения изменит направление.
При снятии выходных характеристик задают различные значения токов эмиттера и строят не одну, а совокупность - семейство выходных характеристик (рис. 3.18).
Рис. 3.18. Семейство выходных характеристик транзистора
при включении по схеме с общей базой.
Ситуация, когда эмиттерный переход открыт, а напряжение на коллекторном переходе - запирающее, соответствует активному режиму работы транзистора (горизонтальный участок ВАХ при ненулевом токе эмиттера). Если полярность ЕБК изменить на прямую, то транзистор перейдет в режим насыщения (начальный участок характеристики). При подаче на оба перехода запирающего напряжения транзистор будет переведен в режим отсечки, при этом IЭ станет равным нулю и ВАХ пойдет практически горизонтально на уровне тока IКБО. Зависимость IК = ƒ(UБЭ), представляет собой характеристику прямой передачи. Так как IК ≈ IЭ, то она похожа на входную ВАХ.
При проектировании устройств на транзисторах необходимо знать их параметры – коэффициент передачи по току, объемные сопротивления полупроводниковых слоев и т. п. Большинство из них можно определить по экспериментально снятым вольтамперным характеристикам, которые отражают связь между токами и напряжениями в соответствующих цепях.
Вольтамперные характеристики транзистора описываются достаточно сложными кривыми, то есть транзистор является нелинейным элементом. Однако можно выделить участки ВАХ, например, в активной области выходных характеристик, где их можно аппроксимировать прямыми линиями. Степень аппроксимации будет тем лучше, чем меньше диапазон изменений токов и напряжений около выбранной точки.
В ситуации, когда ∆I<<I0, ∆U<<U0 (в режиме так называемого «малого сигнала») токи и напряжения в транзисторе будут связаны линейными зависимостями, что соответствует выполнению закона Ома. В этом случае транзистор можно представить в виде некоторой эквивалентной схемы, состоящей из резисторов, генераторов тока, источников Э.Д.С. и т.п. линейных элементов. При соответствующем подборе их параметров связь между напряжениями и токами в эквивалентной схеме будет практически такой же, как в реальном транзисторе, работающем при малых входных и выходных сигналах.
Имеются различные конфигурации эквивалентных схем, но для расчетов усилительных устройств наиболее часто используется так называемая Т-образная схема, которая при включении транзистора с общей базой выглядит, как представлено на рис. 3.19.
Рис. 3.19. Т-образная схема транзистора при включении с ОБ.
Здесь rэ и rб, - так называемые дифференциальные сопротивления эмиттера и базы, отражающие не только наличие реальных сопротивлений соответствующих слоев полупроводника, но и в какой-то мере характеризующие процессы, происходящие там (инжекцию, диффузию, рекомбинацию и т.п.). В частности, rэ зависит от эмиттерного тока и теоретически эта зависимость описывается соотношением rэ=Uт/Iэ. Сопротивление rк – это не только сопротивление обратно смещенного коллекторного перехода, по которому протекает обратный ток. Его наличие отражает эффект модуляции толщины базы, приводящий к дополнительной зависимости Iк от EБК.
Если во входную цепь реального транзистора подать ток Iэ, то в его выходной, коллекторной цепи потечет ток Iк=αIэ. Чтобы эквивалентная схема отражала это обстоятельство, в нее вводят генератор тока αIэ. Наличие барьерной емкости запертого коллекторного p-n перехода, а также зависимость α от частоты отображается (моделируется) в эквивалентной схеме введением конденсатора Ск. Диффузионную емкость эмиттерного перехода можно учесть введением элемента Сэ. В то же время, по причине малости rэ, ее влияние будет незначительно т.к. при этом rэ<<1/ωCЭ, этот элемент из эквивалентной схемы можно исключить. Токи в эквивалентной схеме соответствуют реальной картине протекания токов в транзисторе, однако следует учитывать, что это не полные токи транзистора, а их приращения вблизи выбранной точки вольтамперной характеристики.
Так как границы раздела слоев полупроводника недоступны для подключения измерительных приборов, то непосредственно определить параметры эквивалентной схемы транзистора невозможно. Поэтому данная задача решается косвенным методом, для чего вводится система измеряемых параметров, характеризующих свойства транзистора, как четырехполюсника (рис. 3.20).
Рис.3.20. Представление транзистора в виде четырехполюсника.
Условно, связи между приращениями входных и выходных токов и напряжений при включении транзистора с общей базой можно выразить следующим образом:
,
.
Здесь считается, что независимыми переменными являются изменения входного, эмиттерного тока ∆Iэ и выходного, коллекторного напряжения ∆UБК, а h – это коэффициенты, имеющие определенную размерность и называемые h-параметрами. Их можно определить экспериментально, задавая небольшие приращения одной из независимых переменных при постоянном значении другой из соответствующих вольтамперных характеристик транзистора.
, – const
, – const
, – const
, – const
Между h-параметрами и параметрами эквивалентной схемы существует определенная связь:
,
, .
Таким образом, экспериментально определив h-параметры для конкретного транзистора, можно рассчитать параметры его T-образной схемы.
Все параметры транзистора определенным образом зависят от температуры, в частности входная вольтамперная характеристика с ее ростом сместится влево, как и для диода (рис. 3.21), а семейство выходных характеристик - вверх (рис. 3.22).
Рис.3.21. Зависимость входной характеристики транзистора
в схеме с общей базой от температуры.
Рис. 3.22. Поведение выходных характеристик транзистора
в схеме с общей базой с ростом температуры.
Это объясняется тем, что при увеличении температуры, увеличивается обратный ток коллектора (как для запертого диода), а кроме того, возрастает α по причине увеличения времени жизни неосновных носителей в базе и, соответственно, уменьшения тока рекомбинации.
Общим для входной и выходной цепей транзистора может быть любой из его электродов. При включении транзистора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.2) входные и выходные характеристики имеют вид, приведенный на рис. 3.23. и 3.24.
Рис. 3.23. Входные характеристики транзистора
при включении по схеме с общим эмиттером.
Для работы в активном режиме к базе и коллектору подключаются положительные полюса соответствующих источников питания, переход эмиттер-база при этом открыт, а база-коллектор заперт. Данная ситуация реализуется при EЭК>EЭБ.
Рис. 3.24. Семейство выходных характеристик транзистора
при включении по схеме с общим эмиттером.
Физические процессы, происходящие в транзисторе, при его включении по схеме с общим эмиттером, будут идентичны процессам, в схеме с общей базой, однако вольтамперные характеристики и параметры эквивалентной схемы существенным образом отличаются.
Входной характеристикой является зависимость тока базы от напряжения между эмиттером и базой. Пусть UЭК=0, что можно сделать, разомкнув цепь коллектора. В этом случае ток базы будет равен току эмиттера. Входная цепь транзистора (переход эмиттер-база) ведет себя как открытый диод, и ее вольтамперная характеристика совпадать с аналогичной ВАХ схемы включения с общей базой.
Если коллектор с эмиттером замкнуть накоротко, то входная характеристика не изменится, так как при UКЭ=0 коллекторный переход смещается в прямом направлении и тоже инжектирует электроны в базу. Однако этот поток компенсируется встречным потоком из эмиттера, поэтому суммарный ток коллектора будет практически нулевым. Кроме того, эффективность коллектора как инжектора много меньше эффективности эмиттера (αи<<α).
Если на коллектор подать запирающий потенциал, то есть выполнить условие EЭК>EЭБ, то как и в схеме с общей базой, большая часть инжектированных эмиттером носителей пройдя через слой базы втянется полем коллекторного перехода, создавая коллекторный ток. При этом по базовой (входной) цепи будет протекать ток IБ=IЭ-IК много меньший, чем в предыдущей ситуации и входная вольтамперная характеристика сместится вправо (рис. 3.23). При и по цепи базы будет протекать обратный ток запертого коллекторного перехода IКБ0.
В схеме с общим эмиттером управляющим является источник EЭБ и связанный с ним ток базы IБ, а управляемым (выходным) – во много раз больший ток коллектора IК, отбираемый от источника EЭК. Если немного увеличить напряжение ЕЭБ, то, как и в схеме с ОБ, инжекция со стороны эмиттера станет более интенсивной. Возрастут токи эмиттера и коллектора, и немного увеличится ток базы, оставаясь всегда много меньше IK. Это связано с тем, что ток эмиттера отбирается от источника ЕЭК.
Данное обстоятельство можно интерпретировать как эффект усиления управляющего тока при включении транзистора по схеме с общим эмиттером. Отношение IК/IБ называется коэффициентом усиления по току и обозначается буквой β.
Между коэффициентом передачи тока α в схеме с ОБ и коэффициентом β существует определенная связь. Независимо от того, как включен транзистор . С другой стороны , откуда . Но, так как , то и .
Более точное соотношение для коллекторного тока выглядит следующим образом IК= αIЭ+IКБО. Его можно трансформировать к виду: . Отсюда следует, что при токе базы равном нулю через коллекторную цепь (при ) потечет ток величиной , который называется сквозным и обозначается IКЭО.
Данное обстоятельство связано с тем, что суммарный ток в базовой цепи станет нулевым, лишь если будет скомпенсирован текущий в обратном направлении IКБО (рис. 3.25). То есть при в базу из внешней цепи вводится ток равный IКБО, но при этом в цепи коллектора потечет ток в β раз больший, который сложится с IКБО, поэтому в формуле и появляется компонента .
Рис. 3.25. Схема распределения тока при включении
транзистора по схеме с общим эмиттером.
В отличие от входной характеристики схемы с общей базой (рис. 3.17), соответствующая характеристика транзистора включенного с общим эмиттером при увеличении напряжения смещается вправо. Это объясняется тем, что с ростом напряжения сужается базовая область, уменьшается количество рекомбинирующих носителей, то есть базовый ток.
Семейство выходных характеристик при такой схеме включения представляет собой зависимость тока коллектора от UЭК при различных фиксированных токах базы (рис. 3.24).
При нулевом базовом токе и отличном от нуля коллекторном напряжении, через транзистор потечет сквозной ток IКЭО. Так как переход эмиттер-база при этом будет практически закрыт, то такая ситуация соответствует работе транзистора в режиме отсечки.
При токах базы отличных от нуля выходные характеристики пойдут с большим (примерно в β раз) наклоном вверх и будут начинаться практически с нуля. Пока напряжение UЭК близко к нулю, переход коллектор-база практически открыт и экстракция инжектированных эмиттером носителей происходит слабо. Ток коллектора будет много меньше эмиттерного, транзистор при этом работает в области насыщения. Лишь при коллекторный переход запрется, практически весь эмиттерный ток станет перехватываться коллектором, что соответствует активному режиму работы.
Более крутой ход ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ (по сравнению с аналогичными характеристиками для схемы с ОБ), объясняется тем, что при изменении толщины базы (эффект Эрли) небольшие изменения базового тока трансформируются в выходную цепь с коэффициентом .
Характеристикой прямой передачи для рассматриваемой схемы включения транзистора является зависимость тока коллектора от напряжения UЭБ. Так как , то эта характеристика будет похожа на входную, но в отличие от нее при UЭК=0, ток коллектора будет мал и течет в обратную сторону (рис. 3.26).
Рис.3.26. Характеристика прямой передачи при включении
транзистора по схеме с общим эмиттером.
Коэффициент усиления по току β, как и коэффициент передачи тока α зависит от режима работы транзистора - величины коллекторного тока, напряжения ЕЭК и от частоты. Эти зависимости выражены гораздо сильнее, чем соответствующие для коэффициента α (рис. 3.27), что формально объясняется связью α и β через соотношение . Так как α близок к единице, то его небольшое изменение приводит к значительным изменениям β из-за того, что в знаменателе стоит разность 1- α. В схеме с общим эмиттером это связано с тем, что управляющим является ток базы, относительные изменение которого будет значительными при небольших изменениях коллекторного тока.
Рис.3.27. Зависимость коэффициента усиления по току β от
величины коллекторного тока и напряжения ЕЭК для схемы
с общим эмиттером.
С ростом частоты коэффициент усиления по току будет уменьшаться, как это показано на рис. 3.28.
Рис. 3.28. Зависимость коэффициента усиления по току
от частоты для схемы с общим эмиттером.
При включении по схеме с ОЭ для оценки частотных свойств транзистора используются следующие параметры:
– частота, на которой коэффициент усиления падает в раз по сравнению с его величиной на нулевой частоте, ;
– частота, на которой , она совпадает со значением для схемы с ОБ, так как при ;
– предельная частота генерации или частота, на которой коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ становится равным единице.
В справочниках часто приводится значение модуля коэффициента усиления по току или величины на конкретной частоте . Зная эти величины, можно рассчитать по формуле: .
Эквивалентная схема транзистора при включении с общим эмиттером выглядит, как показано на рис. 3.29. Как и для эквивалентной схемы с ОБ, параметры элементов этой схемы не могут быть непосредственно измерены, но их можно определить, представив транзистор в виде четырехполюсника.
Рис. 3.29. Т-образная эквивалентная схема транзистора
при включении с ОЭ.
Связь между его входными и выходными параметрами определяется системой уравнений:
По соответствующим вольтамперным характеристикам можно определить h-параметры, и далее рассчитать величины сопротивлений эквивалентной схемы
,
,
Если один и тот же транзистор использовать как в схеме с общей базой, так и в схеме с общим эмиттером, то между соответствующими h-параметрами будет существовать определённая взаимосвязь, которая распространяется и на параметры эквивалентных схем. В частности:
, ,
, .
Хотя физически барьерная ёмкость коллекторного перехода не зависит от того, по какой схеме транзистор включен, но для эквивалентных схем получается, что , и соответственно . Такое различие в параметрах объясняется большим влиянием в схеме с ОЭ процессов в выходной цепи на входную (обратной связью), чем для схемы с ОБ.
Иногда при описании частотных свойств транзисторов применяют параметр, который называется постоянная времени коллекторной цепи – . Она определяется как произведение сопротивления и ёмкости , входящих в состав эквивалентных схем. Эта величина не зависит от схемы включения .
В схеме с общим коллектором входным электродом будет база, выходным - эмиттер, а общим – коллектор. Для такой схемы также можно снять соответствующие вольтамперные характеристики, определить h-параметры и рассчитать номиналы элементов эквивалентной схемы.
Как и для других полупроводниковых приборов, свойства конкретного транзистора можно описать, используя систему параметров, ряд из которых зависит от схемы включения.
К основным параметрам для схемы с общим эмиттером относятся:
– коэффициент усиления по току;
– граничная частота усиления, либо – модуль коэффициента усиления на заданной частоте;
– ёмкость коллекторного перехода (барьерная емкость для определённого значения напряжения ) или постоянная времени коллекторной цепи ;
– напряжение насыщения коллектор-эмиттер (это напряжение между соответствующими электродами), при работе транзистора в режиме насыщения, обычно при этом задается определенное соотношения коллекторного и базового токов. Иногда такой параметр вводится и для входной цепи – UЭБнас.
Следующая группа параметров относится к предельным или максимально допустимым. Это - UЭКmax – максимально допустимое во всем диапазоне рабочих температур напряжение между коллектором и эмиттером транзистора (для схемы с ОБ – напряжение UБК), не приводящее к пробою коллекторного перехода, IKmax – максимально допустимый ток коллектора и PKmax – максимальная рассеиваемая мощность, не вызывающая необратимых изменений в транзисторе.
Совокупность этих параметров определяет область устойчивой работы транзистора. Ее обычно отмечают на семействе выходных характеристик, как показано на рис. 3.30. Откладываются предельные значения IKmax и UЭКmax . При протекании через транзистор тока IK на нем выделяется мощность PK=IK•UЭК и она никогда не должна превышать PKmax. Графически это IK=PKmax/UК. отображается гиперболой, которая называется кривой максимально допустимой мощности. С учетом ограничений по току и напряжению получается заштрихованная зона, определяющая область устойчивой работы.
Рис.3.30. Область устойчивой работы транзистора.
Иногда в качестве параметра приводятся значения обратного тока коллектора при и ряд других вспомогательных величин.
В ряде случаев могут использоваться значения предельных параметров для импульсных воздействий, которые превышают статические.
Маркировка транзистора состоит из пяти элементов. На первом месте слева находится цифра или буква, обозначающая материал полупроводника. Второй элемент для биполярных транзисторов - буква Т. Третий элемент – цифра, определяющая его основные функциональные возможности.
Здесь .
Четвёртый элемент – двух или трёхзначное число, обозначающее конкретную разновидность прибора, пятый – буква, определяющая особенности транзистора конкретного типа. Примеры обозначения обычных транзисторов: ГТ321А, КТ315Б, 2Т819Г, КТ928А, 1Т813Б и т.д. В качестве дополнительных классификационных признаков может использоваться буква С после второго элемента (КТС3103А), говорящая о том, что в одном корпусе содержится определенное количество (сборка) однотипных транзисторов.
В случае бескорпусного исполнения используется дополнительный шестой элемент – цифра, написанная через чёрточку (КТ937А-2), отражающая модификацию конструкции. Ещё встречаются транзисторы, маркированные по старой системе, например П25, П216Б, МП40Б.
Коэффициент передачи тока α в схеме с общей базой или коэффициент усиления по току β в схеме с общим эмиттером определяются характеристиками полупроводниковых материалов, технологией изготовления транзисторов и физическими процессами, протекающими при его работе. Типовые значения α находятся в пределах 0,950,99, а β соответственно принимает значения 20100.
С целью уменьшения затрат мощности на управление коллекторным током и должны быть большими. Однако на пути создания транзисторов с встают серьезные технологические трудности, связанные с необходимостью формирования тонкой базы, что в свою очередь приводит к снижению предельных рабочих напряжений и т.п.
Однако можно получить транзистор со сколь угодно большим значением β, если несколько обычных транзисторов определенным образом соединить друг с другом. Один из вариантов такого соединения транзисторов одного типа проводимости, приведенный на рис. 3.31, называется схемой Дарлингтона или составным транзистором.
Такая схема ведет себя как эквивалентный транзистор того же типа проводимости. База транзистора VT1 будет базой эквивалентного, его эмиттером - эмиттер VT2, а коллектором – общая точка соединения коллекторов обоих транзисторов.
Рис. 3.31. Структура и распределение токов
в составном транзисторе (схема Дарлингтона).
Если через β обозначить коэффициент усиления по току составного транзистора, то его токи базы и коллектора будут связаны соотношением . Из картины токораспределения следует, что ; . Так как эмиттерный ток VT1 является базовым током VT2 - , то и коэффициент усиления эквивалентного транзистора будет описываться соотношением .
В первом приближении его можно считать равным произведению коэффициентов усиления исходных VT1 и VT2. Количество соединяемых таким образом транзисторов может быть любым и теоретически, с помощью такого схемотехнического решения можно получить транзистор со сколь угодно большим значением β.
Однако на практике возникает ряд проблем. Во-первых, транзисторы VT1 и VT2 работают при существенно разных токах, так как а, следовательно .
Если ток коллектора первого транзистора будет очень мал, то соответственно небольшим окажется и коэффициент β1 и соответственно большого выигрыша в коэффициенте усиления составного транзистора не получится. Чтобы уменьшить влияние этого эффекта, в эмиттерную цепь VT1 включается дополнительный низкоомный резистор R, увеличивающий его эмиттерный и коллекторный токи до величин, при которых коэффициент усиления β1 принимает достаточно большие значения.
Кроме этого сквозной (неуправляемый) ток составного транзистора определяется соотношением , он много больше, чем у каждого из входящих в его состав, а и меньше меньшей из величин (,и , ). Особенностью составного транзистора является невозможность перевода его в состояние насыщения. Это объясняется тем, что как только потенциал коллектора VT2 станет меньше потенциала его базы, первый транзистор перейдёт в инверсный режим и дополнительный входной ток начнёт протекать через коллекторную цепь VT2, минуя его базу. По этой причине падение напряжение на открытом составном транзисторе всегда будет больше, чем на обычном насыщенном.
По схеме составного можно включать и транзисторы различного типа проводимости (схема Шиклаи), как это представлено на рис. 3.32.
При этом проводимость эквивалентного транзистора будет соответствовать проводимости VT1, а эмиттер VT2 будет действовать как коллектор составного транзистора и наоборот. Здесь , ; , отсюда вытекает, что .
Рис. 3.32. Структура и распределение токов в составном
транзисторе (схема Шиклаи).
Таким образом, коэффициент усиления по току здесь получается практически таким же, как у предыдущей схемы. Особенность такой структуры в том, что, используя маломощный p-n-p транзистор, можно создать его более мощный эквивалент, параметры которого будут определяться свойствами n-p-n транзистора.
Основной особенностью таких приборов является управление током в выходной цепи путем изменения величины электрического поля, а не тока, во входной. Такие транзисторы имеют существенные отличия от биполярных как по конструкции, так и физическим процессам, протекающим при их работе.
Биполярный транзистор представляет собой прибор с двумя p-n-переходами, в переносе тока участвуют носители обоих типов. При работе такого транзистора протекают процессы инжекции, диффузии и экстракции, носители введенные в базу, являются для нее неосновными. При любой схеме включения биполярного транзистора, чтобы изменить ток в его выходной цепи необходимо подать определенный ток во входную. Такие транзисторы являются приборами с токовым управлением и существует лишь две их разновидности – p-n-p и n-p-n.
Перенос тока в полевом транзисторе осуществляется носителями только одного типа (электронами или дырками). Поэтому такие приборы часто называются униполярными.
Управление потоком носителей, проходящим через область полевого транзистора, называемую каналом, производится путем изменения электрического поля, создаваемого в области канала с помощью специального электрода – затвора. В отличие от биполярного транзистора, ток в цепи управления при этом не протекает, то есть полевой транзистор подобно электронной лампе, является прибором с потенциальным управлением.
Затвор может быть отделен от канала либо посредством обратно смещенного p-n перехода или слоем диэлектрика, в роли которого чаще всего используются окислы полупроводниковых материалов. Транзисторы первого вида называются полевыми транзисторами с управляющим p-n переходом, а второго вида - МДП или МОП транзисторами. Выводы от крайних областей канала имеют наименования – сток и исток.
Упрощенная структура полевых транзисторов с p-n переходом и каналами различных типов проводимости, а также их условные обозначения на электрических схемах приведены на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Структура и условные обозначения
полевых транзисторов с p-n переходом.
При работе такого транзистора переход затвор-канал смещается в обратном направлении, в связи с чем в слоях полупроводника появляются зоны, обедненные свободными носителями. С ростом обратного напряжения размеры обедненных слоев будут увеличиваться. Наиболее заметно этот эффект проявляется в полупроводнике, образующем канал, что связано с различной концентрацией примесей, вводимых в исходные материалы (затвор легируется сильнее области канала). Таким образом, при увеличении запирающего напряжения сечение канала и, соответственно, его проводимость будут уменьшаться по сравнению с ситуацией, когда . При некотором напряжении , называемом напряжением отсечки , канал перекроется полностью и его проводимость исчезнет (рис.4.2).
Рис. 4.2. Изменение сечения канала полевого транзистора с p-n
переходом и n каналом при управлении по цепи затвора.
При смене полярности управляющего напряжения слои, обедненные свободными носителями, исчезают, проводимость канала дополнительно увеличивается, но появляется ток во входной цепи, поэтому такой режим работы полевого транзистора с p-n переходом практически не используется.
В полевом транзисторе ток стока сложным образом зависит как от управляющего напряжения, так и от разности потенциалов, приложенных между выводами исток – сток. В ситуации, когда для транзистора с n-каналом , а на сток подано положительное относительно истока напряжение, через канал потечет некоторый ток . При этом потенциал по длине канала меняется от нуля в области истока до + у электрода стока, то есть запирающее напряжение в области стока будет больше, чем у истока, а сечение проводящего канала вблизи стока окажется меньше (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Изменение размеров и профиля канала полевого
транзистора при изменении напряжения сток – исток.
С ростом напряжения , ток стока с одной стороны будет увеличиваться, но с другой стороны его рост будет замедляться за счет уменьшения проводимости канала. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , произойдет практически полное перекрытие канала, несмотря на то, что ток стока по нему будет протекать. Дальнейший рост напряжения вызовет пропорциональное увеличение длины проводящей зоны канала и, соответственно, его сопротивления. При этом величина тока стока, равная
будет оставаться практически неизменной вплоть до пробоя перехода затвор-сток.
Графики зависимостей тока стока от напряжения при различных значениях приведены на рис. 4.4. На каждом из них можно выделить два участка: первый (омический) при и второй (участок насыщения) - при . На омическом участке с ростом напряжения происходит изменение сечения канала и , где – некоторый коэффициент. На втором участке меняется длина проводящей зоны канала и .
Рис. 4.4. Семейство выходных характеристик
полевого транзистора с p-n переходом.
При подаче на затвор относительно истока некоторого запирающего напряжения происходит дополнительное уменьшение сечения канала и, соответственно, снижение тока стока при тех же напряжениях . В режим насыщения транзистор также будет переходить при меньшей величине разности потенциалов .
Напряжение отсечки является некоторой константой конкретного полевого транзистора, причем .
Совокупность приведенных на рис. 4.4 зависимостей тока стока от напряжения сток – исток, снятых при различных потенциалах затвора, образует семейство выходных характеристик полевого транзистора.
На начальном участке выходные характеристики представляют собой отрезки практически прямых линий, наклон которых зависит от величины управляющего напряжения на затворе (рис. 4.5).
Рис. 4.5. Начальные участки семейства выходных
характеристик полевого транзистора.
Так как линейная связь между током и напряжением описывается законом Ома: , то из рис. 4.5 следует, что в данном режиме () полевой транзистор может выполнять функции управляемого резистора, величина которого , зависит от напряжения .
Линейность выходных характеристик при смене полярности напряжения сохраняется пока переход затвор-сток остается запертым.
Вольтамперная характеристика полевого транзистора, связанная с цепью управления (затвором) называется стокозатворной. Она представляет собой зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном значении и имеет параболическую форму (рис. 4.6).
Как следует из предыдущих рассуждений, с увеличением запирающего напряжения ток стока уменьшается и при некотором его значении , обращается в ноль. При положительной полярности на затворе управляющий p-n переход откроется, начнется инжекция дырок в область истока, при этом потечет ток затвора, и, сначала немного возрастет, а потом будет уменьшаться ток стока. Такой режим работы полевого транзистора с открытым управляющим p-n переходом обычно не используется, считается нерабочим.
Рис. 4.6. Семейство стокозатворных характеристик полевого
транзистора с управляющим p-n переходом и n-каналом.
При уменьшении напряжения характеристика пойдет несколько ниже, а при изменении температуры станет поворачиваться вокруг некоторой, так называемой «термостабильной» точки. Это связано с тем, что, к примеру, при увеличении температуры с одной стороны уменьшается подвижность носителей, что приводит к росту сопротивления канала и падению тока стока, а с другой - уменьшается контактная разность потенциалов, что вызывает расширение токопроводящего канала. При малых токах преобладает первый эффект, а при больших – второй. При некотором токе они компенсируют друг друга, и положение такой точки на ВАХ не меняется с температурой.
Напряжение отсечки по данной характеристике обычно отсчитывается на уровне тока стока, равном 10 мкА.
Предыдущие рассуждения касались функционирования полевого транзистора при включении его с общим истоком. Однако, в качестве общего для входной и выходной цепей электрода можно использовать затвор и исток.
В малосигнальном режиме, когда , , полевой транзистор может считаться линейным устройством. Его работу можно смоделировать, используя набор линейных элементов, отражающих ту или иную особенность функционирования реального транзистора, то есть представить его в виде эквивалентной схемы, один из вариантов которой приведен на рис. 4.7.
Рис. 4.7. Эквивалентная схема полевого транзистора
при включении с общим истоком.
Так как управление током стока осуществляется под действием напряжения во входной цепи практически без потребления тока, то какие либо элементы во входной цепи должны отсутствовать. В принципе туда можно ввести некоторое сопротивление , характеризующее наличие входного тока из-за конечного сопротивления запертого p-n перехода, а также емкость , отражающую факт наличия барьерной емкости запертого p-n перехода. Эта емкость называется входной.
То, что при наличии входного напряжения , в выходной цепи течет ток , моделируется введением в состав эквивалентной схемы генератора тока с внутренним сопротивлением , причем . Из стокозатворной характеристики следует, что пропорционален . Этот факт можно записать в виде , где S – некоторый коэффициент, называемый «крутизной» и имеющий размерность , либо . В последнем случае значение крутизны показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении на 1В.
С ростом частоты усилительные свойства полевого транзистора, как и у биполярного, ухудшаются. Это в основном связано с наличием соответствующих емкостей и конечной скоростью движения носителей. Для учета частотных свойств в состав его эквивалентной схемы вводят конденсаторы, емкости которых соответствуют входной и проходной .
В отличие от ситуации с биполярным транзистором, параметры активных элементов эквивалентной схемы полевого, можно определить непосредственно из соответствующих вольтамперных характеристик.
, , .
Отношение изменения выходного напряжения ко входному называется коэффициентом усиления полевого транзистора .
В отличие от биполярного, полевой транзистор обладает симметричной структурой, поэтому его параметры в нормальном и «инверсном» включении, когда выводы стока и истока меняются местами, будут практически одинаковыми.
В высокочастотных разновидностях полевых транзисторов применяются металлические затворы и переходы Шоттки. В качестве полупроводника при этом обычно используется арсенид галлия. Особенность полевых транзисторов являются малые шумы, вносимые в усиливаемый сигнал.
В качестве параметров для оценки характеристик и сравнения полевых транзисторов с управляющим переходом, используются: крутизна характеристики, напряжение отсечки, начальный ток стока – это ток стока при нулевом напряжении на затворе, ток утечки затвора – это обратный ток через запертый переход затвор-исток, ёмкости – входная, выходная и проходная. Кроме того, вводятся предельные параметры: максимально допустимое напряжение на электродах, токи через них и мощность, рассеиваемая на транзисторе.
Еще одним вариантом полевых транзисторов являются транзисторы с изолированным затвором. Они называются транзисторами типа МОП или МДП, что связано с чередованием слоев металл-окисел (диэлектрик)-полупроводник в структуре транзистора. Возможны четыре разновидности таких структур. На рис. 4.8 приведена условная топология и обозначения на принципиальных схемах МОП транзисторов со встроенным каналом разного типа проводимости.
Рис. 4.8. Структура и условные обозначения
МОП транзисторов со встроенным каналом.
При создании таких транзисторов в слое полупроводникового материала, который называется подложкой, создаются области противоположного типа проводимости - сток и исток, соединенные проводящим каналом из того же материала.
Над областью канала располагается металлический или полупроводниковый электрод – затвор, отделенный от канала слоем окисла или другого диэлектрика.
На подложку транзистора с каналом из n-полупроводника подается максимальный отрицательный потенциал, либо она соединяется с истоком. Это необходимо, чтобы переходы исток-подложка, сток-подложка были закрыты. В последнем случае протеканию тока через границу раздела исток-подложка препятствует внутреннее поле p-n перехода.
При напряжении между истоком и затвором () равном нулю и положительном относительно истока напряжении на стоке (), по каналу потечет некоторый ток . Его зависимость от напряжения будет аналогична соответствующей зависимости у полевого транзистора с p-n переходом и n-каналом, так как подложку в этом случае можно представить в роли затвора.
При подаче на затвор МОП транзистора положительного относительно истока напряжения, произойдет подтягивание электронов из подложки в область канала и его проводимость, а следовательно, и ток стока будут увеличиваться. Такой режим работы полевого транзистора со встроенным каналом называется режимом обогащения. Если на затвор подается отрицательное напряжение, происходит выталкивание электронов из области канала в подложку, проводимость канала и ток стока уменьшаются. В этом случае транзистор работает в режиме обеднения. При некоторой величине отрицательного напряжения на затворе канал полностью перекроется, его проводимость и, соответственно, ток стока станут равными нулю. Это напряжение называется напряжением отсечки .
Вольтамперные характеристики МОП транзистора со встроенным каналом n-типа имеют вид, показанный на рис. 4.9. Как следует из принципа его работы, током стока можно управлять при подаче на затвор напряжения обоих полярностей.
Рис. 4.9. Вольтамперные характеристики
МОП транзистора со встроенным n-каналом.
Структура и обозначения на принципиальных схемах МОП транзисторов с индуцированным, или наведенным каналом представлена на рис. 4.10. В таких приборах в исходном состоянии проводящий канал между областями стока и истока отсутствует, и соответственно ток стока будет равен нулю.
Рис. 4.10. Структура и условные обозначения
МОП транзисторов с индуцированным каналом.
Проводящий канал и ток у транзистора с подложкой из p-полупроводника появляется лишь при подаче на затвор относительно истока положительного напряжения, большего, чем некоторое пороговое значение . Под действием положительного потенциала затвора дырки отталкиваются вглубь подложки, а электроны подтягиваются в область канала. При под затвором формируется область с инверсной по отношению к подложке n-проводимостью, соединяющая зоны стока и истока, то есть токопроводящий канал. С ростом напряжения размеры этой области, проводимость канала и ток стока увеличиваются.
Вольтамперные характеристики МОП транзистора с индуцированным n-каналом приведены на рис. 4.11. Они похожи на соответствующие характеристики МОП транзистора со встроенным каналом, но управление током стока происходит лишь при положительном напряжении на затворе, большем порогового.
Эквивалентная схема и система параметров МОП транзисторов аналогична эквивалентной схеме транзистора с управляющим p-n переходом, приведенной на рис. 4.7.
Рис. 4.11. Вольтамперные характеристики
МОП транзистора с индуцированным n-каналом.
ВАХ МОП транзисторов с противоположным типом проводимости канала выглядят аналогично, меняется лишь полярность управляющего и напряжения питания.
Особенностью полевых транзисторов является их геометрическая симметрия. Это позволяет при необходимости сток и исток менять местами. Кроме того, подложка может быть использована в качестве второго затвора (как у полевого транзистора с p-n переходом). У таких транзисторов практически отсутствуют входные токи при обеих полярностях управляющих напряжений.
Структура затвор-окисел-полупроводник представляет собой высококачественный конденсатор очень малой емкости и с небольшим пробивным напряжением. При наличии на теле или одежде человека зарядов статического электричества и касании выводов транзистора возможен пробой диэлектрика и выход прибора из строя. Чтобы этого избежать при транспортировке и монтаже МОП транзисторов применяются специальные меры предосторожности.
Система обозначений полевых транзисторов по структуре такая же, как для диодов и биполярных транзисторов. Она состоит из пяти элементов. Первый обозначает материал, второй – буква П, остальные элементы имеют такой же смысл (мощность, частотные свойства, разновидности ), что и для биполярных транзисторов (КП103А, 2П912Б, АП330А и т.п.).
Еще одна разновидность полупроводниковых приборов относится к классу переключающих. В отличие от диодов и транзисторов они могут находиться лишь в двух состояниях – включенном (открытом) и выключенном (запертом), причем в ряде случаев при одном и том же значении приложенного напряжения.
Такие приборы изготавливаются на основе полупроводниковых структур с тремя и более p-n переходами и называются тиристорами. В зависимости от числа внешних выводов и способа управления тиристоры делятся на диодные или неуправляемые, называемые динисторами, и триодные или управляемые (тринисторы). Последние иногда называют тиристорами.
Перевод тиристора из одного состояния в другое (обычно из выключенного во включенное) может быть осуществлен под действием электрического напряжения, тока или электромагнитного излучения. Тиристоры управляемые световым потоком называются фототиристорами.
Структура тиристоров и их обозначения на электрических схемах приведены на рис. 5.1. Вывод от внешнего p-слоя полупроводника называется анодом, а от внешнего n-слоя – катодом тиристора.
Рис. 5.1. Структура и обозначения на электрических
схемах динистора и тринистора.
Динистор, или неуправляемый тиристор состоит из четырех слоев полупроводника. Формально это похоже на систему из двух последовательно соединенных диодов, но, как и в случае с биполярными транзисторами, близость расположения слоев приводит к появлению специфических эффектов.
Динистор может быть условно представлен в виде двух частично совмещенных p-n-p и n-p-n структур, что эквивалентно соединению двух биполярных транзисторов разного типа проводимости, как это показано на рисунке 5.2. Такое соединение транзисторов с помощью монтажа приведет получению переключающего прибора.
Рис. 5.2. Представление динистора в виде совокупности
двух биполярных транзисторов.
Если на анод динистора подать небольшое положительное напряжение, а на катод – отрицательное, то крайние p-n переходы , сместятся в прямом направлении, а средний – в обратном. При этом переходы , функционируют как эмиттерные, а – как общий коллекторный для обоих транзисторов. В рассматриваемой ситуации через него потечет ток , определяемый суммой коллекторных токов обоих транзисторов и обратного тока запертого перехода , т.е. .
С другой стороны он будет равен току I, протекающему через всю структуру в целом, который можно представить либо как эмиттерный ток первого транзистора, либо как равный ему эмиттерный ток второго. Таким образом, будет справедливо соотношение .Так как , а , то , откуда .
Данное уравнение является основным для четырехслойных переключающих структур. Из него следует, что если сумма коэффициентов передачи обоих транзисторов меньше единицы, то ток через динистор будет одного порядка с тепловым или обратным током , то есть небольшим. При этом прибор находится в выключенном состоянии.. Если же сумма коэффициентов передачи приблизится к единице, то ток через динистор возрастет, а при станет (теоретически) равным бесконечности. Эта ситуация соответствует включенному состоянию динистора, после перехода в которое соотношение поддерживается автоматически за счет действия положительной обратной связи.
В реальных схемах ток через включенный прибор ограничивается сопротивлением внешней цепи, а падение напряжения на нем составляет 0,71,5 В и слабо зависит от протекающего тока. Оба транзистора при этом находятся в состоянии насыщения, все их p-n переходы смещены в прямом направлении.
Если на динистор подать напряжение обратной полярности, т.е. минус на анод, а плюс - на катод, то запертыми окажутся переходы , , а открытым . Ток через динистор будет определяться токами утечки обратно смещенных переходов вплоть до их пробоя. Включить прибор в этом случае невозможно, так как оба транзистора переходят в инверсный режим, при котором коэффициент передачи тока коллектора много меньше, чем в активном режиме.
Для включения динистора необходимо увеличить значения коэффициентов передачи составляющих его транзисторов, чтобы их сумма оказалась равной единице. Это можно сделать несколькими способами - изменяя напряжение на динисторе, искусственно увеличивая ток через него или освещая структуру при наличии на ней некоторого прямого напряжения, так как коэффициент является функцией всех этих параметров (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Зависимость коэффициента передачи
биполярного транзистора от напряжения, тока и освещенности.
При повышении прямого напряжения станут возрастать коэффициенты передачи тока транзисторных структур динистора и их сумма. Из-за этого будет происходить увеличение тока, дополнительное возрастание коэффициентов и при некоторой величине прямого напряжения, называемой напряжением включения, их сумма может стать равной единице. Динистор скачкообразно перейдет в проводящее состояние и ток через него будет ограничен сопротивлением внешней цепи . В реальных приборах время включения составляет единицы микросекунд и менее.
Однако в чистом виде этот механизм включения не реализуется. Это связано с очень малыми величинами коэффициентов передачи транзисторов при токах через них порядка . Во включении большую роль играет процесс лавинного размножения носителей, возникающий при напряжениях близких к в области перехода , смещенного в обратном направлении. Это вызывает увеличение тока через структуру и ее включение. В момент включения через динистор протекает ток .
Включенное состояние динистора будет поддерживаться автоматически, так как в данном режиме . Если считать, что параметры транзисторных структур одинаковы, то для каждой из них будет выполняться соотношение , откуда следует, что , а их сумма . Прямое напряжение на включенном динисторе составляет доли вольта. Вольтамперная характеристика динистора при его включении имеет вид, приведенный на рис. 5.4.
Рис. 5.4. Вольтамперная характеристика
динистора при включении
Для выключения динистора необходимо, чтобы сумма стала меньше единицы. Это можно сделать, разорвав цепь питания (при этом I=0, ), либо уменьшив ток через динистор до значения, при котором сумма коэффициентов передачи токов транзисторов становится меньше единицы. Минимальный ток, при котором динистор находится во включенном состоянии, называется током удержания.
Для динистора ход вольтамперной характеристики при его выключении зависит от способа уменьшения тока через структуру (рис. 5.5).
Рис. 5.5. Схемы управления током
динистора во включенном состоянии.
В первом случае (рис. 5.5а) ток уменьшается при снижении входного напряжения и постоянном значении сопротивления нагрузки. Поэтому к моменту выключения напряжение на динисторе будет близко к нулю и прямая ветвь вольтамперной характеристики имеет вид, показанный на рис. 5.6.
Рис. 5.6 Вольтамперная характеристика динистора
при уменьшении прямого напряжения.
Однако ток через динистор можно уменьшить при неизменном напряжении питания путем увеличения сопротивления нагрузки, как показано на рис 5.5б. Здесь при выключении динистора напряжение на нем скачком увеличится до уровня напряжения источника (рис. 5.7).
Рис. 5.7 Вольтамперная характеристика динистора
при увеличении сопротивления нагрузки.
При обратном напряжении ВАХ динистора похожа на соответствующую ветвь вольтамперной характеристики диода. Особенностью динистора является наличие на ВАХ участков с отрицательным динамическим сопротивлением, где при увеличении тока напряжение падает. Однако эти участки появляются только при включении, либо выключении прибора на очень короткое время.
Если в динистор ввести дополнительный управляющий электрод, связанный с р-областью около катода (с базой второго транзистора эквивалентной схемы), то получится переключающий прибор называемый тринистором. Его особенность в том, что напряжение включения зависит от тока управления. Подача на управляющий электрод положительного относительно катода отпирающего напряжения вызовет протекание по цепи базы и эмиттера VT2 тока IУ, а в цепи его коллектора потечет дополнительный ток , который будет складываться с током через анодный вывод. При этом полный ток тринистора описывается соотношением , из которого следует, что при с ростом прямого напряжения ток через тринистор будет увеличиваться быстрее, чем у динистора, где .
С увеличением тока управления возрастает ток через транзистор VT2, увеличивается его коэффициент передачи , и выполнение условия включения наступит раньше, чем у динистора (рис. 5.8).
Для некоторого тока управляющего электрода, называемого током спрямления, коэффициент передачи становится близким к 1 и соотношение начинает выполняться уже при прямых напряжениях в доли вольта. При этом прямая ветвь ВАХ тринистора вырождается в диодную. Обратная ветвь вольтамперной характеристики тринистора соответствует аналогичной ветви динистора или диода
Рис. 5.8. Вольтамперная характеристика триодного тиристора.
Выключить тринистор по управляющему электроду нельзя, так как выполнение соотношения во включенном состоянии обеспечивается протекающим через структуру током, независимо от ситуации в области управляющего электрода. Единственный способ выключения тринистора (как и в случае с динистором) – снизить протекающий через него ток до величины меньшей тока удержания или кратковременно разомкнуть анодную цепь.
При увеличении тока управления напряжение включения тринистора снижается. Соответствующая зависимость приведена на рисунке 5.9.
Рис. 5.9. Характеристика управления триодного тиристора
При IУ = 0 и тринистор будет выключен. Если, не меняя напряжения между его анодом и катодом, поднять ток управления до величины , то тринистор включится и останется в таком состоянии. Таким образом, тринистор можно включить, не только увеличивая приложенное к его выводам напряжение, но и подачей соответствующего тока управления. Причем это можно сделать на короткое время, пока тиристор включится, а затем сигнал управления снять, так как такое состояние тринистора сохранится.
Если на область запертого p-n перехода подействовать электромагнитным излучением (светом), то там начнется генерация пар носителей тока, которые под действием внешнего электрического поля будут «растаскиваться» к областям анода и катода увеличивая обратный ток через структуру. При этом будут увеличиваться коэффициенты передачи , и их сумма. Когда она станет равной 1, тиристор, (при таком способе управления он называется фототиристором), включится.
Как видно из ВАХ (рис.5.8), тринистор имеет существенно разные характеристики при прямой и обратной полярностях напряжения. В то же время существуют симметричные переключающие приборы, называемые симисторами (неуправляемые – диаки и управляемые - триаки), вольтамперная характеристика которых и обозначение на принципиальных схемах приведены на рис.5.10.
Рис. 5.10. Вольтамперная характеристика
и обозначение симистора на принципиальных схемах.
Получить симметричный неуправляемый переключающий прибор, можно взяв два динистора, у которых , и соединив их встречно-параллельно, как показано на рис.5.11.
Рис. 5.11. Структура симметричного динистора.
Тогда прямая полярность для одного будет обратной для другого и наоборот. Если объединить одноименные слои полупроводника, то получится симметричный неуправляемый переключающий прибор в виде пятислойной структуры. Вводя в соответствующие области управляющие электроды можно реализовать управляемые симисторы с различными характеристиками управления.
Как уже отмечалось, обычный тиристор не выключается с помощью управляющего электрода. Путем модификации структуры области управления, удалось реализовать возможность отвода части тока включенного тиристора во внешнюю цепь. Это позволило обеспечить не только включение, но и выключение таких тиристоров по управляющему электроду при смене полярности напряжения в его цепи. Ток управляющего электрода, при котором происходит выключение запираемого тиристора, называется током запирания.
Рис. 5.12. Зависимость тока запирания
от величины прямого тока через тиристор.
Механизм выключения запираемого тиристора аналогичен соответствующему для обычного, то есть полный ток должен стать меньше тока удержания, при котором перестает выполняться соотношение . Если в цепь управления подается запирающий ток, то ток через тиристор уменьшается пропорционально его величине , где k – коэффициент управления. Поэтому, чем больший ток протекает через тиристор во включенном состоянии, тем большим должен быть запирающий ток (рис. 5.12).
Вольтамперная характеристика запираемого тиристора аналогична ВАХ тринистора, за исключением возможности возврата в точку перехода в открытое состояние (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Вольтамперные характеристики
и обозначение на схемах запираемого тиристора.
Запираемый тиристор может быть открыт и закрыт путем подачи коротких импульсов напряжения (тока) соответствующей величины и полярности на управляющий электрод.
Для описания свойств переключающих приборов используется система параметров, которые описывают его поведение как в установившемся, статическом состоянии, так и в процессе переключения – в динамике.
Основные статические параметры: ток спрямления, ток удержания, падение напряжения в открытом состоянии при заданном прямом токе, максимально допустимые прямое () и обратное напряжения, максимально допустимый ток тиристора и управляющего электрода, максимально допустимая рассеиваемая мощность и ряд параметров характеризующих токи и напряжения при импульсных воздействиях.
К динамическим параметрам относятся:
– время включения или время перехода из выключенного состояния во включенное. Для разных типов тиристоров оно лежит в пределах от сотен наносекунд до десятков микросекунд;
– время выключения – интервал времени с момента прекращения анодного тока до момента восстановления непроводящих свойств центрального p-n перехода;
– максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения;
– максимальная скорость изменения прямого тока.
Необходимость введения соответствующих ограничений обусловлена тем, что при подаче на анод тиристора импульсного напряжения с высокой скоростью изменения (с короткими фронтами), тиристор может самопроизвольно включиться за счет появления тока управляющего электрода при перезарядке паразитных емкостей. При больших скоростях изменения тока возникают локальные перегревы кристалла, что в итоге может привести к выходу тиристора из строя.
В настоящее время действуют две системы маркировки (обозначений) и классификации тиристоров. Одна для приборов с максимальным током 1020 А, применяемых в основном в устройствах автоматики, а другая – для тиристоров, используемых в силовой технике, устройствах электропитания, электропривода и т.п. В первой системе первым элементом является цифра 2 или буква К, обозначающая тип материала (кремний), вторым – буква Н – для динисторов и У для тиристоров и симисторов. Третьим элементом является цифра - 1 для обычных тиристоров со средним током до 0,3 А, 2 – для таких же тиристоров, но с токами до 10 А, 3 и 4 для запираемых, 5 и 6 – для симметричных тиристоров с такими же значениями токов. Остальные элементы обозначают тип и разновидности конкретного прибора (КУ201А, КУ601 и т.п.).
Первый элементом маркировки силовых тиристоров – буква: Т – тиристор, ТС – симистор, ТО – или ТСО – управляемый световым потоком тиристор или симистор. Второй элемент может отсутствовать, либо это буква, обозначающая особенности прибора: И - импульсный тиристор, Ч - высокочастотный, и т.п. Третий элемент – число, характеризующее конструкцию тиристора. Оно состоит из трёх цифр. Первая определяет модификацию, вторая типоразмер, третья - конструктивное исполнение. Четвёртый элемент - число, указывающее максимально допустимый ток. Далее через черточку идет число, обозначающее класс тиристора, это значение максимального прямого напряжения в сотнях вольт и через чёрточку набор цифр, по которым можно установить скоростные параметры. Например, Т 122-25-12, ТС 112-10-16 и т.п.
К оптоэлектронным приборам относятся светоизлучающие диоды (светодиоды) и фоточувствительные приборы – фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры, фоторезисторы и т.п.
Светодиодом называется полупроводниковый диод, который при протекании тока излучает свет в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Его работа основана на выделении энергии в виде электромагнитного излучения в ходе рекомбинации электронов и дырок в области p-n перехода.
Каждый акт рекомбинации сопровождается выделением электромагнитного кванта с частотой , где Е – энергия кванта, – постоянная Планка. Такие процессы происходят и при протекании тока в обычных диодах, однако, интенсивность излучения у них очень слабая. Это связано с тем, что одновременно с излучательным механизмом рекомбинации действует и безызлучательный, когда энергия кванта передается кристаллической решётке и происходит нагрев кристалла. В обычных диодах второй механизм преобладает над первым.
Из соотношения , следует, что длина волны излучения обратно пропорциональна энергии, выделяющейся при рекомбинации, которая в свою очередь пропорциональна ширине запрещённой зоны полупроводника. Поэтому диоды, изготовленные из германия, кремния и арсенида галлия, могут излучать лишь в инфракрасной области. Кроме того, у германиевых, кремниевых и обычных арсенид-галлиевых диодов преобладает механизм безызлучательной рекомбинации. Для изготовления светодиодов, работающих в видимом диапазоне, применяются специальные полупроводниковые материалы с большой шириной запрещённой зоны – фосфид галлия, нитрид галлия, карбид кремния и другие, обладающие значительной величиной внутреннего квантового выхода. Так называется коэффициент, равный отношению числа излучённых фотонов к количеству прорекомбинировавших пар носителей.
Зависимость интенсивности излучаемой светодиодом энергии (силы света) от длины волны, называется спектральной характеристикой. Она имеет максимум на некоторой длине волны , которая определяет цвет свечения.
Рис. 6.1. Спектральные характеристики и обозначение
светодиодов на электрических схемах.
Вольтамперная характеристика светодиода (рис. 6.2) похожа на характеристику обычного полупроводникового диода.
Рис. 6.2. Вольтамперные характеристики светодиодов.
Ее особенность состоит в том, что величины прямых напряжений могут достигать нескольких вольт (из-за большой ширины запрещенной зоны полупроводников), а обратные напряжения невелики вследствие малой толщины p-n перехода. При электрическом пробое (на обратной ветви ВАХ) вследствие ударной ионизации в объеме p-n перехода также может возникнуть излучение электромагнитной энергии. Однако, его интенсивность в таком режиме мала.
Яркостная характеристика представляет собой зависимость яркости излучения от величины прямого тока. Яркость определяется отношением силы света к площади светящейся поверхности. Примерный вид такой характеристики приведен на рис. 6.3. Ее загибы на начальном и конечном участках объясняются тем, что при малых и больших токах увеличивается вероятность безызлучательной рекомбинации.
Рис. 6.3. Яркостная характеристика светодиода.
В отличие от ламп накаливания, светодиоды являются очень быстродействующими, безынерционными приборами. Они могут переключаться, излучая и не излучая свет с частотами в миллионы раз в секунду.
Ряд параметров, которыми характеризуются светодиоды, аналогичны параметрам обычных диодов: прямое напряжение при заданном прямом токе, максимально допустимый прямой ток, обратное напряжение и максимальная мощность рассеивания. Кроме этого используется и дополнительные параметры, характеризующие светодиод, как излучательный прибор: длина волны максимума излучения или цвет свечения, яркость или сила света при заданном прямом токе (для инфракрасных диодов используется показатель мощности излучения), диаграмма направленности и т.п.
Основные области применения светодиодов – системы отображения информации и передачи данных. Светодиоды могут выпускаться с самыми различными конфигурациями корпусов в виде кружков, треугольников, полосок, наборов сегментов для отображения цифровой информации и т.п.
В современных светодиодах используются так называемые гетеропереходы, которые возникают при контакте разнородных полупроводников с отличающимися значениями запрещенных зон. Работы в этом направлении проводились лауреатом Нобелевской премии Ж.И. Алферовым и позволили создать супер яркие светодиоды с диапазоном длин волн излучения вплоть до синего и ультрафиолетового.
Такие светодиоды находят применение в системах электронных табло, светофорах и т.п. Светодиоды с белым цветом свечения представляют собой комбинацию в одном корпусе кристаллов, излучающих разные цвета, смешивание которых обеспечивает получение белого.
Применяемая ранее система обозначений светодиодов аналогична используемой для маркировки обычных диодов, но в качестве второго элемента записывалась буква Л (АЛ307Б, 3Л361А). В настоящее время она сохранилась для инфракрасных светодиодов, а для приборов видимого свечения используется другая. Первым элементом является буква К (для приборов общепромышленного применения), либо он отсутствует, если изделие предназначено для использования в специальной аппаратуре. Второй элемент – комбинация букв ИП (индикатор полупроводниковый), далее буква, классифицирующая прибор по виду отображаемой информации: Д – единичные индикаторы, М – мнемонические (разной формы), Г – графические (в виде набора светящихся точек), Ц – цифровые (в виде сегментов), В – буквенно-цифровые, Т – школьные и т.п. Затем идет число, обозначающее разновидность прибора, далее буква, определяющая значение параметров и через чёрточку либо только буква, обозначающая цвет свечения (К – красный, Л – зелёный, Ж – жёлтый, Р – оранжевый, Г – голубой, М – многоцветный ), либо в дополнение к ней ряд цифр, характеризующих особенности индикатора, например (КИПДО5А-Л, ИПЦ09А-7К).
Фотодиод представляет собой полупроводниковый прибор, p-n переход которого открыт для действия внешнего излучения. Если к выводам полупроводникового диода не подключены внешние источники напряжений, то переход находится в равновесном состоянии. При этом разность потенциалов на выводах диода равна нулю, а на границе раздела слоев полупроводника существует внутреннее электрическое поле, обусловленное контактной разностью потенциалов, препятствующее перемещению основных носителей через p-n переход.
Под действием электромагнитного излучения (при освещении), в объеме перехода может происходить разрыв связей электронов с атомами – генерация электронно-дырочных пар. Такое явление называется внутренним фотоэффектом, так как образовавшиеся под воздействием освещённости носители остаются в области кристалла.
Внутреннее поле p-n перехода будет перемещать образовавшиеся дырки в p-область, а электроны в n-область полупроводника, разделяя генерируемые носители. При этом на внешних краях полупроводниковых слоев появится разность потенциалов («+» на аноде диода, «–» на его катоде) и на величину этой разности уменьшится высота потенциального барьера p-n перехода.
Генерируемая фотодиодом, под действием света, разность потенциалов, называется фото-э.д.с. Ее величина возрастает при увеличении светового потока (рис. 6.4). Направление электрического поля, создаваемого фото э.д.с., противоположно направлению поля контактной разности потенциалов. Когда эти величины сравняются, суммарное поле окажется равным нулю и новые порции генерируемых носителей, останутся в области перехода так как исчезнет сила, вызывающая их перемещение. Это приводит к тому, что фото э.д.с. при любой освещенности не превысит внутренней, контактной разности потенциалов.
Рис. 6.4. Зависимость фото-э.д.с. и фототока диода
от светового потока.
Если выводы диода замкнуты накоротко, то при освещении p-n перехода по проводнику потечет электрический ток, вызванный наличием нескомпенсированных носителей в областях полупроводниковых слоев. Электроны начнут перемещаться в р - область, а дырки в n полупроводник. При этом по внешней цепи потечет электрический ток, который называется фототоком. Он будет поддерживаться за счет энергии внешнего светового излучения, расходуемой на разделение зарядов в области p-n перехода.
Фототок , возрастает практически пропорционально световому потоку (рис. 6.4), и в отличие от фото ЭДС не имеет участка насыщения.
Таким образом, фотодиод может служить в качестве генератора э.д.с. или тока, т.е. выполнять функции преобразователя световой энергии в электрическую. На этом принципе основано действие солнечных преобразователей (батарей). Такой режим работы фотодиода называется вентильным.
Вольтамперная характеристика (ВАХ) фотодиода - зависимость тока через него от величины внешнего приложенного напряжения определенным образом связана с уровнем освещенности. Если p-n переход не освещен, то ВАХ фотодиода будет идентична соответствующей характеристике обычного диода (график на рис. 6.5 для = 0).
Рис. 6.5. Вольтамперные характеристики фотодиода.
При подаче обратного напряжения через фотодиод будет протекать так называемый темновой ток , определяемый, как и для обычного диода, соотношением , где – ток насыщения, – температурный потенциал, - приложенное напряжение.
При освещении запертого диода в объеме его p-n перехода и прилегающих областях станут генерироваться пары носителей. Они будут увлекаться внешним электрическим полем к краям полупроводниковых слоев и через диод потечет обратный ток где – темновой ток, – фототок, создаваемый носителями, генерируемыми под действием освещенности.
Так как величина фототока пропорциональна световому потоку , то с ростом освещенности обратная ветвь ВАХ фотодиода будет смещаться вниз. Данный режим работы фотодиода (при обратном смещении p-n перехода) называется фотодиодным. Если зафиксировать обратное напряжение, то в этом режиме фотодиод может служить датчиком освещенности, так как обратный ток практически пропорционален ее величине.
При напряжении на фотодиоде равном нулю, что соответствует его короткому замыканию, через внешнюю цепь будет протекать ток короткого замыкания (фототок).
Когда полярность напряжения меняется на прямую, то внешнее электрическое поле включается встречно с полем фото э.д.с., что вызывает уменьшение потока носителей через p-n переход и соответственно снижение обратного тока. При некоторой его величине, называемой напряжением холостого хода , ток через диод прекратится. Численно величина напряжения равна разности потенциалов при освещении разомкнутого диода, так как и в первом и во втором случаях ток во внешней цепи равен нулю.
С ростом отпирающей разности потенциалов, через диод потечет прямой ток, зависимость которого от напряжения аналогична соответствующей для обычного диода.
Фотодиоды, используемые как датчики освещенности, работают при обратном смещении (в фотодиодном режиме). Они характеризуются следующими параметрами: максимальное обратное напряжение, – темновой ток – обратный ток затемненного фотодиода при заданной температуре и обратном напряжении, интегральная или дифференциальная чувствительность и длина волны максимума спектральной чувствительности.
Интегральная чувствительность определяется из соотношения , а дифференциальная как . Последний параметр показывает, насколько изменяется обратный ток, при изменении светового потока на единицу.
Чувствительность фотодиода зависит от длины волны падающего света. Эта зависимость (рис. 6.6) называется спектрально характеристикой. Наличие у нее максимума объясняется действием различных механизмов поглощения электромагнитной энергии в полупроводниках и их связью с длиной волны падающего света.
Рис. 6.6. Спектральные характеристики и обозначение
фотодиода на электрических схемах.
Фотодиоды маркируются обычно буквами ФД или ФД-К, за которыми следует номер разработки.
Управление коллекторным током транзистора, может быть осуществлено не только при изменении соответствующих напряжений и тока базы, но и путем освещения ее области. Транзистор, для которого предусмотрен такой режим работы, называется фототранзистором. В отсутствие освещенности его вольтамперные характеристики идут обычным образом.
Под воздействием светового потока в области базы станут генерироваться электронно-дырочные пары. Полем запертого коллекторного перехода электроны (для n-p-n транзистора) начнут втягиваться в область коллектора, увеличивая его ток. Данная ситуация аналогична возникающей при работе фотодиода в режиме обратного смещения.
Дырки, возникшие при освещении фототранзистора n-p-n типа, останутся в базе, увеличивая ее потенциал, что приведет к усилению инжекции электронов из эмиттера. Дополнительные электроны, достигнув коллекторного перехода, втянутся его полем и дадут дополнительное приращение коллекторного тока.
Полный коллекторный ток фототранзистора описывается соотношением: , где – начальный ток коллектора, – фототок коллекторного перехода, величина которого зависит от внешней освещенности. Из данного соотношения следует, что коллекторным током фототранзистора можно управлять как по цепи базы, так и изменяя величину светового потока. В любом случае, при освещении вольтамперные характеристики пойдут выше соответствующих ВАХ, снятых для транзистора в темноте, как показано на рис. 6.7 штриховыми линиями. Чувствительность к воздействию освещенности у фототранзистора транзистора примерно в раз больше чувствительности фотодиода.
Фототранзистор может быть представлен в виде эквивалентной схемы, состоящей из обычного транзистора и фотодиода, включенного между его коллектором и базой, как показано на рис. 6.7.
Рис. 6.7. Вольтамперные характеристики, обозначение и эквивалентное представление биполярного n-p-n фототранзистора.
Если не требуется комбинированное управление током коллектора, то фототранзистор может не иметь базового вывода или он может быть никуда не подключен. При таком режиме работы, который называется режимом с «оторванной» или свободной базой, фототранзистор обладает не только максимальной чувствительностью, но и максимальной нестабильностью параметров. Вывод базы может быть соединен с эмиттерным контактом через резистор, от величины которого будет зависеть фоточувствительность.
Обычный транзистор и диод могут быть превращены в фоточувствительные приборы, вскрытием их корпусов для доступа света к кристаллу.
Фототиристорами называются переключающие полупроводниковые приборы, напряжение включения которых может изменяться под воздействием светового потока на соответствующие p-n переходы.
Условие включения тиристора выглядит следующим образом , где и – коэффициенты передачи эквивалентных транзисторов. В отсутствие освещенности вольтамперная характеристика фототиристора практически не отличается от ВАХ обычного переключающего прибора (динистора или тиристора при ).
Освещение переходов фототиристора вызывает рост обратных токов эквивалентных транзисторов и соответственно их коэффициентов передачи. Это приводит к уменьшению напряжения включения структуры, как показано на рис. 6.8.
Рис. 6.8. Вольтамперные характеристики и обозначение
фототиристора.
В случае достаточно интенсивного освещения тиристор будет включен при любом значении прямого напряжения (данная ситуация аналогичная той, когда ток управления тринистора больше тока спрямления).
Подав на затемненный фототиристор прямое напряжение, а затем кратковременно осветив p-n переходы, его можно перевести во включенное состояние. Выключить фототиристор, как и обычный переключающий прибор, удастся лишь при уменьшении анодного тока до значения, меньшего, чем ток удержания.
Фототиристор может иметь дополнительный вывод – управляющий электрод, что позволяет включать его при подаче как электрического, так и светового сигнала.
Промышленностью выпускаются фототиристоры как с открытым для освещения кристаллом, так и с встроенным в корпус тиристора светодиодом.
Фоторезистором называется двухэлектродный полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от внешней освещенности. Он не содержит p-n-переходов и представляет собой пластинку или пленку специальным образом обработанного полупроводника одного типа проводимости. Поэтому фоторезистор является линейным элементом, т.е. его вольтамперная характеристика (рис.6.9) при любой полярности напряжения описывается законом Ома, соотношением , где – ток, протекающий через фоторезистор, – сопротивление при заданной освещенности.
Основными параметрами фоторезистора являются: темновое сопротивление (сопротивление при световом потоке ) и кратность изменения сопротивления , равная отношению темнового сопротивления к сопротивлению при заданной освещенности.
Рис. 6.9. Вольтамперные характеристики и обозначение
фоторезистора на электрических схемах.
Фоторезисторы, как и фотодиоды, по-разному реагируют на световые потоки с различными длинами волн. Наиболее чувствительными к инфракрасному излучению являются фоторезисторы, изготовленные из селенида и сульфида свинца, а при работе в видимом диапазоне используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия.
Шрокое применение находят полупроводниковые устройства, которые называются оптронами или оптопарами. Они представляют собой согласованные по спектральным характеристикам излучатель и приемник света, помещенные в один корпус и электрически изолированные друг от друга.
Связь между ними осуществляется через световой поток электрически нейтральными частицами – фотонами. Такой вид связи слабо подвержен воздействию разного рода электромагнитных помех, а отсутствие непосредственного контакта между излучателем и приемником дает возможность использовать оптроны в качестве элементов гальванической развязки. Аналогичную роль в цепях переменного тока выполняют трансформаторы. В отличие от них, оптрон может передавать из входной цепи в выходную и сигналы постоянного тока.
Обычно в качестве излучателя используется светодиод, а приемником может быть любой фоточувствительный прибор – фотодиод, фототранзистор, фототиристор, фоторезистор. Соответствующим образом называется и оптрон – диодный, тиристорный и т.п. рис. 6.10.
Рис. 6.10. Обозначение на электрических схемах
различных видов оптронов.
Каждый из оптронов характеризуется определенной совокупностью параметров, в состав которых входят: максимальные значения токов и напряжений на излучателях и фотоприемниках; сопротивление электрической изоляции; напряжение пробоя и емкость между приемным и передающими узлами, времена задержки или максимальная частота при передаче сигналов.
Кроме того, для диодных и транзисторных оптронов вводится дополнительный параметр, который называется статическим коэффициентом передачи тока. Он определяется из соотношения: , где – ток фотодиода при заданном обратном напряжении на нем или ток фототранзистора при соответствующем напряжении коллектор-эмиттер, а – ток через светодиод. У фототиристорных оптопар имеется параметр, называемый током спрямления по входу. Это минимальный ток светодиода, переводящий фототиристор во включенное состояние.
В настоящее время используется следующая система обозначений оптронов: 3ОД или АОД – диодный оптрон, 3ОТ или АОТ – транзисторный оптрон, 3ОУ или АОУ – тиристорный оптрон, 3ОР или АОР – резисторный оптрон. После этой комбинации символов стоит число, обозначающее номер разработки и буква, характеризующая особенности прибора (ЗОД101А, АОТ127А, АОУ115В)
Перед выполнением контрольной работы необходимо ознакомиться с разделом 1 материалов курса.
Отчет по контрольной работе оформляется в ученической тетради объемом 12 листов, либо на стандартных листах формата А4. Он может быть выполнен как в рукописном виде, так и с использованием компьютера. Отчет должен содержать титульный лист, на котором располагаются: название факультета, кафедры, специальности, предмета, номер варианта задания по контрольной работе, фамилия, имя, отчество студента номер группы, номер зачетной книжки, фамилия, инициалы преподавателя, год обучения. На первой странице отчета помещается развернутое описание задания, далее приводятся все необходимые выкладки для решения поставленной задачи и принципиальные схемы разработанных устройств.
Все студенты должны выполнить одинаковое задание, состоящее из нескольких задач, исходные данные для расчетов, то есть номер варианта задания определяется в соответствии с последними двумя цифрами (шифром) зачетной книжки.
|
Шифр |
Номер варианта |
Шифр |
Номер варианта |
Шифр |
Номер варианта |
|
01,31,61,91 |
1 |
11,41,71 |
11 |
21,51,81 |
21 |
|
02,32,62,92 |
2 |
12,42,72 |
12 |
22,52,82 |
22 |
|
03,33,63,93 |
3 |
13,43,73 |
13 |
23,53,83 |
23 |
|
04,34,64,94 |
4 |
14,44,74 |
14 |
24,54,84 |
24 |
|
05,35,65,95 |
5 |
15,45,75 |
15 |
25,55,85 |
25 |
|
06,36,66,96 |
6 |
16,46,76 |
16 |
26,56,86 |
26 |
|
07,37,67,97 |
7 |
17,47,77 |
17 |
27,57,87 |
27 |
|
08,38,68,98 |
8 |
18,48,78 |
18 |
28,58,88 |
28 |
|
09,39,69,99 |
9 |
19,49,79 |
19 |
29,59,89 |
29 |
|
10,40,70,00 |
10 |
20,50,80 |
20 |
30,60,90 |
30 |
Данные для расчета приведены в таблице 1. Параметры полупроводников, необходимые для расчета, сведены в таблицу 2.
При выполнении контрольной работы целесообразно пользоваться книгами из списка основной рекомендованной литературы.
Значения физических постоянных:
Заряд электрона
Масса электрона
Постоянная Больцмана
Постоянная Планка
Диэлектрическая постоянная
Таблица 1.
Исходные данные для расчетного задания.
|
Вар-т |
Материал п/п |
Температура T, K |
Концентрация примесей |
Площадь перехода S, |
|
|
1 |
Si |
150 |
1∙1019 |
30∙1020 |
1 |
|
2 |
Ge |
160 |
2∙1020 |
29∙1021 |
2 |
|
3 |
GaAs |
170 |
3∙1019 |
28∙1020 |
3 |
|
4 |
Si |
180 |
4∙1020 |
27∙1021 |
4 |
|
5 |
Ge |
190 |
5∙1019 |
26∙1020 |
5 |
|
6 |
GaAs |
200 |
6∙1020 |
25∙1021 |
6 |
|
7 |
Si |
210 |
7∙1019 |
24∙1020 |
7 |
|
8 |
Ge |
220 |
8∙1020 |
23∙1021 |
8 |
|
9 |
GaAs |
230 |
9∙1019 |
22∙1020 |
9 |
|
10 |
Si |
240 |
10∙1020 |
21∙1021 |
10 |
|
11 |
Ge |
250 |
11∙1021 |
20∙1020 |
1 |
|
12 |
GaAs |
260 |
12∙1020 |
19∙1021 |
2 |
|
13 |
Si |
270 |
13∙1021 |
18∙1020 |
3 |
|
14 |
Ge |
280 |
14∙1020 |
17∙1021 |
4 |
|
15 |
GaAs |
290 |
15∙1021 |
16∙1020 |
5 |
|
16 |
Si |
300 |
16∙1020 |
15∙1021 |
6 |
|
17 |
Ge |
310 |
17∙1021 |
14∙1020 |
7 |
|
18 |
GaAs |
320 |
18∙1020 |
13∙1021 |
8 |
|
19 |
Si |
330 |
19∙1021 |
12∙1020 |
9 |
|
20 |
Ge |
340 |
20∙1020 |
11∙1021 |
10 |
|
21 |
GaAs |
350 |
21∙1021 |
10∙1020 |
1 |
|
22 |
Si |
360 |
22∙1020 |
9∙1021 |
2 |
|
23 |
Ge |
370 |
23∙1021 |
8∙1019 |
3 |
|
24 |
GaAs |
380 |
24∙1020 |
7∙1021 |
4 |
|
25 |
Si |
390 |
25∙1021 |
6∙1019 |
5 |
|
26 |
Ge |
400 |
26∙1020 |
5∙1021 |
6 |
|
27 |
GaAs |
410 |
27∙1021 |
4∙1019 |
7 |
|
28 |
Si |
420 |
28∙1020 |
3∙1021 |
8 |
|
29 |
Ge |
430 |
29∙1021 |
2∙1019 |
9 |
|
30 |
GaAs |
440 |
30∙1020 |
1∙1021 |
10 |
Таблица 2.
Основные параметры
полупроводниковых материалов.
|
Материал полупроводника |
Si |
Ge |
GaAs |
|
|
Ширина запрещенной зоны при |
1.17 |
0.744 |
1.519 |
|
|
Параметры для |
4.73∙10-4 |
|||
|
636 |
235 |
204 |
||
|
Параметры для определения подвижности носителей |
2.42 |
1.66 |
1.0 |
|
|
2.2 |
2.33 |
2.1 |
||
|
Подвижности |
0.15 |
0.39 |
0.85 |
|
|
0.06 |
0.19 |
0.04 |
||
|
Эффективные массы носителей заряда |
1.08 |
0.56 |
0.068 |
|
|
0.56 |
0.35 |
0.45 |
||
|
Диэлектрическая |
11.8 |
16.0 |
13.2 |
|
|
Время жизни |
Титульный лист контрольной работы
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ПСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ»
Кафедра «Вычислительная техника»
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
по дисциплине «Электроника»
Выполнил
Студент
Группа
Вариант
Проверил
Дата сдачи
Оценка
Псков
2011г
Исходные данные для расчетного задания.
|
Вар-т |
Материал п/п |
Температура T, K |
Концентрация примесей |
Площадь перехода S, |
|
|
3 |
GaAs |
170 |
3∙1019 |
28∙1020 |
3 |
Таблица 2.
Основные параметры
полупроводниковых материалов.
|
Материал полупроводника |
Si |
Ge |
GaAs |
|
|
Ширина запрещенной зоны при |
1.17 |
0.744 |
1.519 |
|
|
Параметры для |
4.73∙10-4 |
|||
|
636 |
235 |
204 |
||
|
Параметры для определения подвижности носителей |
2.42 |
1.66 |
1.0 |
|
|
2.2 |
2.33 |
2.1 |
||
|
Подвижности носителей заряда при |
0.15 |
0.39 |
0.85 |
|
|
0.06 |
0.19 |
0.04 |
||
|
Эффективные массы носителей заряда |
1.08 |
0.56 |
0.068 |
|
|
0.56 |
0.35 |
0.45 |
||
|
Диэлектрическая проницаемость |
11.8 |
16.0 |
13.2 |
|
|
Время жизни |
Значения физических постоянных:
Заряд электрона
Масса электрона
Постоянная Больцмана
Постоянная Планка
Диэлектрическая постоянная
Задача 1.
Для собственного полупроводника, имеющего определенную температуру определить ширину запрещенной зоны; концентрацию носителей заряда; эффективные плотности состояний; положение уровня Ферми; подвижности носителей заряда; удельное электрическое сопротивление; отношение полного тока, протекающего через полупроводник к дырочному току.
Решение.
Ширина запрещенной зоны:
Полупроводник называется собственным или типа i (intrinsic), если в нем отсутствуют какие-либо примеси. В этом случае свободные электроны и дырки образуются попарно только за счет тепловой генерации и рекомбинируют также попарно. Следовательно, в собственном полупроводнике концентрация свободных электронов равна концентрации дырок. Поскольку ширина запрещенной зоны полупроводника зависит от температуры, определим ее, используя зависимость
Параметры GaAs возьмем из таблицы 2: , , . Для температуры 170 К ширина запрещенной зоны равна
Концентрация собственных носителей заряда
Концентрация собственных носителей заряда определяется как
, .
Согласно закону «действующих масс» , следовательно
Эффективные плотности состояний:
Определим эффективные плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне
Зная эффективные плотности состояний можно определить собственную концентрацию носителей заряда
Положение уровня Ферми:
Определим положение уровня Ферми в собственном полупроводнике. Концентрации носителей заряда в собственном полупроводнике равны
, .
Поскольку в собственном полупроводнике концентрация электронов равна концентрации дырок, приравняем эти выражения и выразим уровень Ферми
Найдем положение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны. Поскольку энергия уровней измеряется в электрон-вольтах (эВ), возьмем постоянную Больцмана , получим
Следовательно, уровень Ферми в собственном полупроводнике лежит выше середины запрещенной зоны на 0.021 эВ.
Подвижности носителей заряда:
Подвижности электронов и дырок в реальных полупроводниках, вследствие процессов рассеяния, ниже подвижностей в кристаллах с идеальной решеткой. В полупроводниках рассеяние носителей заряда происходит в основном на акустических фононах и на ионах примесей. В разных температурных диапазонах будет доминировать тот или иной механизм рассеяния, и он будет определять величину и температурную зависимость подвижности. При низких температурах (T < 100 K) характер зависимости подвижности обусловлен рассеянием на ионах примесей. В области высоких температур (T > 100 K) подвижность уменьшается с ростом температуры вследствие рассеяния на акустических фононах и можно представить зависимость подвижности от температуры полуэмпирической моделью
,
где К, а – параметр, определяемый опытным путем. Значения для GaAs параметров
|
Подвижности носителей заряда при |
0.85 |
|
|
0.04 |
определяем по таблице 2. Тогда:
Удельное электрическое сопротивление:
Удельное электрическое сопротивление обратно пропорционально удельной электрической проводимости, которая равна
Отношение полного тока, протекающего через
полупроводник к дырочному току:
Полный ток через полупроводник равен сумме дырочной и электронной составляющих дрейфового и диффузионного токов. Так как инжекция и экстракция носителей заряда отсутствуют, то полупроводник находится в равновесном состоянии и диффузионная составляющая тока отсутствует (градиент концентрации равен нулю). Следовательно, полный ток равен дрейфовому току, который состоит из дырочной и электронной составляющих.
,
где Е – напряженность приложенного электрического поля. Отношение полного тока к дырочной составляющей будет равно
Задача 2.
Для полупроводника p-типа с концентрацией акцепторных примесей определить концентрацию основных и неосновных носителей заряда; положение уровня Ферми; удельное электрическое сопротивление; отношение полного тока, протекающего через полупроводник к дырочному току.
Решение.
Концентрация основных и неосновных носителей
заряда
Согласно закону «действующих масс» при любой концентрации примесей произведение концентраций электронов и дырок остается постоянной величиной
, где получено в результате расчетов в задаче 1.
Если полупроводник легирован акцепторными примесями, то в первую очередь происходит переход электронов из валентной зоны на акцепторный уровень с образованием дырок в валентной зоне. Образовавшиеся дырки являются основными носителями заряда, поскольку их концентрация превышает концентрацию свободных электронов в зоне проводимости. При некоторой температуре все акцепторы становятся ионизированными и концентрация дырок в валентной зоне примерно равна концентрации акцепторных примесей (по заданию Na=3∙1019). То есть:
Такое допущение справедливо, когда генерация носителей заряда по механизму ионизации примесных атомов намного больше тепловой генерации носителей заряда, то есть, когда . Из закона «действующих масс» найдем концентрацию электронов, которые являются неосновными носителями заряда
Положение уровня Ферми:
В дырочном полупроводнике концентрация дырок в основном обусловлена переходом электронов с энергетических уровней валентной зоны на энергетический уровень акцепторов. Поэтому концентрация дырок должна быть равна концентрации ионизированных примесей, то есть
В полупроводнике p-типа концентрации электронов и дырок равны
, .
Возьмем отношение концентраций и выразим уровень Ферми
Найдем положение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны
Следовательно, уровень Ферми в полупроводнике p-типа лежит на 0.589 эВ ниже середины запрещенной зоны.
Удельное электрическое сопротивление:
Удельное электрическое сопротивление обратно пропорционально удельной электрической проводимости, которая равна
Отношение полного тока, протекающего через
полупроводник к дырочному току:
Полный ток через полупроводник равен сумме дырочной и электронной составляющих дрейфового и диффузионного токов. Так как инжекция и экстракция носителей заряда отсутствуют, то полупроводник находится в равновесном состоянии и диффузионная составляющая тока отсутствует (градиент концентрации равен нулю). Следовательно, полный ток равен дрейфовому току, который состоит из дырочной и электронной составляющих.
,
где Е – напряженность приложенного электрического поля. Отношение полного тока к дырочной составляющей будет равно
Задача 3.
Для полупроводника n-типа с концентрацией донорных примесей Nd определить концентрацию основных и неосновных носителей заряда; положение уровня Ферми; удельное электрическое сопротивление; отношение полного тока, протекающего через полупроводник к дырочному току.
Решение.
Концентрация основных и неосновных носителей
заряда
Согласно закону «действующих масс» при любой концентрации примесей произведение концентраций электронов и дырок остается постоянной величиной
, где получено в результате расчетов в задаче 1, .
При легировании полупроводника донорными примесями вначале происходит ионизация примесей с образованием большого числа свободных электронов. После полной ионизации примесей все большую роль начинает играть и тепловая генерация носителей заряда с образованием электронно-дырочных пар. В общем случае в полупроводнике должно выполняться условие электронейтральности, когда положительный заряд ионизированных доноров и дырок скомпенсирован отрицательным зарядом свободных электронов
Из закона «действующих масс» выразим концентрацию электронов и подставим в предыдущее выражение
,
Концентрации носителей заряда при условии, что собственная концентрация по порядку близка к концентрации легирующей примеси, то есть, когда m3 можно следующим образом:
Составим квадратное уравнение относительно
Найдем корни уравнения
Данный корень не подходит, поскольку концентрация оказывается отрицательной величиной. Следовательно, концентрация неосновных носителей заряда (дырок) будет для заданного равна:
.
Концентрация электронов:
.
Если собственная концентрация носителей много меньше концентрации легирующих примесей, то есть когда , рационально находить концентрации носителей заряда при условии, что концентрация основных носителей заряда (в нашем случае электронов) по порядку близка к концентрации легирующей примеси, то есть, когда m3.
Так, как для данного задания ,а , то есть , то: из закона «действующих масс» найдем концентрацию дырок, которые являются неосновными носителями заряда:
Положение уровня Ферми:
В полупроводнике n-типа концентрации электронов и дырок равны:
, .
Возьмем отношение концентраций и выразим уровень Ферми
Найдем положение уровня Ферми относительно середины запрещенной зоны
Следовательно, уровень Ферми в полупроводнике n-типа для данного примера лежит на 0.656 эВ выше середины запрещенной зоны.
Удельное электрическое сопротивление:
Удельное электрическое сопротивление обратно пропорционально удельной электрической проводимости, которая равна
Отношение полного тока, протекающего через
полупроводник к дырочному току:
Полный ток через полупроводник равен сумме дырочной и электронной составляющих дрейфового и диффузионного токов. Так как инжекция и экстракция носителей заряда отсутствуют, то полупроводник находится в равновесном состоянии и диффузионная составляющая тока отсутствует (градиент концентрации равен нулю). Следовательно, полный ток равен дрейфовому току, который состоит из дырочной и электронной составляющих.
,
где Е – напряженность приложенного электрического поля. Отношение полного тока к дырочной составляющей будет равно
Задача 4.
Считая, что из полупроводников p- и n-типа изготовлен p-n-переход, определить контактную разность потенциалов; ширину обедненных областей и ширину области пространственного заряда; величину заряда на единицу площади; величину барьерной емкости без внешнего напряжения и при обратном напряжении . Построить график зависимости барьерной емкости от приложенного напряжения (вольт-фарадную характеристику p-n-перехода).
Решение.
Контактная разность потенциалов
Контактная разность потенциалов определяется как разность уровней Ферми в полупроводниках с различным типом проводимости.
Воспользуемся найденными при решении задачи 2 и задачи 3 значениями уровня Ферми полупроводников р- типа и n-типа.
из задачи 2,
из задачи 3.
Ширина обедненных областей и ширина области пространственного заряда
Область пространственного заряда (ОПЗ) образуется за счет ухода основных носителей заряда через переход во время диффузии. В результате в каждом из полупроводников вблизи перехода образуется область, обедненная носителями заряда. Ширина обедненной области определяется выражением
, ,
где – диэлектрическая проницаемость полупроводника (для GaAs ), – напряжение, приложенное к p-n-переходу.
В отсутствие внешнего напряжения обедненные области будут равны
Ширина ОПЗ равна сумме обедненных областей
Величина заряда на единицу площади
Величины заряда на единицу площади по обе стороны перехода равны
,
Где по заданию
Тогда величины заряда на единицу площади по обе стороны перехода равны
Величина барьерной емкости без внешнего напряжения и при обратном напряжении
Область пространственного заряда можно представить как конденсатор, емкость которого зависит от ширины обедненных областей и плотности объемного заряда. Эта емкость называется барьерной. Поскольку ширина ОПЗ зависит от напряжения, то емкость перехода также зависит от приложенного напряжения. При приложении прямого напряжения к переходу над барьерной емкостью преобладает диффузионная емкость, которая возникает вследствие инжекции основных носителей заряда в противоположные области, в результате чего возникают дополнительные (инжектированные) заряды в области перехода. Эта емкость резко возрастает с повышением приложенного напряжения. При приложении обратного напряжения главную роль играет барьерная емкость, так как в этом случае нет диффузии носителей заряда. Рассмотрим влияние внешнего поля на барьерную емкость. В общем случае выражение для емкости записывается в виде
Воспользуемся выражением для определения заряда из предыдущей задачи
где - площадь p-n перехода
Следовательно, без внешнего поля, то есть при
При обратном напряжении
Построим зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения. Это и будет вольт-фарадная характеристика p-n-перехода
Автоэлектронная эмиссия - выход электронов из металла или полупроводника под действием сильного внешнего электрического поля.
Активное сопротивление - сопротивление электрической цепи или ее участка, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие виды энергии (в тепловую энергию).
Акцептор От лат.Acceptor - принимающий - в физике - дефект кристаллической решетки полупроводника, в виде примесного атома, который может захватывать электроны из валентной зоны у доноров, образуя при этом дырки, участвующие в электропроводности.
Акцепторные примеси - атомы химических элементов, внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию дырок. Акцепторными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с большей, чем у примеси, валентностью.
Ампер (A) - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по каждому из двух параллельных прямолинейных проводников бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенных в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 0.000'000'020 H.
Анизотропия От греч.Anisos - неравный + Tropos - направление Анизотропия - в физике - зависимость электропроводности, теплопроводности, показателя преломления света и других физических свойств кристалла от выбранного в нем направления.
Атом Atom От греч.Atomos - неделимый - наименьшая частица химического элемента, носитель его свойств. Атом состоит из положительно заряженного ядра и из отрицательно заряженных электронов. Атом электрически нейтрален, электрический заряд его ядра равен абсолютной величине суммарного заряда всех его электронов. Атом может соединяться с другими атомами химическим путем.
Атомное ядро Atomic nucleus - положительно заряженная центральная часть атома, имеющая объем, в котором сосредоточена основная его масса. Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет заряд атомного ядра.
Атомный кристалл - кристалл, в узлах кристаллической решетки которого находятся электрически нейтральные атомы, между которыми осуществляется ковалентная связь, имеющая квантовомеханическое происхождение.
Атомный номер - порядковый номер химического элемента в периодической таблице элементов Д.И.Менделеева. Атомный номер равен числу протонов в атомном ядре.
Белый шум - стационарный шум, спектральные составляющие которого равномерно распределены по всему диапазону задействованных частот.
Бескорпусная интегральная схема Bare integrated circuit - интегральная схема без защитной оболочки. Применение бескорпусных интегральных схем позволяет создавать собственные многомикросхемные комплексы, которые собирают из серийных компонентов и затем помещают в защитную оболочку.
Большая интегральная схема (БИС) Large scale integration (LSI) - интегральная схема, содержащая 100 тысяч и более простых логических вентилей в одном кристалле.
Вакансия - в кристаллах - отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки. Вакансии находятся в термодинамическом равновесии с кристаллической решеткой, они возникают и исчезают в результате теплового движения атомов.
Валентность - свойство атомов, выражающее их способность к образованию химической связи. Химическая связь образуется за счет электронов, которые атом может потерять, отдавая другим атомам (окисляясь); или электронов, которые атом принимает (восстанавливаясь).
Вариконд - генератор, в котором в качестве диэлектрика используется керамический сегнетоэлектрик, обладающий очень большой диэлектрической проницаемостью, что обеспечивает малогабаритность конденсатора. Емкость вариконда зависит от величины управляющего напряжения.
Варистор - резистор, сопротивление которого зависит от приложенного к нему напряжения. Варисторы используются в цепях, где необходимо ограничить напряжение на некоторых элементах. Варисторы изготавливаются из порошкообразного карбида кремния, смешанного со связующим веществом. Смесь спрессовывают и спекают при высокой температуре.
Вентильный фотоэффект - возбуждение светом электродвижущей силы на границе между металлом и полупроводником или между разнородными полупроводниками.
Внешний фотоэффект, Фотоэлектронная эмиссия - испускание электронов из вещества под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в металлах, полупроводниках и диэлектриках и подчиняется законам фотоэффекта.
Внутренний фотоэффект, Фотопроводимость - увеличение электропроводности полупроводников или диэлектриков под действием света. Причиной фотопроводимости является увеличение концентрации носителей заряда (электронов) в зоне проводимости и дырок в валентной зоне.
Дальний порядок - упорядоченное расположение атомов или молекул во всем объеме тела. Дальний порядок характерен для кристаллических веществ.
Дефект кристаллической решетки - отклонение кристаллической решетки от ее идеального периодического строения. Дефекты оказывают существенное влияние на физические свойства кристаллов. Различают: точечные дефекты (вакансии); линейные дефекты (дислокации); и объемные дефекты: трещины, поры, раковины и т.д.
Диод - двухэлектродный электровакуумный, полупроводниковый или газоразрядный прибор с резко выраженной односторонней проводимость электрического тока. Диод хорошо пропускает через себя ток в одном направлении и очень плохо - в другом направлении. Диоды применяются в электро- и радиоаппаратуре для выпрямления переменного тока, детектирования, преобразования частоты, переключения электрических цепей.
Дислокация - в кристаллах - линейный дефект кристаллической решетки, представляющий собой нарушение правильного чередования атомных плоскостей.
Диэлектрик, Электрический изолятор; Непроводник Dielectric фр.Dielectrique; нем.Dielektrikum От греч.Dia - через + англ.Electric - электрический. Диэлектрик - вещество, обладающее низкой удельной электрической проводимостью. Диэлектрики практически не проводят электрический ток; способны поляризоваться в электрическом поле; подразделяются на пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, электреты и др.
Диэлектрическая проницаемость, Относительная диэлектрическая проницаемость Permittivity; Relative permittivity фр.Permittivite; фр.Permittivite relatif; нем.Dielektrizitatskonstante; нем.Relative dielektrizitatskonstante. Диэлектрическая проницаемость - физическая величина, показывающая во сколько раз напряженность электрического поля внутри однородного диэлектрика меньше напряженности поля в вакууме.
Донор - в физике полупроводников - дефект кристаллической решетки полупроводника, способный отдавать электроны в зону проводимости. Доноры в полупроводниковом кристалле могут быть обусловлены примесью или дислокациями.
Донорные примеси - атомы химических элементов: - внедренные в кристаллическую решетку полупроводника и создающие дополнительную концентрацию свободных электронов. Донорными примесями являются химические элементы, внедренные в полупроводник с меньшей, чем у примеси, валентностью.
Дырка проводимости, Дырка Hole of conduction; Hole фр.Trou de conductivite; фр.Trou; нем.LeitungsDefektelektron; нем.Loch. Дырка проводимости - незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд в полупроводниках, численно равный заряду электрона; или как ионная вакансия обоих знаков в кристаллических диэлектриках, адекватная заряду соответствующего иона с обратным знаком. Дырки рассматриваются как квазичастицы, определяющие совместно с электронами проводимости динамические свойства электронной системы.
Дырочная электропроводность, Электропроводность p-типа; Hole conduction фр.Conductibilite par trous; нем.Defektelektronenleitung. Дырочная электропроводность - электропроводность полупроводника или кристаллического диэлектрика, обусловленная перемещением электронных или ионных дырок проводимости под действием внешнего электрического поля. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочередно замещая друг друга, что порождает "движение" дырок в противоположном направлении.
Дырочно-электронный переход, p-n переход - область контакта двух полупроводников с различным типом проводимости, а также полупроводника и металла. Вблизи контакта происходит взаимная диффузия носителей зарядов, которая приводит к образованию запирающего электрического слоя. Электрическое поле этого слоя препятствует дальнейшей диффузии носителей зарядов. Если полупроводник n-типа соединен с положительным полюсом источником тока, а полупроводник p-типа - с отрицательным полюсом, то ширина запирающего слоя увеличивается и сопротивление p-n перехода возрастает. При обратном подключении источника тока ширина запирающего слоя и сопротивление p-n перехода уменьшается.
Емкостное сопротивление, Емкостное электрическое сопротивление Electric capasitive reactance фр.Reactance capacitive electrique; нем.Elektrische kapazitiver Blindwiderstand - физическая величина, характеризующая сопротивление, оказываемое переменному току участком электрической цепи, включающем только электрическую емкость.
Заряженные частицы, Электрически заряженные частицы; Носители тока - положительно или отрицательно заряженные частицы вещества, не связанные в единую электрически нейтральную систему. В металлах свободными заряженными частицами (носителями тока) являются электроны проводимости, в электролитах - ионы, в полупроводниках - электроны и дырки.
Интегральная схема, Микросхема; Чип Integrated circuit; Chip - микроэлектронное изделие окончательной или промежуточной формы, предназначенное для выполнения функций электронной схемы, элементы и связи которого нераздельно сформированы в объеме и/или на поверхности материала, на основе которого изготовлено изделие. По количеству элементов интегральные схемы условно подразделяются: на малые, содержащие до 100 элементов в кристалле; на средние - до 1 000; - на большие - до 10 000; - на сверхбольшие - до 1 000 000; - на ультрабольшие - до 1 000 000 000; и - на гигабольшие - более 1 000 000 000.
Ион От греч.Ion - идущий - электрически заряженная частица, образующаяся в результате потери электронов атомами или молекулами. Заряд иона кратен заряду электрона.
Ионная электропроводность Ionic conduction фр.Conductibilite ionique; нем.Ionenleitfahigkeit Ионная электропроводность - электропроводность, обусловленная упорядоченным передвижением в веществе ионов. Ионная электропроводность характерна для электролитов.
Ионный кристалл - кристалл, в узлах кристаллической решетки которого размещаются правильно чередующиеся положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют силы электростатического взаимодействия, осуществляющие ионную связь.
Каналирование частиц - движение частиц, попавших в кристалл, вдоль "каналов", образованных параллельными рядами атомов.
Кандела (кд) - единица силы света; основная единица системы СИ. Кандела равна силе света в заданном направлении источника с точно установленными параметрами.
Квазистационарный ток - относительно медленно меняющийся электрический ток, который в любой момент времени имеет одну и ту же силу во всех сечениях неразветвленной цепи.
Кельвин (K) От У.Томсон, лорд Кельвин - английский физик; 1824-1907 Кельвин - 1/273.15 часть термодинамической температуры тройной точки воды; одна из семи основных единиц СИ.
Килограмм (кг) - единица массы; одна из семи основных единиц СИ. Один килограмм равен массе международного прототипа килограмма, который хранится в Международном бюро мер и весов.
Колебания - повторяющийся процесс изменения с течением времени значения физической величины около ее среднего значения. Колебания характеризуются амплитудой, периодом, частотой и фазой. Различают непериодические, периодические и гармонические колебания. В зависимости от физической природы различают механические, электромагнитные и другие колебания.
Коллектор - область транзистора, принимающая носители заряда из базы.
Конвекционный ток, Электрический ток переноса Convection electric current фр.Courant electrique de convection; нем.Elektrischer Konvektionsstrom - упорядоченное движение микроскопического электрически заряженного тела как целого.
Красная граница фотоэффекта - наименьшая частота излучения, при которой еще возможен внешний фотоэффект. Красная граница фотоэффекта определяется выбором материалов фотокатодов.
Кристалл От греч.Krystallos - лед - твердое тело, состоящее из упорядоченных, периодически повторяющихся в пространстве частиц. Обычно кристаллы образуются и растут из раствора или расплава. По характеру симметрии различают 32 класса кристаллов, сгруппированных в 7 сигоний.
Кристаллизация - образование кристаллов из паров, растворов, расплавов в специальных установках или при химических реакциях. Кристаллизация происходит при температуре, совпадающей с температурой плавления.
Кристаллическая решетка - пространственная структура, которую формируют частицы, образующие кристаллы. Основу кристаллической решетки составляет элементарная решетка определенной геометрической формы, в вершинах (узлах) которой расположены атомы, молекулы или ионы.
Кулонвольтная характеристика Coulombvolt charakteristic фр.Caracteristique coulombvolt; нем.CoulombVoltskennlinie - зависимость заряда конденсатора от приложенного к нему напряжения.
Люкс (лк) - в СИ - единица освещенности, создаваемая световым потоком 1 лм, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 кв.м.
Люмен (лм) - в СИ - единица измерения светового потока. Люмен равен световому потоку, испускаемому точечным источником света 1 кд в телесном угле, равном 1 ср.
Магнитное действие электрического тока - способность электрического тока, проходящего по проводникам второго рода, порождать вокруг этих проводов магнитное поле.
Масса атома - масса одного атома элемента, равная произведению атомной единицы массы на относительную атомную массу вещества.
Международная система единиц (СИ) - универсальная система единиц физических величин для всех отраслей науки, техники, хозяйства и системы обучения, включающая: - семь основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль; - две дополнительных единицы: радиан и стерадиан; и - ряд производных единиц: фарад, джоуль, вольт и др. Международная система единиц принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам.
Мера электрического сопротивления - мера воспроизводящая с определенной точностью единицу электрического сопротивления или ее кратное/дольное значение и представляющая собой резистор, выполненный в виде проволочной намотки, элемента из фольги или напыленного на подложку проводящего слоя из материалов, отвечающих определенным требованиям.
Металл-диэлектрик-полупроводник-структура (МДП-структура) - структура материала, используемого при создании электронных приборов, представляющая собой упорядоченную совокупность очень тонких слоев металла и диэлектрика, нанесенных на полупроводниковую пластину.
Металлический кристалл - кристалл, в узлах кристаллической решетки которого находятся положительные ионы, а отцепленные от атомов электроны принадлежат всему кристаллу, образуя электронный газ.
Металл-оксид-полупроводник-структура (МОП-структура) - МДП-структура, в которой в качестве диэлектрика используются оксид алюминия, диоксид кремния и другие оксиды.
Метр (м) фр.Metre От греч.Metron - мера - единица длины; одна из семи основных единиц СИ. С 1983 года метр равен расстоянию, которое проходит в вакууме свет за 1/299792458 доли секунды.
Метрическая система мер - совокупность единиц физических величин, в основу которой положены две единицы: метр и килограмм. Кратные и дольные единицы находятся в десятичных соотношениях. Метрическая система мер разработана во Франции в 18 веке; размерность, наименования и определения других единиц метрической системы выбраны так, чтобы система не носила национального характера.
Микроэлектроника - область электроники, изучающая проблему создания электронных устройств в миниатюрном исполнении. В микроэлектронике используются свойства полупроводников, связанных электрически, конструктивно и технологически.
Молекулярный кристалл - кристалл, в узлах кристаллической решетки которого находятся молекулы.
Монокристалл - твердое тело, состоящее из единственного кристалла с единой кристаллической решеткой. Монокристаллы образуются в природных условиях или искусственно выращиваются из расплавов, растворов, парообразной или твердой фазы.
Неосновные носители заряда - в полупроводниках - носители заряда, концентрация которых не определяет тип проводимости. Обычно концентрация неосновных носителей зарядов намного меньше концентрации основных носителей. В полупроводниках n-типа неосновными носителями заряда являются дырки. В полупроводниках p-типа неосновными носителями заряда являются электроны.
Нестационарный шум - шум длящийся короткие промежутки времени, меньшие, чем время усреднения в измерителях. Нестационарными шумами являются: шум проходящего транспорта, отдельные стуки, редкие импульсные помехи в радиотехнике и т.п.
Ом - единица электрического сопротивления в СИ. 1 Ом = электрическое сопротивление участка электрической цепи, на котором при силе постоянного тока в 1А возникает напряжение 1В. 1 Ом = 1 B/A.
Основные носители заряда - в полупроводниках - носители заряда, концентрация которых определяет тип проводимости. В полупроводниках n-типа основными носителями заряда являются электроны. В полупроводниках p-типа основными носителями заряда являются дырки.
Относительная атомная масса, Атомная масса - масса атома, выраженная в атомных единицах массы. Относительная атомная масса - отношение массы атома вещества к 1/12 массы атома углерода-12 (изотопа углерода с массовым числом 12).
Параллельное соединение проводников - соединение, в котором - начала проводников соединены вместе и - концы проводников соединены вместе. При параллельном соединении проводников: - сила тока, протекающего в неразветвленной части цепи, равна сумме сил токов, протекающих по каждому из проводников; - напряжение на каждом из проводников одинаковы. - общая проводимость соединения равна сумме проводимостей каждого из проводников.
Переменный электрический ток Variable electric current фр.Courant variable electrique; нем.Veranderlicher Elektrischer Strom. Переменный электрический ток - электрический ток, периодически изменяющий свое направление в цепи так, что среднее значение силы тока за период равно нулю.
Период кристаллической решетки - длина ребра элементарной ячейки кристаллической решетки.
Плазма От греч.Plasma - газообразная смесь положительно и отрицательно заряженных частиц в таких пропорциях, что их общий заряд равен нулю. Электроны и ионы плазмы могут переносить электрический заряд.
Пленочная технология - технология изготовления пассивных электро- и радиоэлементов и соединительных проводников на диэлектрической подложке методом нанесения на подложку слоев электропроводящих, резистивных и диэлектрических паст; или вакуумного напыления (осаждением) пленок с последующим травлением, вжиганием, фотолитографической или иной обработкой. Пленочная технология применяется при изготовлении печатных схем, пленочных и других интегральных схем.
Плоскостной электронно-дырочный переход - электронно-дырочный переход в монокристалле полупроводника полученный либо путем введения в проводник примесей и последующей специальной термической обработки, либо в результате разделения примесей во время кристаллизации.
Плотность электрического тока - сила тока, приходящаяся на 1 кв. м площади поперечного сечения проводника при условии, что ток направлен перпендикулярно этому сечению и равномерно по нему распределен.
Поликристалл, Поликристалическое тело - твердое тело, состоящее из большого числа хаотически ориентированных кристаллов. Большинство тел, встречающихся в природе и получаемых искусственно являются поликристаллами.
Полупроводник n-типа - полупроводник с донорной примесью.
Полупроводник p-типа - полупроводник с акцепторной примесью.
Полупроводники - вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков. Электропроводность полупроводников обеспечивается свободными электронами и дырками, остается постоянной в пределах области температур, специфической для каждого вида полупроводников, и увеличивается с повышением температуры, зависит от примесей, увеличивается под действием света и с возрастанием напряженности электрического поля.
Полупроводниковый диод - радиотехническое устройство, содержащее один электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод обладает свойством односторонней проводимости и используется для выпрямления переменного тока. Полупроводниковый диод работает в интервале температур от -70 град. C до +120 град. C.
Полупроводниковый лазер - лазер созданный на основе (многослойного) полупроводникового материала. Обычно излучение полупроводниковых лазеров монохромно. Светоизлучающая область полупроводниковых лазеров формируется выращиванием тонких кристаллических слоев галлия, индия и фосфора.
Поляризация диэлектрика, Диэлектрическая поляризация Dielectric polarization фр.Polarisation dielectrique; нем.Dielektrische Polarisation - смещение положительных и отрицательных связанных зарядов в макрообъеме диэлектрика в противоположные стороны, что приводит к появлению поверхностных связанных зарядов.
Поляризованность Polarization фр.Polarisation - векторная величина: - характеризующая степень электрической поляризации вещества; - измеряемая отношением электрического момента малого объема вещества к этому объему.
Помехи - в технике - область явлений препятствующих нормальной работе технических средств и вызывающих отклонения параметров их работы. Помехи различают по физическим полям: электрические, магнитные, акустические, гравитационные и вибрационные; по источнику возникновения: искусственные и естественные; по среде распространения: космические, атмосферные, гидрофизические, сейсмические; по диапазонам частот и другим признакам.
Последовательное соединение проводников - соединение проводников без разветвлений, когда конец одного проводника соединен с началом другого проводника. При последовательном соединении проводников сила тока, протекающего через каждый проводник, одинакова, общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках цепи, общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.
Постоянный электрический ток Direct electric current фр.Courant electrique continu; нем.Elektrischer Gleichstrom - электрический ток, не изменяющийся с течением времени по силе и направлению.
Примесная электропроводность, Примесная проводимость - электропроводность, обусловленная ведением дополнительных носителей заряда в кристалл. В зависимости от вида примесей получают материал либо с электронной проводимостью, либо с дырочной проводимостью.
Проводник, Электрический проводник Conductor фр.Conducteur; нем.Leiter - вещество, обладающее высокой удельной проводимостью. Различают проводники 1 рода, в которых носителями заряда являются свободные электроны (металлы) и проводники 2 рода, в которых заряды переносятся ионами (электролиты).
Протон Proton От греч.Protos - первый Протон - входящая в состав ядерных ядер устойчивая элементарная частица с положительным электрическим зарядом, со спином ½, с массой покоя, равной 1836 массам электрона, имеющая античастицу (антипротон).
Прямой пьезоэлектрический эффект - образование электростатических зарядов на поверхности диэлектрика при его деформации.
Пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых наблюдаются пьезоэлектрические эффекты.
Пьезоэлектричество - возникновение электрических зарядов при деформации кристаллов (прямой эффект) и деформация кристаллов под действием электрического поля (обратный эффект). Пьезоэлектричество применяется для воспроизведения звука, для получения ультразвука и т.д.
Работа выхода электрона - наименьшая работа, которую нужно совершить для извлечения электрона, несвязанного с атомом, из поверхности вещества в вакууме. Каждое вещество характеризуется своей работой выхода. Единицами измерения работы выхода являются джоуль или электронвольт.
Радиан (рад) - плоский угол, равный центральному углу, опирающемуся на дугу, длина которой равна радиусу. 1 рад ≈ 57.3 угловых градусов.
Радиоэлектронные шумы - случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах. Такие шумы ограничивают чувствительность радиоприемной аппаратуры.
Реактивное сопротивление - электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно).
Резистор Resistor фр.Resistance; нем.Widerstand От лат.Resisto - сопротивляюсь - элемент электрической цепи, основное функциональное назначение которого состоит в том, чтобы оказывать сопротивление электрическому току с целью регулирования в цепи силы тока и напряжения.
Рекомбинация - взаимодействие заряженных частиц противоположного знака, приводящее к образованию нейтральных атомов или молекул. При рекомбинации заряженных частиц выделяется энергия в виде электромагнитного излучения.
Реле - элемент автоматики, в котором воздействие механических, тепловых, оптических и иных физических величин вызывает скачкообразное изменение физических величин в управляемой цепи.
Реостат - устройство для регулирования тока и напряжения в электрической цепи путем изменения ее сопротивления.
Светоизлучающий диод (Светодиод) Light-Emitting Diode (LED) - интегральная схема, преобразующая электрический ток в свет. Основу светодиода, составляет полупроводник с p-n переходом, в котором при прохождении электрического тока возникает электромагнитное излучение с узкой полосой частот.
Сегнетоэлектрики - кристаллические диэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость есть величина переменная, зависящая от приложенного к кристаллу напряжения. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются только в определенном температурном интервале.
Секунда (с) - единица времени в СИ. 1 с = 9'192'631'770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Сила электрического тока, Сила тока - физическая величина, равная отношению заряда, который переносится через поперечное сечение проводника за определенное время, к этому времени. Сила электрического тока измеряется в амперах.
Сименс на метр (См/м) - единица удельной электропроводимости. 1 См/м = электрическая проводимость 1 См цилиндрического прямолинейного проводника с площадью поперечного сечения 1 кв. м и длиной 1 м.
Симметрия кристаллов - закономерность атомного строения, внешней формы и физических свойств кристаллов, заключающаяся в том, что кристалл может быть совмещен с самим собой путем поворотов, отражений, параллельных переносов (трансляций) и других преобразований симметрии, а также комбинаций этих преобразований.
Система единиц физических величин System of unit of measurement фр.Systeme d'unites de mesure - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин.
Скорость распространения электрического тока в проводнике - скорость, с которой распространяется действие электрического тока на заряды в проводнике. Поле со скоростью, близкой к скорости света, увлекает заряженные частицы в упорядоченное и сравнительно медленное движение.
Собственная проводимость, Электронно-дырочная проводимость - электрическая проводимость, вызванная движением свободных носителей заряда (электронов и дырок), образующихся при разрыве ковалентных связей.
Стабилизатор - устройство для автоматического поддержания заданного значения параметров в определенных пределах при изменяющихся внешних воздействиях.
Стационарный шум - шум, характеризующийся постоянством средних параметров: - интенсивности; - спектральной плотности; - автокорреляционной функции.
Стерадиан (ср) - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающей на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. 1 ср ≈ 0.079'600 полного телесного угла.
Сублимация, Возгонка - в физике - фазовый переход первого рода; испарение кристаллических тел, минуя жидкую фазу. Скорость сублимации зависит от температуры и химической природы вещества и характеризуется удельной теплотой испарения. По своим свойствам все твердые тела делятся на упругие, пластичные и хрупкие.
Температура плавления - температура, при которой происходит плавление кристаллических тел. У большинства твердых тел температура плавления возрастает с увеличением внешнего давления.
Температурный коэффициент сопротивления - величина, равная отношению относительного изменения сопротивления участка электрической цепи; к температуре, вызвавшему это изменение сопротивления. Температурный коэффициент сопротивления характеризует зависимость электрического сопротивления от температуры.
Тензорезистор - резистор, изменяющий свое сопротивление при деформации. Тензорезисторы используются для измерения смещений или деформаций.
Тепловое действие электрического тока - способность электрического тока, проходящего по проводам, нагревать эти провода. Тепловое действие электрического тока подчиняется закону Джоуля-Ленца.
Термистор, Термосопротивление - полупроводниковый прибор, действие которого основано на зависимости сопротивления полупроводников от температуры. Термисторы применяются в качестве высокочувствительных датчиков температуры.
Термоэлектронная эмиссия - явление испускания электронов нагретыми телами (эмиттерами). Для вылета электрона из вещества необходимо, чтобы его кинетическая энергия была достаточна для преодоления его связи с веществом. Термоэлектронная эмиссия используется в электровакуумных приборах.
Тонкопленочный транзистор Thin-film transistor (TFT) - технология изготовления жидкокристаллических мониторов, в которых для каждого пиксела используются отдельные транзисторы.
Топология интегральной схемы - зафиксированное на материальном носителе пространственно-геометрическое расположение совокупности элементов интегральной схемы и связей между ними.
Точечный электронно-дырочный переход - электронно-дырочный переход в месте контакта полупроводника с металлической иглой.
Транзистор От англ.TRANsfer - переносить + REsistor - сопротивление Транзистор - электронное устройство на основе полупроводникового кристалла, в котором имеются два электронно-дырочных перехода, оказывающих влияние один на другой при их включении в электрическую цепь. Транзистор имеет в простейшем виде два входа, один из которых является регулирующим; и один выход. Транзисторы используются для генерирования, усиления и преобразования электрических колебаний.
Угловой градус - центральный угол, опирающийся на дугу, равную 1/360 дуги полной окружности. Градус делится на 60 минут или 3600 секунд. 1 град. ≈ 0.017 рад.
Удельная электрическая проводимость, Удельная электропроводность Electric conductivity фр.Conductivite electrique; нем.Spezifischer Elektrischer Leitwert; нем.Spezifische Elektrische Leitfahigkeit Удельная электрическая проводимость - скалярная или тензорная величина, характеризующая электропроводность соответственно изотропного или анизотропного вещества. Для изотропного вещества удельная электрическая проводимость равна отношению модуля плотности тока проводимости к модулю напряженности электрического поля. Удельная электрическая проводимость измеряется в 1/(Ом*м) = См/м. По величине удельной электрической проводимости вещества подразделяются на: проводники (свыше 1'000'000 См/м); диэлектрики (до 0.000'000'01 См/м); полупроводники (от 0.000'000'01 до 1'000'000 См/м).
Удельное электрическое сопротивление Electric resistivity фр.Resistivite electrique; нем.Elektrischer Spezifischer Widerstand - основная электрическая характеристика вещества. Удельное электрическое сопротивление численно равно сопротивлению материала проводника длиной 1 м и поперечным сечением 1 кв.м, если ток направлен вдоль нормали к поперечному сечению. Удельное электрическое сопротивление есть величина - скалярная для изотропного вещества; и - величина тензорная для анизотропного вещества.
Удельный заряд частицы - физическая величина, равная отношению заряда частицы к ее массе. Экспериментальное определение удельных зарядов частиц производится с помощью масс-спектрографов и основано на отклонении заряженных частиц в электрическом и магнитном поле.
Фотодиод - полупроводниковый приемник оптического излучения, преобразующий световые сигналы в электрические. Преобразование происходит в полупроводниковом кристалле, обладающим p-n переходом и односторонней фотопроводимостью.
Фотомагнитоэлектрический эффект - явление возникновения фотоЭДС в полупроводниковом образце, находящемся в магнитном поле.
Фотопроводимость - дополнительная электропроводность полупроводников, обусловленная действием света. Фотопроводимость зависит от рода полупроводника, его температуры, а также вида и количества примесей в нем.
Фоторезистор, Фотосопротивление - полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого изменяется в зависимости от его освещенности. Фоторезистор может быть чувствительным к видимому свету и к инфракрасным лучам. Фоторезисторы применяются в оптических измерениях и в фотоэлектронной автоматике в качестве датчиков освещенности.
Фототок - электрический ток, возникающий в результате фотоэффекта.
Фототранзистор - (биполярный) транзистор, в котором управление коллекторным током осуществляется на основе внутреннего фотоэффекта. Фототранзистор применяется в качестве фотоэлектрического преобразователя и одновременного усилителя электрических сигналов.
Фотоэлектронные приборы - электровакуумные или полупроводниковые приборы: - преобразующие энергию электромагнитного излучения оптического диапазона в электрическую: фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие электронно-лучевые приборы и др.; или преобразующие изображения в невидимых лучах в видимые изображения: электронно-оптические преобразователи и др.
Фотоэффект, Фотоэлектрический эффект - явление, связанное с освобождением электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения. Различают внутренние, внешние и вентильные фотоэффекты.
Фотоэффекта законы, Законы фотоэффекта - три закона внешнего фотоэффекта: -1- максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности; -2- для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта; -3- количество электронов, испускаемых веществом за 1 с пропорционально интенсивности излучения.
Химический элемент – совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Основными характеристиками химического элемента является атомный номер и атомная масса. Взаимосвязь химических элементов отражена в периодической системе элементов Менделеева.
Частица вещества - структурная единица вещества. Современная физика не устанавливает пределы структурной делимости материи, но устанавливает, что элементами, определяющими основные физические свойства тел, являются атомы, молекулы и ионы.
Шум Noise - беспорядочные, случайные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Для количественной оценки шума используют усредненные параметры, определяемыми на основании статистических законов. Для измерения характеристик шума применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и другие приборы. Шумы подразделяются на статистически стационарные и нестационарные.
Эйнштейна формула для фотоэффекта – формула, выражающая квантовую природу внешнего фотоэффекта и объясняющая основные его закономерности.
Электрическая емкость конденсатора - физическая величина, измеряемая отношением заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между обкладками. Единицей электрической емкости конденсатора является фарада.
Электрическая емкость проводника Electric capacitance of a conductor фр.Capacite electrique d'un conducteur; нем.Elektrische Kapazitat des Leiter - скалярная величина, характеризующая способность проводника накапливать электрический заряд, равная отношению заряда проводника к его потенциалу в предположении, что все другие проводники бесконечно удалены и что потенциал бесконечно удаленной точки принят равным нулю. Единицей электрической емкости проводника является фарада.
Электрическая проводимость, Электропроводность Electric conduction фр.Conductibilite; нем.Elektrische Leitfahigkeit - способность вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток. В зависимости от вида носителей тока различают: - электронную проводимость в металлах и полупроводниках; - ионную проводимость в электролитах; и - смешанную электронно-ионную проводимость в плазме.
Электрическая цепь Electric circuit фр.Circuit electrique; нем.Elektrische Stromkreis - система устройств, которые обеспечивают прохождение электрического тока.
Электрический заряд - физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц вступать в электромагнитные взаимодействия и определяющая значения сил и энергий при таких взаимодействиях. Электрические заряды делятся на положительные и отрицательные.
Электрический ток в вакууме - упорядоченное движение носителей заряда в вакууме. Под действием нагрева или облучения с поверхности находящегося в вакууме металла или оксида металла выбиваются электроны и становятся свободными носителями заряда.
Электрический ток проводимости Conduction electric current фр.Courant electrique de conduction; нем.Elektrischer Leitungsstrom - как явление - направленное движение свободных носителей электрического заряда в веществе или в вакууме. Направлением электрического тока считается направление упорядоченного движения положительно заряженных частиц. Различают электрический ток проводимости и конвекционный ток.
Электрическое сопротивление Electric resistance - основная электрическая характеристика проводника; величина, характеризующая противодействие электрической цепи или ее участка электрическому току. Электрическое сопротивление обусловлено преобразованием электрической энергии в другие виды энергии, измеряется в омах.
Электровакуумные приборы - лампы накаливания, электронные лампы, электронно-лучевые и рентгеновские трубки, газоразрядные приборы и другие приборы и устройства, которые применяются для преобразований электро-магнитных явлений: генерации и усиления электрических колебаний, выпрямления переменного тока и т.д. Электровакуумные приборы состоят: - из стеклянного или металлического баллона, в котором создан вакуум; и - из электродов различной формы, расположенных в баллоне.
Электролитический конденсатор - конденсатор, в котором диэлектриком служит оксидная пленка.
Электромагнитное взаимодействие - взаимодействие между электрически заряженными частицами, а также магнитное взаимодействие тел, обусловленное наличием у них электрических зарядов или магнитных моментов. Электромагнитное взаимодействие осуществляется посредством электромагнитного поля.
Электрон Electron - стабильная элементарная частица несущая отрицательный единичный электрический заряд и движущаяся в электрическом поле ядра по электронным орбитам. При переходе электрона на орбиту более близкую к ядру, электрон выделяет энергию.
Электронвольт (эВ) - внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один эВ равен энергии, которую приобретает частица с элементарным зарядом, проходя разность потенциалов 1 В. 1эВ = 1.6E-19 Дж.
Электроника Electronics - наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями и о методах создания на этой основе средств сбора, хранения, передачи и обработки информации.
Электронная электропроводность, Электропроводность n-типа; Электронная проводимость Electron conduction фр.Conductibilite d'electrons; нем. Elektronenleitfahigkeit - электропродность, обусловленная передвижением в веществе свободных электронов как основных носителей зарядов. Электронная электропроводность отличается по динамическим свойствам электронов для металлов, диэлектриков и полупроводников.
Электронная эмиссия - испускание электронов телами под влиянием внешних воздействий: нагревания, потока фотонов, электронов, ионов или сильного электрического поля. В зависимости от характера внешнего воздействия различают темоэлектронную, фотоэлектронную, ионно-электронную и автоэлектронную эмиссии.
Электронно-дырочный переход - распределение зарядов на границе двух полупроводников, обладающих различным типом проводимости, а также на границе металла и полупроводника. Вблизи электронно-дырочного перехода образуется двойной слой электрических зарядов, состоящий из отрицательных и положительных ионов примесных атомов и образующий область повышенного сопротивления (запирающий слой). Электронно-дырочный переход обладает выпрямительными свойствами. Различают плоскостные и точечные электронно-дырочные переходы.
Электронный газ - в кристалле или плазме - совокупность электронов, способных участвовать в образовании электрического тока (электронов проводимости).
Элементарная ячейка кристалла - часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку.
Энергия поля конденсатора - потенциальная энергия электрического поля, сосредоточенного в пространстве между обкладками конденсатора.
Эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого кристалла.
ЛЁХИН Сергей Никифорович
ЛОНДИКОВ Владимир Александрович
ЭЛЕКТРОНИКА
Учебно-методическое пособие
Технический редактор С.Н. Лехин
Компьютерная верстка В.А. Лондиков
_______________________________________________________
Формат 6084/16. Гарнитура Times New Roman. Усл. п.л. 7,2
Тираж 100 экз. Заказ №
Адрес издательства:
Россия, 180680, Псков, ул. Л. Толстого 4.
Издательско-полиграфический центр ППИ