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
Собственная проводимость
В полупроводниках атомы связаны ковалентными (парноэлектронными) связями, которые при низких температурах и освещенности прочны. С ростом же температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и "дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд.В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.
Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь nпримеси > nполупроводник Мышьяк в германий nприм. =5; nп/прово-к=4
Каждый атом примеси вносит свободный электрон
Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны Не основные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь nпримеси < n полупроводник
Индий в германий nприм. =3; nп/прово-к=4 Каждый атом примеси захватывает электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.
В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:
Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).
В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.
Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.
Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.
Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.
Гетерогенный переход (гетеропереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.
Гомогенный переход (гомопереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.
Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.
Электронно-электронный переход (n-n+-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.
Дырочно-дырочный переход (p-p+-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью
Вольт-амперная характеристика p-nперехода
Вольт-амперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через p-n-переход от величины и полярности приложенного напряжения.
При выводе вольт-амперной характеристики можно предположить, что токи неосновных носителей заряда через переход с изменением полярности и величины приложенного напряжения не изменяются. Токи основных носителей меняются существенно и при приложении обратного напряжения резко уменьшаются.
Токи основных носителей можно рассматривать как токи эмиссии зарядов через контактный слой, скачок потенциальной энергии на котором равен работе выхода электрона. При этом предположении токи основных носителей с увеличением обратного напряжения будут уменьшаться по экспоненциальному закону.
Плотность тока основных носителей можно записать так:
; . (2.48)
Если прикладывать прямое напряжение, высота барьера уменьшается и токи основных носителей будут экспоненциально возрастать. Плотность полного тока через переход будет равна
,
где .
Полный ток можно записать , где – площадь p-n-перехода.
Тогда , (2.49)
где — обратный ток, называемый тепловым током, или током насыщения: . (2.50)
По своей физической природе он представляет собой ток экстракции, следовательно, величина его очень мала. Вольт-амперная характеристика, соответствующая этому выражению, показана на рис. 2.10.
При величина , поэтому при относительно небольшом прямом напряжении ток через переход резко возрастает. При подаче обратного напряжения ток, изменив направление, быстро достигает значения , а далее остается постоянным независимо от величины приложенного напряжения.
Реальная характеристика p-n-перехода отличается от теоретической (рис. 2.11). Эти различия обусловлены термогенерацией носителей в запирающем слое перехода, падением напряжения на сопротивлениях областей полупроводника, а также явлением пробоя при обратном напряжении.
Температурные свойства p-n-перехода
Уравнение (1.1) содержит температурно-зависимые параметры I0 и t.
I0 тепловой ток, или ток насыщения. Для идеального перехода I0 определяет величину обратного тока, а в реальных переходах I0 намного меньше обратного тока. Ток Iо сильно зависит от температуры (рис. 1.1): даже незначительные изменения температуры приводят к изменению Iо на
несколько порядков.
Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет максимально допустимую температуру для него, которая составляет
80100 оС для германиевых диодов и 150200 оС для кремниевых.
Минимально допустимая температура для диодов обычно лежит в пределах от 60 до 70оС.
У германиевых переходов ток I0 на шесть порядков больше, чем у кремниевых, поэтому при одинаковых условиях у них прямые напряжения на
0,35 В меньше и в зависимости от режима составляют 0,250,15 В (напряжение отпирания у германиевых переходов при повышении температуры вырождается почти в "0").
На рис. 1.1 прямая ветвь характеристики, снятая при 70 оС, сместилась влево: с повышением температуры вступает в силу собственная проводимость полупроводника, число носителей увеличивается, так как усиливается процесс термогенерации. Обратная же ветвь ВАХ (рис. 1.1) смещается вправо, то есть с повышением температуры до +70 оС электрический пробой в переходе наступает раньше, чем при температуре +20 оС. При увеличении обратного напряжения к тепловому току добавляется ток термогенерации. В сумме эти два тока образуют через обратносмещенный переход обратный ток Iобр. При изменении температуры новое значение обратного тока можно оп-
ределить из соотношения
(2.9)
где Iобр.20 оС значение обратного тока при температуре не выше 27 оС (берется из справочной литературы);
А коэффициент материала, из которого выполнен полупроводниковый прибор (Агермания = 2, Акремния = 2,5);
t температурный потенциал, который при комнатной температуре равен 0,025 В, а при другой температуре t можно определить по формуле
(2.10)
Таким образом, при увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается примерно в два раза у германиевых и в два с половиной раза у кремниевых диодов (1.5).
P-n переход параметры
Выпрямительные свойства p-n перехода можна охарактеризовать сопротивлением в прямом и обратном смещениях. Различают сопротивление на переменном токе(по закону Ома для участка цепи) и сопротивление переменному току, или деффиринциальное сопротивление:
В нормальном рабочем режиме сопротивление постоянному току в прямом смещении составляет единицы - десятки ом, а в обратном смещении - сотни килоом, единицы мегаом.
В прямом направлении дифферинциальное сопротивление всегда меньше сопротивления на постоянном токе rпр< Rпр, а в обратном - rобр>Rобр
Сопротивление реального p-n перехода отилчается от сопротивления идеализированого перехода. В примом направлении сопротивление увеличивается за счет сопротивления высоомной области базы. В обратном направлении при достаточно высоких напряжениях начинают появлятся явления пробоя вследствие чего сопротивление сначала немного замедляет возростание а потом резко уменьшается.
Зависимость сопротивления p-n перехода на постоянном (R) и переменном токе (r) от напряжения:
---- идеализорованый переход, - - - реальный
Барьерную емкость p-n перехода можна сравнить с емкостью плоского конденсатора, обложками которого выступают границы слоя пространственного заряда. Эта емкость вызвана изменением обьемного заряда при изменении внешнего напряжения.
Барьерная емкотсь для несимметричного перехода, когда NA>>ND:
Для плавного перехода с линейным распределением примесей:
Зависимость барьерной емкости p-n перехода от напрядения:
1 - резкий переход
2 - плавный переход
Зависимость барьерной емкости от напряжения определяется законом распределения примесей на участке перехода. В сплавленых переходах с равномерным распределением примесей по координате x зависимость Cбар = f(U) более резкая чем в диффузионных. Это вызвано тем, что ширина перехода и её прирост Δl с изменением напряжения зависят от удельного сопротивления областей p и n. В сплавных переходах удельное сопротивление не изменяется по координате x, поэтому одинаковым приращениям ΔU соответствуют одинаковые приращения Δl. В диффузионых переходах с удалением от метеллургической границы удельное сопротивление уменьшается, поэтому с повышением напряжения приращение Δl уменьшается.
Диффузионная емкость вызвана изменением избыточных зарядов движущихся носителей в областях p и n под действием внешнего напряжения. При прямом смещении из эмитора в базу диффузируют неосновные носители - дырки. Для компенсации избыточного заряда дырок в базу от внешнего источника поступает такое же количество электронов, которые распределяются так же как и дырки. Таким образом, в базе оказывается избыточный позитивный заряд дырок ΔQp и такой же отрицательный заряд электронов ΔQn. Изменение этого заряда в случае изменения напряжения на p-n переходе и есть проявлением диффузионной емкости. В отличии от барьерной емкости черезмерные заряды пространственно не разделены и не создают токи смещения.
Суммарная диффузийная емкость p-n перехода:
Диффузионная емкость проявляется только при прямом смещении перехода. Она значительно больше баръерной емкости и, как правило, определяет быстродействие приборов с p-n переходом
Диффузионная емкость зависит от частоты. С повышением частоты емкость уменьшается, так как скопление избыточных зарядов не успевает за изменением напряжения на p-n переходе.
Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный прибор с одним (или несколькими) выпрямляющим электрическим переходом и двумя омическими выводами для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в p-n-переходе.
Диоды классифицируются: по материалу (германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые); структуре перехода (точечные, плоскостные); назначению (выпрямительные, импульсные, стабилитроны и т.д.); диапазону частот (низко- и высокочастотные); виду вольт-амперной характеристики и т.д.
В зависимости от технологических процессов, используемых при изготовлении диодов, различают: сплавные, диффузионные, планарно-эпитаксиальные диоды и их разновидности. Устройство полупроводникового диода, изготовленного по планарно-эпитаксиальной технологии, приведено на рис. 1.
Рис. 1
Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных p-n-переходов. В качестве структурных элементов диодов используют также p-i-, n-i-переходы, переходы металл-полупроводник, p+-p-, p+-n-переходы, гетеропереходы. Изготовляются также диоды с pin, p+-p-n- и n+-n-p-структурами.
Вся структура с электрическим переходом заключается в металлический, стеклянный, керамический или пластмассовый корпус для исключения влияния окружающей среды. Полупроводниковые диоды изготовляются как в дискретном, так и в интегральном исполнении.
Система обозначений полупроводниковых диодов
Для маркировки полупроводниковых диодов используется буквенно-цифровая система условных обозначений согласно ОСТ 11.336.919-81.
Первый элемент – буква или цифра, характеризует используемый материал: Г(1) – германий (Ge); К(2) – кремний (Si); А(3) – галлий (Ga) и его соединения; И(4) – индий In и его соединения. Второй элемент – буква, характеризует тип диода: Д – выпрямительный; В – варикап; И – туннельный и обращенный; С – стабилитрон и стабистор; Л – излучающий светодиод. Третий элемент – цифра, характеризует назначение диода. Например, для диодов группы Д: 1 – выпрямительные маломощные (ток до 300 мкА); 2 – выпрямительные средней мощности (ток до 10 А); 3 – диоды большой мощности (ток свыше 10 А); 4–9 – диоды импульсные с различным временем восстановления. Четвертый элемент (2–3 цифры) – номер разработки (для стабилитрона – напряжение стабилизации в десятых долях вольта). Пятый элемент – буква, характеризует вариант по параметрам.
Графические обозначения полупроводниковых диодов на электрических принципиальных схемах представлены на рис. 2.
Рис. 2. Графические обозначения полупроводниковых диодов.
1 – общее обозначение (выпрямительный, импульсный, высокочастотный диод); 2 – стабилитрон; 3 – двуханодный стабилитрон; 4 – туннельный диод; 5 – обращенный диод; 6 – варикап; 7 – светодиод; 8 – фотодиод
Вольт-амперная характеристика, пробой и общие параметры диодов
Если к выводам диода подключен источник внешнего напряжения плюсом к аноду, а минусом к катоду, то диод будет включен в прямом направлении, и через него будет протекать значительный инжекционный ток, называемый прямым током. При изменении полярности внешнего напряжения на выводах диода на обратную (плюс на катоде, минус на аноде) он будет включен в обратном направлении. В этом случае через диод протекает незначительный по величине ток, называемый обратным током, обусловленный экстракцией неосновных носителей заряда через электрический переход.
Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется вольт-амперной характеристикой диода:
, (1)
где – температурный потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; I0 – обратный ток насыщения. Уравнение (1) называют теоретической или идеализированной ВАХ диода. В нем не учтено суммарное сопротивление базы, омических контактов и выводов диода rд. С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид
. (2)
На рис. 3 пунктиром изображена теоретическая ВАХ, а сплошной линией – реальная ВАХ. Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ имеют различный масштаб. Прямая ветвь ВАХ, как следует из (2), сдвинута в сторону больших прямых напряжений при Iпр = соnst. Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в (1) и (2) генерацией носителей заряда в переходе. Поэтому Iобр не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом Uобр. Более того, при достижении некоторого критического значения Uобр ток Iобр начинает резко расти при почти неизменном обратном напряжении. Это явление называется пробоем перехода диода (рис. 3, кривая а).
Различают два вида пробоя: электрический пробой и тепловой. В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой характерен для широких переходов. Если длина свободного пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при достаточно больших значениях Uобр (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации атомов полупроводника, что и вызывает резкий рост тока при почти неизменном Uобр.
Туннельный пробой развивается в узких переходах при сильном электрическом поле за счет туннельного проникновения через тонкий потенциальный барьер электронов из валентной зоны одной области в зону проводимости другой без изменения энергии.
Рис. 3
Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода протекающим через него током при недостаточном теплоотводе. За счет термогенерации носителей в переходе резко возрастает ток, что ведет к еще большему разогреву перехода. Если температура перехода превысит допустимое значение, структура перехода претерпевает необратимые изменения, и диод выходит из строя. На участке теплового пробоя (рис. 3, кривая б) Uобр уменьшается при возрастании Iобр. При достаточно больших прямых токах Iпр также может развиться тепловой пробой, если не ограничить Iпр.
Величину называют коэффициентом выпрямления (характеризует односторонний характер проводимости диода, т.к. Iпр >> Iобр).
На ВАХ диода существенно влияет температура окружающей среды (рис. 4). С ростом температуры ток I0 возрастает по экспоненциальному закону , где W – ширина запрещенной зоны материала полупроводника. В инженерных расчетах полагают, что ток I0 удваивается на каждые 10 С в германиевых диодах, а в кремниевых на каждые 7 C.
Температурные изменения прямого падения напряжения на диоде оценивают температурным коэффициентом напряжения при Iпр = const. В расчетах его принимают равным –2 мВ/С.
Все диоды характеризуются общими параметрами, к которым относятся:
рабочий диапазон температур;
допустимый прямой ток Iпр макс, при котором температура перехода достигает Tмакс;
допустимое обратное напряжение Uобр макс, при котором не происходит пробоя p-n-перехода, обычно Uобр макс 0,8Uпр;
Рис. 4
допустимая мощность, рассеиваемая на диоде , где RT – тепловое сопротивление перехода, характеризующее условия теплоотвода, обычно RT определяется экспериментально и приводится в справочниках;
прямое и обратное сопротивления диода постоянному току
; ;
прямое и обратное дифференциальные сопротивления (сопротивления переменному току)
; .
Кроме общих параметров некоторые виды диодов характеризуются специальными параметрами, присущими только этим диодам.
4. Устройство и принцип действия биполярных транзисторов
Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов. Действие транзисторов основано на управлении движением носителей электрических зарядов в кристалле полупроводника.
По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах (БТ) в процессах токопрохождения участвуют основные и неосновные носители зарядов, а в полевых (униполярных) – носители одного знака. По числу р-n-переходов транзисторы подразделяются на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Наибольшее распространение среди биполярных транзисторов получили двухпереходные транзисторы.
В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. По характеру распределения атомов примеси и движению носителей заряда транзисторы разделяются на бездрейфовые и дрейфовые.
Структура и условные изображения транзисторов n-p-n и р-n-p приведены на рис. 3.1, а, б соответственно. Стрелки на рисунке указывают направление прямого тока эмиттерного перехода. В этих структурах существуют два перехода с неодинаковой площадью. Одна из крайних областей легирована сильнее, чем другая. Сильнолегированная область с меньшей площадью называется эмиттером (Э), а другая область – коллектором (К). Средняя область называется базой (Б). К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.
б
а
Рис. 3.1
Устройство реального транзистора типа p-n-p представлено на рис. 3.2 а, б.
а б
Рис. 3.2
Рабочей (активной) областью транзистора является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (не заштрихована). Остальные участки являются пассивными (паразитными), что обусловлено конструкторско-технологическими причинами. Основные свойства биполярного транзистора определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (1 мкм), меньше диффузной длины неосновных носителей в базе. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и носители совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышала концентрацию носителей в базе. Для защиты транзисторной структуры от воздействия внешней среды кристалл помещают в герметизированный корпус.
При включении транзисторов в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды подаются напряжения от внешних источников, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают схемы включения (рис. 3.3, а, б, в): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В обозначениях напряжений (см. рис. 3.3) вторая буква индекса обозначает общий для входа и выхода схемы электрод.
в
б
а
Рис. 3.3
Режимы работы биполярных транзисторов
В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах различают четыре режима работы транзистора:
Активный режим (АР) — эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.
Режим отсечки (РО) — оба перехода смещены в обратном направлении.
Режим насыщения (РН) — оба перехода смещены в прямом направлении.
Инверсный режим (ИР) — коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении.
Связь режимов работы биполярного транзистора с включением переходов показана на (рис. 3.4).
Рис. 3.4
Классификация режимов проводится по комбинации напряжений переходов. В схеме с ОБ напряжения переходов равны напряжению источников питания эмиттера () и коллектора ().
В схеме с ОЭ напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника , а напряжение коллекторного перехода зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов .
В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником , а напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников .
Правило знаков остается прежним.
Токораспределение в биполярном транзисторе
При прямом смещении эмиттерного перехода p-n-p транзистора в эмиттерно-базовой цепи протекает значительный ток, обусловленный переходом электронов из базы в эмиттер и дырок из эмиттера в базу.
Если геометрическая ширина базы больше диффузионной длины электрона (LД — расстояние свободного пробега электрона до рекомбинации), то в цепи коллектора ток протекать не будет. Изготовление базы с толщиной, сравнимой с диффузионной длиной электрона, приводит к тому, что на характер движения электрона в области базы начинает оказывать воздействие электрическое поле коллекторного перехода. Электроны в базе являются неосновными носителями, поэтому положительный потенциал коллектора способствует их притягиванию к коллекторному переходу и беспрепятственному переносу через область базы в область коллектора.
Ток через эмиттерный переход создает электронную и дырочную составляющие. Дырочная составляющая замыкается по цепи базы и не участвует в управлении током коллектора.
IЭ=IЭn+IЭp
Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является коэффициент инжекции, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая:
g=.
Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе d, который равен отношению дырочной составляющей коллекторного дока к дырочной составляющей эмиттерного тока:
d=.
Управляемые свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи эмиттерного тока:
a= g×d =.
Ток коллектора состоит из дырочной составляющей IКpи теплового тока IК0 (IК=IКp+IК0). Ток базы равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера IЭn, рекомбинационной дырочной составляющей IБp и теплового тока IК0 (IБ=IЭn+IБp–IК0).
|
Схема с общей базой |
Рассмотренный выше пример построения усилителя электрических сигналов с помощью транзистора является схемой включения с общей базой. На рис. 3.5. приведена электрическая принципиальная схема включения транзистора с общей базой.
Рис. 3.5. Включение транзистора по схеме с общей базой
Основные параметры, характеризующие эту схему включения получим следующим образом:
1. Коэффициент передачи по току:
|
. |
(3.3) |
2. Входное сопротивление:
|
. |
(3.4) |
Из (3.4) следует, что входное сопротивление транзистора, включенного в схему с общей базой, очень невелико и определяется, в основном, сопротивлением эмиттерного p-n-перехода в прямом направлении. На практике оно составляет единицы – десятки . Это следует отнести к недостаткам усилительного каскада, так как приводит к нагружению источника входного сигнала.
3. Коэффициент передачи по напряжению:
|
. |
(3.5) |
Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки и входным сопротивлением.
4. Коэффициент передачи по мощности:
|
. |
(3.6) |
Для реальных схем коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц.
|
Схема с общим эмиттером |
В этой схеме, (рис. 3.6), по-прежнему источник входного сигнала включен в прямом направлении по отношению к эмиттерному переходу, а источник питания включен в обратном направлении по отношению к коллекторному переходу, и в прямом по отношению к эмиттерному. Под действием источника входного сигнала в базовой цепи протекает ток ; происходит инжекция носителей из эмиттерной области в базовую; часть из них под действием поля коллекторного перехода перебрасывается в коллекторную область, образуя, таким образом, ток в цепи коллектора , который протекает под действием источника питания через эмиттер и базу. Поэтому:
|
. |
(3.7) |
Рис. 3.6. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером
Входным током является ток базы , а выходным – ток коллектора . Выходным напряжением является падение напряжения на сопротивлении нагрузки . Основные параметры, характеризующие эту схему включения определим из выражений:
1. Коэффициент усиления по току :
|
, |
(3.8) |
поделив в этом выражении числитель и знаменатель дроби на ток эмиттера , получим:
|
. |
(3.9) |
Из (3.9) видно, что в схеме с общим эмиттером коэффициент передачи по току достаточно большой, так как – величина, близкая к единице, и составляет десятки – сотни единиц.
2. Входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером:
|
, |
(3.10) |
поделив в этом выражении числитель и знаменатель на ток эмиттера , получим:
|
. |
(3.11) |
Отсюда следует, что: , т. е. по этому параметру схема с общим эмиттером значительно превосходит схему с общей базой. Для схемы с общим эмиттером входное сопротивление лежит в диапазоне сотни – единицы .
3. Коэффициент передачи по напряжению:
|
. |
(3.12) |
Подставляя сюда из (3.10), получим:
|
, |
(3.13) |
т. е. коэффициент передачи по напряжению в этой схеме точно такой же, как и в схеме с общей базой – и составляет десятки – сотни единиц.
4. Коэффициент передачи по мощности:
|
. |
(3.14) |
Что значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц).
|
Схема с общим коллектором |
Исходя из принятых отличительных признаков схема включения транзистора с общим коллектором должна иметь вид (рис. 3.7). Однако в этом случае транзистор оказывается в инверсном включении, что нежелательно из-за ряда особенностей, отмеченных выше. Поэтому в схеме (рис. 3.7, а) просто механически меняют местами выводы эмиттера и коллектора и получают нормальное включение транзистора (рис. 3.7, б). В этой схеме сопротивление нагрузки включено во входную цепь; входным током является ток базы ; выходным током является ток эмиттера .
Основные параметры этой схемы следующие:
1. Коэффициент усиления по току:
|
. |
(3.15) |
Рис. 3.7. Включение транзистора по схеме с общим коллектором
Поделив числитель и знаменатель этой дроби на ток эмиттера , получим:
|
, |
(3.16) |
т. е. коэффициент передачи по току в схеме с общим коллектором почти такой же, как в схеме с общим эмиттером:
.
2. Входное сопротивление:
|
. |
(3.17) |
Преобразуя это выражение, получим:
|
. |
(3.18) |
Из (3.18) следует, что входное сопротивление в этой схеме включения оказывается наибольшим из всех рассмотренных схем (десятки – сотни ).
3. Коэффициент усиления по напряжению:
|
. |
(3.19) |
Преобразуем это выражение с учетом выражений (3.16) и (3.18):
|
. |
(3.20) |
Поскольку представляет собой очень малую величину, то можно считать, что , т. е. усиления по напряжению в этой схеме нет.
4. Коэффициент усиления по мощности:
|
, |
(3.21) |
на практике он составляет десятки – сотни единиц.
Схему с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во-первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине () и по фазе.
Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности из всех схем.
Схема с общей базой хоть и имеет меньшее усиление по мощности и имеет меньшее входное сопротивление, все же ее иногда применяют на практике, т. к. она имеет лучшие температурные свойства.
Схему с общим коллектором очень часто применяют в качестве входного каскада усиления из-за его высокого входного сопротивления и способности не нагружать источник входного сигнала.
Таблица 3.2.
Параметры схем включения биполярного транзистора
Выводы:
При необходимости анализа работы транзистора в режиме большого сигнала, когда имеют значение его нелинейные свойства, находит применение эквивалентная схема, предложенная Эберсом и Моллом. Она состоит из двух диодов, включенных встречно, и двух источников тока, отображающих взаимодействие этих диодов (рис. 3.6).
В приведённой схеме источники тока и характеризуют соответственно передачу тока эмиттерного перехода при нормальном включении в коллектор и тока коллекторного перехода в эмиттер при инверсном включении транзистора.
Токи эмиттера и коллектора связаны с внутренними токами соотношениями ; , где – коэффициент передачи тока коллектора при инверсном включении.
Токи через переходы можно записать:
; , (3.9)
где – тепловые токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеренные при коротком замыкании на выходе и входе соответственно ( и ).
, .
– это обратные токи эмиттерного и коллекторного переходов, измеряемые соответственно при обрыве коллектора и эмиттера.
С учетом (3.9) соотношения преобразуются к виду
(3.10)
(3.11)
(3.12)
Из этих выражений можно получить семейство характеристик для конкретной схемы включения транзистора. Так, решая (3.10) относительно , получим выражение для идеализированных входных (эмиттерных) характеристик транзистора при :
. (3.13)
Модель Эберса – Молла описывает поведение транзистора в различных режимах работы, что может быть учтено выбором соответствующей полярности напряжений на переходах транзистора.
Физическая Т-образная эквивалентная схема БТ наряду с h-параметрами также достаточно полно отражает свойства реального транзистора на низких частотах и широко используется для анализа малосигнальных транзисторных усилителей. Физические Т-образные эквивалентные схемы БТ с ОБ и ОЭ представлены на рис. 4.6, а, б соответственно. Значения параметров эквивалентных схем БТ могут быть найдены с использованием известных h-параметров для включения БТ:
Поскольку коэффициенты обратной связи по напряжению и для обеих схем включения БТ имеют очень малую величину, точность их вычисления с использованием статических ВАХ оказывается низкой. В связи с этим расчет параметров эквивалентной схемы необходимо начинать с расчета дифференциального сопротивления эмиттерного перехода:
где– тепловой потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; – ток эмиттера БТ в рабочей точке. С учетом этого в (4.11) объемное сопротивление базы БТ необходимо рассчитывать согласно выражению
Параметры эквивалентных схем маломощных БТ принимают следующие типовые значения: дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода – единицы – десятки ом; объемное сопротивление базы – сотни ом – единицы ки-лоом; выходное сопротивление в схеме с ОБ – сотни килоом – единицы мегаом; выходное сопротивление в схеме с ОЭ – десятки – сотни килоом.
Для этих схем общим яыл тот вывод Т по отнош к кот подается вх и сним вых сигнал.
ОЭ. Іэ=Ік+Іб эти ур-ния записаны для токов обра
Ік=Іэ+Ікбо зованых осн носителями заряда.
Кроме этих токов токи образ за счет неосн носит. Самый важный из них Ікбо (образ неосн носит в обл базы и колектора и суммир с токами осн носит ) Іб=Іэ-Ік-Ікбо. Эти ур-ния получ на осн схемы с ОБ, но справедливы для всех схем вкл. Для схемы с ОЭ:
Ік=(Ік+Іб)+Ікбо=Ік+Іб+Ікбо коэф передачи в сх
Ік=Іб/(1-)+Ікбо/(1+)=Іб+(1+)Ікбо =/(1-)
В общем случае для любой схемы:
ОБ. К = <1 т.к. Ік<Іэ, Ікбо<<Ік(на общуюю величину влияния не оказывает). Коэф усиления по току, напряж, мощности всегда запис для переменных составл тока и напряж, т.е. для полезного сигнала.
rкб- сопротивление обратно смещению р-n перехода имеет большую величину (10-100 кОм); r эб– очень мало 1-10 Ом. Усиление кu наибольшее из всех схем включения. Кр=100-1000. Отсутствует усиление по току, но имеется усиление по напряж и по мощности.
ОЭ.
В схеме с ОЭ имеется усиление по току, по напряжению и по мощности. Величина может очень сильно меняться от 1 до 100. Типовое значение 50-100. Есть транзисторы с супер (1090-500).
9. Статические вольт-амперные характеристики транзистора
Статические ВАХ отражают зависимости между постоянными входными и выходными токами и напряжениями транзистора. Для любой схемы включения транзистора можно получить четыре семейства статических ВАХ: входные , выходные , прямой передачи по току и обратной связи по напряжению . В таком варианте ВАХ мы анализируем зависимость параметров транзистора от входного тока, так как параметры биполярного транзистора в рабочем режиме зависят от величины тока через прямосмещенный переход БТ. В то же время в выходной цепи определяющей является зависимость параметров от напряжения на обратносмещенном переходе, то есть .
На рис. 4.3. и рис 4.4.. приведены графики семейств статических ВАХ транзистора, имеющего p-n-p-структуру, для включения с ОБ.
Рис 4.4. Входные и выходные статические ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ.
Входные характеристики представляют собой известные характеристики прямосмещенного р-п перехода. Выходные характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы в соответствии с определением режимов.
Рис.4.5. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОБ
Характеристики прямой передачи БТ являются линейными в рабочей области входных токов в соответствии с уравнением .
Поведение характеристик обратной связи объясняется эффектом модуляции ширины базы в области небольших значений U кб.
Для схемы включения БТ с ОЭ поведение входных характеристик ( рис. 4.6.) объясняется так же как и для схемы с ОБ. На выходных характеристиках требует пояснения отличное от схемы с ОБ расположение области режима насыщения
Рис.4.6. Входные и выходные характеристики БТ с ОЭ
В частности в схеме с ОЭ насыщение БТ наступает при выполнении условия Uкэ < Uбэ. В этом случае полярность напряжения на коллекторном переходе соответствует прямому смещению независимо от типа транзистора (р-п-р или п-р-п.). На рис. также показана возможность определения параметров транзистора через приращения токов и напряжений в заданной рабочей точке БТ.
Рис.4.7. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОЭ
10. Системы параметров транзисторов Z,Y,H
Рис.4.9.
– входное сопротивление транзистора; (4.6)
– сопротивление обратной связи транзистора; (4.7)
– сопротивление прямой передачи БТ; (4.8)
– выходное сопротивление. (2.24)
Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения
В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений , (4.9)
Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров
Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.
В этом случае можно определить параметры, как :
– входная проводимость; (4.10)
– проводимость обратной передачи; (4.11)
– проводимость прямой передачи; (4.12)
– выходная проводимость. (4.13)
Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.
Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.
Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.
Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.
; (4.14)
. (4.15)
Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.
Рис.4.11.
Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,
– входное сопротивление; (4.16)
– коэффициент обратной связи по напряжению; (4.17)
– коэффициент передачи по току; (4.18)
– выходная проводимость. (4.19)
Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.
Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.
В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.
Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров и в заданной рабочей точке А (, , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:
, (4.20)
. (4.21)
Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h21Э и дифференциального параметра h21э. В окрестности точки А' (, , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:
, (4.22)
. (4.23)
Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.
Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавливается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h-параметров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величины. h-параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным напряжением U1 = Uбэ, входным током I1 = Iб, выходным напряжением U2 = Uкэ и выходным током I2 = Iк могут быть выражены системой двух уравнений: ΔU1 = h11ΔI1 + h12ΔU2, ΔI2 = h21ΔI1 + h22ΔU2, где h11э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h12э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току); h21э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по переменному току) на выходе транзистора; h22э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе. h11э = ΔUбэ / ΔIб при Uкэ = const; h12э = ΔUбэ / Uкэ при Iб = const; h21э = ΔIк / ΔIб при Uкэ = const; h22э = ΔIк / Uкэ при Iб = const. Индекс «э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h-параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора: параметры h11 и h12 – по входным (рис. 4.6, а, б), параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 4.6, в, г).
Рис.4.6.Определение h-параметров по входным и выходным характеристикам
Рабочим режимом транзистора принято называть его работу под нагрузкой. При подключении нагрузки для транзистора в выходную цепь усилителя (цепь коллектора в схемах ОБ и ОЭ или цепь эмиттера в схеме с ОК) возможно использование транзистора как в усилительном, так и ключевом режимах.
В последнем случае ( как правило схема с ОЭ) входной сигнал, т.е. переключающий импульс, подается непосредственно в цепь базы транзистора без дополнительного смещения.
Рис.4.14. схема включения БТ с нагрузкой с ОЭ
В режиме переключения при минимальном напряжении на входе ( Uвх. =0) транзистор закрыт и находится в режиме отсечки, а при максимальном входном напряжении Uвх ≥.Uпор ~ 0,4-0,5 В – транзистор открыт и находится в режиме насыщения.
В усилительном каскаде при отсутствии входного сигнала должны быть установлены постоянные значения токов и напряжений, которые определяют статический режим работы (режим по постоянному току или режим покоя) транзистора. Значения этих постоянных токов и напряжений определяются напряжениями источника питания и сопротивлениями смещения (элементами схемы усилителя) во входной и выходной цепях активного элемента. Соответствующая режиму покоя точка на ВАХ транзистора называется рабочей точкой.
Рис.4.15. Схема включения БТ с ОЭ с нагрузкой в качестве усилителя
Рис 4.16. Входная характеристики усилителя на БТ в схеме с ОЭ и вид сигнала в рабочей точке.
Положение рабочей точки выбирается с помощью внешних элементов схемы исходя из требуемого режима работы активного элемента. В простейшем варианте усилителя величины тока и напряжения в базовой цепи может задаваться аналогично цепи коллектора ( рис.4.16.). Для эффективной работы транзистора в наиболее распространенном малосигнальном режиме работы положение рабочей точки должно выбираться в центре линейной части входной характеристики транзистора ( рис.4.17).
Рис.4.17. Нагрузочная прямая на выходных характеристиках БТ в схеме с ОЭ
На рис. 4.17. представлено семейство выходных ВАХ транзистора, на котором показано положение рабочей точки, соответствующей активному режиму работы БТ. Из рис 4.17. можно увидеть, что изменения тока во входной цепи транзистора в пределах от Iб’ до Iб’’ усиливаясь транзистором, в выходной цепи, в соответствии с нагрузочной прямой, вызывают гораздо большие изменения тока и напряжения.
Рабочая точка в выходной цепи лежит на пересечении характеристики, соответствующей току базы для схемы рис 2.20.
, (4.30)
и нагрузочной прямой, которая задается уравнением
. (4.31)
Нагрузочная прямая строится по двум точкам, одна из которых лежит на оси абсцисс (), а другая – на оси ординат (). Точка А определяет постоянные составляющие коллекторного тока и напряжения . На семействе входных характеристик соответствующая рабочая точка находится на пересечении прямой и характеристики, соответствующей напряжению .
Пусть на входе действует переменное гармоническое напряжение с низкой частотой и малой амплитудой . При этом мгновенное значения напряжения и тока будут изменяться около среднего значения, определяемого рабочей точкой. Это изменение будет происходить в пределах линейной части входной характеристики ( рис.2.20) и в пределах отрезка нагрузочной прямой на выходных характеристиках, который ограничен предельными значениями входного тока , .
Поскольку амплитуды входных и выходных токов и напряжений усилителя связаны соотношениями , если , и , если , то коэффициент усиления по напряжению
, (4.32)
а коэффициент усиления по мощности
. (4.33)
13. Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, их статические характеристики
Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа приведена на рис.5.1. На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала, т.е. токопроводящей области, сопротивление которой регулируется электрическим полем..
Рис.5.1. Устройство ПТ с управляющим p-n-переходом
Нижний p-n-переход изолирует канал от подложки и задает начальную толщину канала. Обычно выводы истока и подложки соединяют. Принцип действия ПТ с управляющим p-n-переходом основан на увеличении сопротивления активного слоя (канала) путем расширения p-n-перехода при подаче на него обратного напряжения. Для эффективного управления сопротивлением канала полупроводник, образующий область затвора легирован сильнее (p+), чем области канала (n), при этом расширение обедненного слоя происходит в сторону канала. Наиболее характерной чертой полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, т.к. ток затвора мал, поэтому они управляются напряжением. слоями.
Рис.5.2. ПТ с управляющим р-п- переходом при Uзи = Uотс.
При сопротивление канала минимально , где – удельное сопротивление полупроводника канала; l, w – длина и ширина канала соответственно, h – расстояние между металлургическими границами n-слоя канала. Чем больше обратное напряжение на затворе , тем шире p-n-переходы, тоньше канал и выше его сопротивление. При некотором напряжении на затворе, называемом напряжением отсечки , канал полностью перекрывается обедненными Сопротивление канала становится очень большим и реально достигает значений десятки – сотни мегаом.
При подаче на сток положительного напряжения в канале возникает ток , и напряжение в любом сечении канала , измеренное относительно истока, является функцией расстояния до истока за счет конечного значения удельного сопротивления канала. Поэтому и напряжение между любым сечением канала и затвором является функцией расстояния до истока – . Минимальным является напряжение при , а максимальным при . Причем для управляющего перехода эти напряжения являются запирающими, поэтому ширина перехода возрастает от истока к стоку, а ширина канала уменьшается. При некотором напряжении сток – исток, называемом напряжением насыщения , канал вблизи стока сужается до минимальной толщины (см. рис. 5.2.). Сопротивление канала при этом больше начального . Под действием напряжения насыщения через канал протекает ток максимальной величины .
Вольт амперные характеристики ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики передачи (cток-затворные) – приведены на рис.5.2ссссссссссссссссссссссссссссссссссс .
а) б)
Рис.5.3. Вольт амперные характеристики ПТ: а) выходные (стоковые) –и б) характеристики передачи (cток-затворные) –
Классификация полевых транзисторов
По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом, или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттки), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т. н. транзисторы МДП (металл — диэлектрик — полупроводник).
К основным характеристикам полевых транзисторов относятся:
· стокозатворная характеристика – это зависимость тока стока IС от напряжения на затворе UЗИ (рис. 2.4, а);
· стоковая характеристика – это зависимость IС от UСИ при постоянном напряжении на затворе (рис. 2.4, б)
IС = f (UСИ), при UЗИ = const.
Рис. 2.4. Характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n переходом:а – стокозатворная (входная); б – стоковая (выходная)
Отличительные особенности полевого транзистора. Из принципа действия полевого транзистора вытекают две основные его особенности:
Казалось бы, что отсутствие процессов изменения объемного заряда неосновных носителей дает преимущество полевому транзистору в быстродействии перед биполярным транзистором. Однако следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю). При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет, что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления. Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор, как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.
Однако разработка полевого транзистора с так называемым коротким каналом позволила создать полупроводниковый высокочастотный транзистор сравнительно большей мощности (50 ... 100 Вт), не осуществленный в настоящее время в биполярном варианте.
Полевые транзисторы имеют преимущество перед биполярными транзисторами в большей температурной стабильности их характеристик. Это объясняется тем, что основная температурная нестабильность характеристик биполярного транзистора обусловлена сильной зависимостью количества неосновных носителей заряда в полупроводнике. Учитывая, что полевой транзистор работает с использованием только основных носителей зарядов, которые в меньшей степени подвержены температурному влиянию, в нем отсутствует положительная обратная связь по температуре, присущая биполярным транзисторам.
Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току и высокая технологичность.
Последнее обусловливает широкое применение полевых транзисторов при разработке цифровых интегральных схем.
Дискретные полевые транзисторы, выпускаемые отечественной промышленностью, классифицируют по мощности и частоте аналогично биполярным.
У полевых транзисторов с изолированным затвором между металлическим затвором и областью полупроводника находится слой диэлектрика – двуокись кремния SiO2. Это отражено и в их названии. Полевые транзисторы с изолированным затвором называются МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-окисел-полупроводник). Существуют МДП-транзисторы с индуцированным и встроенным каналом.
В основе действия МДП-транзистора лежит эффект поля, представляющий собой изменение величины и типа электропроводности полупроводника вблизи его границы с диэлектриком под действием приложенного напряжения. Рассмотрим МДП-структуру, изображенную на рис. 5.4.. и содержащую подложку с проводимостью p-типа.
.
Рис.5.4. МДП транзистор с индуцированным каналом.
В МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа (см. рис. 2.25.) при напряжении на затворе канал отсутствует и при подаче ток стока будет равен нулю. Механизм образования канала состоит в том, что при подаче на затвор положительного напряжения дырки переносятся полем с поверхности в глубь полупроводника и в области под затвором образуется слой с уменьшенной их концентрацией
При некотором напряжении напряжения затовора, называемом пороговым , у поверхности полупроводника р-типа концентрация электронов превышает концентрацию дырок, т.е. появляется тонкий слой полупроводника с электропроводностью n-типа и происходит инверсия электропроводности полупроводника. Изменяя напряжения на затворе, можно изменять концентрацию электронов в канале, а значит, и его сопротивление. Если увеличивать положительное напряжение на затворе, концентрация электронов в канале увеличивается, то есть происходит обогащение канала электронами. На рис 2.26. показаны основные ВАХ ПТ: выходные (стоковые) – и характеристики управления (передачи) (cток-затворные) – . Поведение характеристик полностью соответствует физике процессов формирования тока в канале.
В справочниках обычно в качестве порогового приводится значение , при
котором ток стока . При в МДП-транзисторах с каналом n-типа увеличение напряжения на затворе приводит к уменьшению сопротивления канала за счет обогащения его электронами, ток стока при этом увеличивается .
Рис 5.5. ВАХ МДП транзистора с индуцированным каналом
В МДП-транзисторе со встроенным каналом n-типа, структура которого приведена на рис.5.4., уже при отсутствии внешних напряжений имеется канал, соединяющий области истока и стока. Поэтому при и протекает ток стока. При увеличении положительного напряжения на затворе область канала обогащается электронами и ток стока возрастает.
Рис. 5.6 МДП транзистор со встроенным каналом.
При увеличении отрицательного напряжения на затворе канал обедняется, (режим обеднения) и ток стока уменьшается. На рис. 2.28. показаны статические характеристики транзистора со встроенным каналом.
Рис 5.7. Статические характеристики МДП транзистора со встроенным каналом.
Полевые транзисторы включаются по схемам с общим затвором (ОЗ) (рис. 5.8 а), общим истоком (ОИ) (рис.5.8а, б), общим стоком (ОС) (рис. 5.8, в). Наиболее часто используется схема включения с ОИ.
Рис 5.8. схемы включения полевых транзисторов
Влияние температуры на вольт-амперные характеристики полевых транзисторов
Основными причинами изменения тока стока полевых транзисторов являются температурные зависимости подвижности носителей и контактной разности потенциалов в транзисторах с управляющим переходом, а также пороговое напряжение в МДП-транзисторах. Подвижность носителей заряда в канале уменьшается с ростом температуры, что приводит к уменьшению тока стока, а пороговое напряжение, уменьшаясь с ростом температуры, приводит к увеличению тока стока. Кроме этого, уменьшается и контактная разность потенциалов, что приводит также к увеличению тока стока. Таким образом, эти факторы оказывают на ток стока противоположное действие и могут скомпенсировать друг друга. Изменение тока стока с изменением температуры можно охарактеризовать температурным коэффициентом тока:
. (4.12)
Рис. 4.12
Температурная зависимость передаточных характеристик показана на (рис. 4.12). Из характеристик видно, что в полевых транзисторах существует термостабильная точка, в которой ток стока не зависит от температуры. Величину тока стока в этой точке можно приближенно определить так:
. (4.13)
Ориентировочное положение термостабильной точки можно найти по формуле
. (4.14)
Отмеченное свойство является большим преимуществом полевых транзисторов по сравнению с биполярными и позволяет создавать целый ряд электронных устройств с повышенной температурной стабильностью.
Дифференциальные параметры полевых транзисторов
Ток стока и ток затвора в полевых транзисторах зависят от напряжений на затворе и на стоке:
; . (4.15)
Запишем выражения полных дифференциалов токов:
; (4.16)
. (4.17)
Частные производные, имеющие размерности проводимостей, принимают в качестве Y-параметров.
В режиме короткого замыкания по переменному току на входе и выходе их можно записать:
при − проводимость прямой передачи или крутизна сток-затворной характеристики.
Она характеризует управляющее действие затвора и численно равна величине изменения тока стока при изменении напряжения затвора на 1В.
Из выражения передаточной характеристики (4.9) получим
, (4.18)
т.е. крутизна обратно пропорциональна сопротивлению канала.
Учитывая, что , следует, что для получения высокой крутизны необходимо использовать короткий и широкий канал. При прочих равных условиях крутизна в n-полевых транзисторах выше, чем в p-канальных из-за большей подвижности электронов.
при − выходная проводимость транзистора. Вместо выходной проводимости на практике часто используется обратная величина , называемая дифференциальным (внутренним) сопротивлением транзистора. Наименьшее значение соответствует крутым участкам выходных характеристик. На пологих участках сопротивление возрастает, что обусловлено эффектом модуляции длины канала. Оно составляет десятки и сотни килоом.
при − входная проводимость, или обратная величина . Ток затвора – обратный ток, создаваемый неосновными носителями через p-n-переход, мал (порядка 10-9 А), поэтому входное сопротивление очень высокое (порядка нескольких мегаом); мала также и входная емкость.
при − проводимость обратной передачи.
Так как , .
Для оценки усилительных свойств полевого транзистора вводится коэффициент усиления по напряжению, учитывающий относительное влияние напряжения стока и затвора на ток стока:
при . (4.19)
По найденным значениям и можно определить коэффициент усиления:
. (4.20)
Величина достигает нескольких сотен.
На рис. 4.13 показан пример определения дифференциальных параметров по выходным характеристикам.
В общем случае все Y-параметры являются комплексными.
На низких частотах, когда влиянием реактивных элементов можно пренебречь,
Y-параметры становятся вещественными величинами. Заменяя дифференциальные приращения их конечно разностными величинами, можно определить указанные параметры в заданной точке на характеристике:
; (4.21)
. (4.22)
Работа полевого транзистора в режиме усиления
При использовании полевого транзистора в режиме усиления, он может быть включен по схеме с ОИ, ОС, ОЗ.
Рассмотрим работу усилительного каскада на полевом транзисторе в схеме с ОИ (рис. 4.15).
t
Рис. 4.15 Рис. 4.16
Так же как в усилителе, на БТ во входной цепи включается источник переменного сигнала . Положение рабочей точки А обеспечивается напряжением смещения. Для обеспечения смещения в цепь затвора включается сопротивление . В цепь стока включается нагрузка . Построение нагрузочных характеристик и выбор рабочей точки аналогичны, как и в случае биполярного транзистора (рис. 4.16). Диаграммы, иллюстрирующие процесс усиления, приведены на
(рис. 4.17).
Когда , напряжение на стоке . При подаче на вход синусоидального сигнала напряжение на затворе будет . В результате будут изменяться ток стока и напря-жение на стоке .
Основные параметры режима усиления:
- рабочая крутизна:
; (4.24)
- коэффициент усиления по напряжению:
; (4.25)
- выходная мощность:
. (4.26)
Вычисление рабочих параметров с помощью нагрузочных характеристик иллюстрируется на рис. 4.17.
Определив амплитуды тока и напряжений, запишем:
. (4.27)
. (4.28)
. (4.29)
Рабочие параметры ПТ можно выразить через статические , , параметры. Продифференцируем выражение тока стока :
. (4.30)
; . Подставляя в выражение (4.30), получим:
, или
; .
Отсюда:
, (4.31)
, (4.32)
. (4.33)
Максимальная амплитуда напряжения затвора должна быть меньше напряжения отсечки с целью уменьшения искажений:
, тогда . (4.34)
Отсюда следует, что для получения высокой выходной мощности необходимо иметь транзистор с высокой крутизной и большим напряжением отсечки.
Полевые транзисторы широко используют и в импульсном (ключевом) режиме. Анализ показывает, что для повышения быстродействия ключа необходимо увеличивать удельную крутизну транзистора (за счет уменьшения длины канала), снижать пороговое напряжение и выходную емкость. В настоящее время наибольшее применение находят транзисторы с изолированным затвором, благодаря внедрению микроэлектроники. МДП-транзисторы широко используются в кремниевых интегральных схемах, особенно в сверхбольших интегральных схемах (СБИС), микропроцессорах, микроЭВМ, электронных калькуляторах, запоминающих устройствах большой информационной емкости, в электронных часах, а также в медицинской электронике и др.
Мощные МДП-транзисторы применяют в переключающих схемах. Транзисторы с управляющим переходом металл – полупроводник на GaAs используются для создания сверхскоростных цифровых интегральных схем и в
СВЧ-устройствах.
Транзисторы с управляющим переходом на кремнии используют в основном как низкочастотные дискретные приборы.
Оптоэлектроника — раздел физики и техники, связанный с преобразованием электромагнитного излучения оптического диапазона в электрический ток и обратно.
Приборы оптоэлектроники:
Для преобразования света в электрический ток — фото-сопротивления (фоторезисторы), фотодиоды (pin, лавинный), фототранзисторы, фототиристоры, пироэлектрические приёмники, приборы с зарядовой связью (ПЗС), фотоэлектронные умножители (ФЭУ).
Для преобразования тока в световое излучение — различного рода лампы накаливания, электролюминесцентные индикаторы, полупроводниковые светодиоды и лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые).
Для изоляции электрических цепей (последовательного преобразования «ток-свет-ток») служат отдельные устройства оптоэлектроники — оптопары — резисторные, диодные, транзисторные, тиристорные, оптопары на одно-переходных фототранзисторах и оптопары с открытым оптическим каналом.
Для применения в различных электронных устройствах служат оптоэлектронные интегральные схемы — интегральные микросхемы, в которых осуществляется оптическая связь между отдельными узлами или компонентами с целью изоляции их друг от друга (гальванической развязки).
Электролюминесценция — люминесценция, возбуждаемая электрическим полем.
Наблюдается в веществах- полупроводниках и кристаллофосфорах, атомы (или молекулы) которых переходят в возбуждённое состояние под воздействием пропущенного электрического тока или приложенного электрического поля.
Электролюминесценция- результат излучательной рекомбинации электронов и дырок в полупроводнике. Возбужденные электроны отдают свою энергию в виде фотонов. До рекомбинации электроны и дырки разделяются -либо посредством активации материала для формирования p-n перехода(в полупроводниковых электролюминесцентных осветителях, таких как светодиод) — либо путем возбуждения высокоэнергетическими электронами (последние ускоряются сильным электрическим полем)- в кристаллофосфорах электролюминесцентных панелей.
Обычно электролюминесцентные панели выпускаются в виде тонких пленок из органических или неорганических материалов. В случае применения кристаллофосфоров цвет свечения определяется примесью — активатором. Конструктивно электролюминесцентная панель представляет из себя плоский конденсатор. Электролюминесцентные панели требуют подачи достаточно высокого напряжения (60 — 600 вольт); для этого, как правило, в устройство с электролюминесцентной подсветкой встраивается преобразователь напряжения.
Примеры тонкопленочных электролюминесцентных материалов:
Электролюминесцентные осветители (панели, провода и т.д.) широко используются в бытовой электронике и светотехнике, в частности — для подсветки жидкокристаллических дисплеев, подсветки шкал приборов и пленочных клавиатур, декоративного оформления строений и ландшафта и пр.
Для военных и промышленных применений выпускаются электролюминесцентные графические и знакосинтезирующие дисплеи. Эти дисплеи отличаются высоким качеством изображения и относительно низкой чувствительностью к температурным режимам.
НЕКОГЕРЕНТНЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ
В качестве некогерентных излучателей можно использовать сверх миниатюрные накальные и газоразрядные лампочки, порошковые, пленочные люминофоры, светоизлучающие диоды и т.д. Однако требованиям предъявляемым к оптоэлектронному прибору, удовлетворяют лишь светоизлучающие диоды, характеризующиеся высокой эффективностью прямого преобразования электрической энергии в световую, надежностью и большим сроком службы, устойчивостью к механическим и климатическим воздействиям, высоким быстродействием.
Когерентные излучатели
Основной тип излучателей когерентной оптоэлектроники - инжекционные полупроводниковые лазеры (ППЛ). Они представляют собой миниатюрные твердотельные приборы, изготавливаемые методами планарно-эпитак-сиальной технологии.
Светодиод - это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение.
Из чего состоит светодиод?
Из полупроводникового кристалла на подложке, корпуса с контактными выводами и оптической системы. Современные светодиоды мало похожи на первые корпусные светодиоды, применявшиеся для индикации.
|
|
|
Рис. 1. Конструкция светодиода Luxeon фирмы Lumileds lighting. |
Как работает светодиод?
Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области p-n-перехода. Значит, прежде всего нужен p-n-переход, то есть контакт двух полупроводников с разными типами проводимости. Для этого приконтактные слои полупроводникового кристалла легируют разными примесями: по одну сторону акцепторными, по другую - донорскими.
Но не всякий p-n-переход излучает свет. Почему? Во-первых, ширина запрещенной зоны в активной области светодиода должна быть близка к энергии квантов света видимого диапазона. Во-вторых, вероятность излучения при рекомбинации электронно-дырочных пар должна быть высокой, для чего полупроводниковый кристалл должен содержать мало дефектов, из-за которых рекомбинация происходит без излучения. Эти условия в той или иной степени противоречат друг другу.
Реально, чтобы соблюсти оба условия, одного р-п-пе-рехода в кристалле оказывается недостаточно, и приходится изготавливать многослойные полупроводниковые структуры, так называемые гетероструктуры, за изучение которых российский физик академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию 2000 года.
Характеристики светодиодов
Основными характеристиками светодиодов являются: вольт-амперная, яркостная, спектральная.
На рис.8.3 представлены вольт-амперные характеристики светодиодов изготовленных из разных полупроводниковых материалов. Различие прямых ветвей вольт-амперных характеристик из разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучения, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают преимущественно при прямом включении. При работе в схеме с большими обратными напряжениями последовательно со светодиодом необходимо включать обычный (неизлучающий) диод, имеющий достаточное значение допустимого обратного напряжения.
Рис.8.3
Яркостная характеристика – это зависимость яркости излучения от величины тока, протекающего через p–n переход (рис. 8.3).
В качестве параметра электрического режима выбран прямой ток через диод, а не падение напряжения на диоде. Светодиод, p–n переход которого включен в прямом направлении, обладает относительно малым сопротивлением. Можно считать, что прямой ток через диод задается внешней цепью, изменяется в широком диапазоне и легко измеряется. В связи с этим светодиоды следует считать токовыми приборами, питаемыми от генераторов тока.
Рис.8.4
Вид яркостной характеристики зависит от структуры p–n перехода и области, в которой происходит преимущественная рекомбинация носителей заряда. При малых прямых токах и при малых напряжениях излучение отсутствует. Излучение возникает при напряжениях, соответствующих энергии излучаемого фотона, приблизительно равной ширине запрещенной зоны. Поэтому начальный участок яркостной характеристики нелинеен. Рост тока (напряжения) увеличивает число рекомбинирующих носителей, яркость возрастает. При больших токах начинает сильно проявляться безизлучательная рекомбинация из-за заполнения ловушек, что уменьшает квантовый выход. Кроме того, с ростом тока увеличивается вероятность ударной рекомбинации, что также уменьшает излучательную способность. В связи с этим при увеличении тока, протекающего через светодиод, наклон характеристик к оси абсцисс становится меньше.
Длина волны излучения определяется разностью двух энергетических уровней, между которыми происходит переход электронов при люминесценции. В связи с разной шириной запрещенной зоны у различных материалов длина волны излучения в разных типах излучающих диодов различна. Так как переход электронов при рекомбинации носителей заряда обычно происходит не между двумя энергетическими уровнями, а между двумя группами уровней, то спектр излучения оказывается размытым. Спектральный диапазон излучения диода характеризуют шириной спектра излучения, измеряемой по уровню 0,5 от максимума характеристики. Длина волны излучаемого света однозначно определяется энергией кванта, которая при излучательной рекомбинации и в полупроводниках приблизительно равна ширине запрещенной зоны. Поэтому , где h- постоянная Планка. Для светодиодов изготовленных из арсенида галлия =0,9…1,4 мкм (инфракрасное излучение) из фосфида галлия =0,7мкм (красное излучение), а из карбида кремния =0,55мкм (желтое излучение).
На практике большинство излучательных диодов должно быть спектрально согласовано либо с человеческим глазом, либо с кремниевым фотоприемником. Диапазон спектральной чувствительности фотоприемника составляет примерно 0,3…1,1 мкм. Человеческий глаз обладает более узким диапазоном чувствительности – 0,4…0,7 мкм.
Основные параметры светодиодов
1. Сила света IV – световой поток, приходящийся на единицу телесного угла в заданном направлении, выражается в канделах (кд), и составляет десятые доли – единицы мкд. Кандела есть единица силы света, испускаемого специальным стандартным источником.
2. Яркость излучения равна отношению силы света к площади светящейся поверхности. Она составляет десятки–сотни кд/см2.
3. Постоянное прямое напряжение – падение напряжения на диоде при заданном токе (2…4 В).
4. Цвет свечения или длина волны, соответствующая максимальному световому потоку.
5. Максимально допустимый постоянный прямой ток, составляет десятки мА и определяет максимальную яркость излучения.
6. Максимальное допустимое постоянное обратное напряжение (единицы B).
7. Быстродействие излучающего диода определяется инерционностью возникновения излучения при подаче прямоугольного импульса прямого тока (рис. 5.7).
Время переключения tпер складывается из времени включения tвкл и выключения tвыкл излучения. Инерционность излучающего диода определяется процессом перезарядки барьерной емкости и процессами накопления и рассасывания неосновных носителей в активной области диода.
8. Диапазон температур окружающей среды, при которых светодиод сохраняет свою работоспособность (–60…+70 C).
9. Срок службы составляет 104…106 часов.
Существенным недостатком светодиодов является зависимость их параметров от температуры и продолжительности эксплуатации. С повышением температуры яркость и сила света уменьшаются, несколько увеличивается длина волны излучения. Это увеличение обусловлено тем, что с ростом температуры уменьшается ширина запрещенной зоны полупроводника. Постоянное уменьшение мощности излучения (деградация) при длительном протекании через прибор прямого тока связано с увеличением концентрации центров безизлучательной рекомбинации за счет перемещения в электрическом поле неконтролируемых примесных атомов.
Итак, характерными свойствами светодиодов является их высокая надежность, большой срок службы, малые инерционность, габариты, масса, потребляемая мощность, возможность изготовления светодиодных матриц и светодиодов с различным цветом свечения, совместимость с интегральными микросхемами.
Обычные светодиоды изготавливаются из различных неорганических полупроводниковых материалов
Фотодиоды
Фотодиодом называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор, в котором используется внутренний фотоэффект. Устройство фотодиода аналогично устройству обычного плоскостного диода. Отличие состоит в том, что его p–n переход одной стороной обращен к стеклянному окну, через которое поступает свет, и защищен от воздействия света с другой стороны. Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов:
– без внешнего источника электрической энергии (вентильный или фотогенераторный, фотогальванический режим);
– с внешним источником электрической энергии (фотодиодный или фотопреобразовательный режим).
Рассмотрим работу фотодиода в вентильном режиме, схема включения представлена на рис.8.7.
Рис 8.7. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме
При отсутствии светового потока на границе p–n перехода создается контактная разность потенциалов. Через переход навстречу друг другу протекают два тока – Iдр и Iдиф, которые уравновешивают друг друга. При освещении p–n перехода фотоны, проходя в толщу полупроводника, сообщают части валентных электронов энергию, достаточную для перехода их в зону проводимости, т.е. за счет внутреннего фотоэффекта генерируются дополнительные пары электрон-дырка. Под действием контактной разности потенциалов p–n перехода неосновные носители заряда n–области – дырки переходят в р–область, а неосновные носители заряда р–области – электроны – в n–область. Дрейфовый ток получает дополнительное приращение, называемое фототоком Дрейф неосновных носителей приводит к накоплению избыточных дырок в р–области, а электронов в n–области, это приводит к созданию на зажимах фотодиода при разомкнутой внешней цепи разности потенциалов, называемой фото-ЭДС Потенциальный барьер перехода, как и при прямом напряжении, уменьшается на величину фото-ЭДС, называемую напряжением холостого хода Uхх при разомкнутой внешней цепи. Снижение потенциального барьера увеличивает ток диффузии Iдиф основных носителей через переход. Он направлен навстречу фототоку. Поскольку ключ разомкнут, в структуре устанавливается термодинамическое равновесие токов:
. (8.5)
Значение фото-ЭДС не может превышать контактной разности потенциалов p–n перехода. В противном случае из-за полной компенсации поля в переходе разделение оптически генерируемых носителей прекращается. Так, например, у селеновых и кремниевых фотодиодов фото-ЭДС достигает 0,5…0,6 В, у фотодиодов из арсенида галлия – 0,87 В.
При подключении нагрузки к освещенному фотодиоду (ключ замкнут), в электрической цепи появится ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей. Значение тока зависит от фото-ЭДС и сопротивления нагрузки, максимальный ток при одной и той же освещенности фотодиода будет при сопротивлении резистора, равном нулю, т.е. при коротком замыкании фотодиода. При сопротивлении резистора не равном нулю, ток во внешней цепи фотодиода уменьшается.
Ток, протекающий через фотодиод, можно записать в следующем виде:
, (8.6)
где Iф – фототок;
I0 – тепловой ток p–n перехода;
U – напряжение на диоде.
При разомкнутой внешней цепи (Rн=, Iф общ=0) легко выразить напряжение на переходе при холостом ходе, которое равно фото-ЭДС:
. (8.7)
Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто используются в качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в электрическую.
В фотодиодном или фотопреобразовательном режиме работы последовательно с фотодиодом включается внешний источник энергии, смещающий диод в обратном направлении (рис. 5.12).
Рис.8.8. Схема включения фотодиода для работы в фотодиодном режиме
При отсутствии светового потока и под действием обратно приложенного напряжения через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток Iо, который называют темновым. Темновой ток ограничивает минимальное значение светового потока. При освещении фотодиода кванты света дополнительно вырывают электроны из валентных связей полупроводника, увеличивая тем самым поток неосновных носителей заряда через p–n переход. Чем больше световой поток, падающий на фотодиод, тем выше концентрация неосновных носителей заряда вблизи запорного слоя, и тем больший фототок , определяемый напряжением внешнего источника и световым потоком, протекает через диод.
При правильно подобранном сопротивлении нагрузки Rн и напряжении источника питания этот ток будет зависеть только от освещенности прибора, а падение напряжения на сопротивлении можно рассматривать как полезный сигнал.
Фотодиодный режим характеризуется высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном преобразования оптического излучения, высоким быстродействием (барьерная емкость p–n перехода уменьшается). Недостатком фотодиодного режима работы является большой темновой ток, зависящий от температуры.
Характеристики и параметры фотодиода
Фотодиод описывается вольтамперной, энергетической (световой), спектральной и частотной характеристиками, приведенными на рис. 8.9, 8.10.
Если к неосвещенному фотодиоду подключить источник напряжения, значение и полярность которого можно изменять, то снятые при этом вольтамперные характеристики будут иметь такой же вид, как у обычного полупроводникового диода (рис. 8.9,а). При освещении фотодиода существенно изменяется лишь обратная ветвь вольтамперной характеристики, прямые же ветви при сравнительно небольших напряжениях практически совпадают.
Рис 8.9. Схема включения фотодиода для работы в вентильном режиме
В квадранте III фотодиод работает в фотодиодном режиме, а в квадранте IV в фотовентильном режиме, и фотоэлемент становится источником электрической энергии. Квадрант I – это нерабочая область для фотодиода, в этом квадранте p–n переход смещен в прямом направлении.
Энергетическая характеристика фотодиода связывает фототок со световым потоком, падающим на фотодиод рис. 8.9,б. При работе фотодиода в вентильном режиме спектральные характеристики существенно зависят от сопротивления резистора, включенного во внешнюю цепь. С ростом нагрузочного сопротивления характеристики все более искривляются и при больших сопротивлениях имеют ярко выраженный участок насыщения. При работе фотодиода в фотодиодном режиме энергетические характеристики линейны, т.е. практически все фотоносители доходят до p–n перехода и участвуют в образовании фототока.
Спектральная характеристика фотодиода аналогична соответствующим характеристикам фоторезистора и зависит от материала фотодиода и количества примесей (рис. 8.10,а).
Рис 8.10. Спектральная (а) и частотная характеристика фотодиода
Селеновые фотодиоды имеют спектральную характеристику, близкую по форме к спектральной зависимости чувствительности человеческого глаза. Германиевые и кремниевые фотодиоды чувствительны как в видимой, так и в инфракрасной части спектра излучения.
Частотная характеристика показывает изменение интегральной чувствительности при изменении яркости светового потока с разной частотой модуляции (рис. 8.1,б). Быстродействие фотодиода характеризуется граничной 0частотой, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз по сравнению со своим низкочастотным значением.
Для повышения чувствительности и быстродействия разработаны следующие фотодиоды: со встроенным электрическим полем; фотодиоды с p–i–n структурой; с барьером Шотки; лавинные фотодиоды.
Фотодиоды со встроенным электрическим полем имеют неравномерно легированную базу, за счет чего возникает внутреннее электрическое поле, которое ускоряет движение неосновных носителей заряда.
Фотодиоды с p–i–n структурой имеют большую толщину области, обедненной основными носителями, i–область имеет удельное сопротивление в 106…107 раз больше, чем сопротивление легированных областей n– и p–типов. К переходу можно прикладывать большие обратные напряжения, и однородное электрическое поле устанавливается по всей i–области. Падающее световое излучение поглощается i–областью, имеющей сильное электрическое поле, что способствует быстрому дрейфу носителей в соответствующие области.
У фотодиодов с барьером Шотки за счет минимального сопротивления базы и отсутствия процессов накопления и рассасывания избыточных зарядов достигается высокое быстродействие. У лавинных фотодиодов происходит лавинное размножение носителей в p–n переходе, и за счет этого резко возрастает чувствительность, их быстродействие составляет fгр = 1011…1012 Гц. Эти диоды считаются одними из перспективных элементов оптоэлектроники.
Параметры фотодиодов следующие:
1. Темновой ток IТ – начальный обратный ток, протекающий через диод при отсутствии внешнего смещения и светового излучения (10…20 мкА для германиевых и 1…2 мкА для кремниевых диодов).
2. Рабочее напряжение Up – номинальное напряжение, прикладываемое к фотодиоду в фотодиодном режиме (Up=10…30 В).
3. Интегральная чувствительность Sинт показывает, как изменяется фототок при единичном изменении светового потока:
. (8.8)
4. Граничная частота fгр – частота, на которой интегральная чувствительность уменьшается в раз (107…1012 Гц).
Фоторезисторы
Фоторезистором называют полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фотоэффектом, в котором используется явление фотопроводимости, т.е. изменение электрической проводимости полупроводника под действием оптического излучения. Впервые явление фотопроводимости было обнаружено у селена У. Смитом в 1873 году.
Фоторезисторы применяются в тех электронных устройствах, где определяющими факторами являются их высокая чувствительность, большие значения фототока, большая рабочая площадь фотоприемника, а инерционность несущественна.
Фоторезистор включают в цепь источника ЭДС любой полярности. Основным элементом фоторезистора является полупроводниковая пластина, сопротивление которой при освещении изменяется. В качестве полупроводникового материала для фоторезисторов обычно используют сульфид кадмия, сернистый таллий, селенистый теллур, сернистый висмут, селенид кадмия или сульфид цинка. На поверхность фоточувствительного слоя наносят металлические электроды, иногда электроды наносят непосредственно на диэлектрическую подложку перед осаждением полупроводникового слоя.
Поверхность полупроводникового фоточувствительного слоя, расположенного между электродами, называют рабочей площадкой. При отсутствии освещенности рабочей площадки фоторезистор имеет максимальное сопротивление, называемое темновым, которое составляет 104…107 Ом. По цепи протекает малый темновой ток Iт, обусловленный наличием в неосвещенном полупроводнике некоторого количества свободных носителей заряда. Фоторезистор обладает начальной проводимостью 0, которую называют темновой
, (8.1)
где q – заряд электрона; – подвижность носителей;
n0, p0 – концентрация подвижных носителей заряда электронов и дырок в полупроводнике в равновесном состоянии.
Под действием света в полупроводнике генерируются избыточные носители, концентрация подвижных носителей заряда увеличивается на величину n, p. Проводимость полупроводника изменяется на величину
, (8.2)
называемую фотопроводимостью. При изменении яркости освещения, изменяется фотопроводимость полупроводника. Концентрация неравновесных носителей, определяющих фотопроводимость, зависит от параметров полупроводника (ширины запрещенной зоны, типа проводимости, коэффициента преломления и др.) и механизма поглощения. Полная проводимость полупроводника равна .
В беспримесном полупроводнике концентрации избыточных носителей равны , а фотопроводимость называется биполярной (собственной). В примесных полупроводниках преимущественно возрастает концентрация носителей только одного знака – основных и в меньшей степени – неосновных, а их фотопроводимость называется примесной (униполярной).
Изменение проводимости полупроводника при освещении фоторезистора приводит к возрастанию тока в цепи. Разность токов при наличии и отсутствии освещения называют световым током или фототоком.
Характеристики фоторезистора
Вольт-амперная характеристика представляет собой зависимость тока через фоторезистор I от напряжения U, приложенного к его выводам, при неизменной величине светового потока (рис. 8.5). В рабочем диапазоне напряжений вольт-амперные характеристики фоторезисторов при различных значениях светового потока практически линейны (линейны в пределах допусти мой для них мощности рассеяния).
Рис.8. 5
Энергетическая (световая или люкс-амперная) характеристика представляет собой зависимость фототока от падающего светового потока при постоянном приложенном напряжении к фоторезистору. При малых световых потоках она линейна, а с ростом светового потока рост фототока замедляется за счет возрастания рекомбинации носителей через ловушки и уменьшения их времени жизни. Если вместо светового потока берется освещенность Е в люксах, то энергетическую характеристику называют люкс-амперной.
Cпектральная характеристика фоторезистора есть зависимость фототока от длины волны падающего светового потока (рис. 8.6). для каждого фоторезистора
Рис.8.6
существует свой максимум спектральной характеристики, что связано с различной шириной запрещенной зоны полупроводникового материала. При больших длинах волн, т.е. при малых энергиях квантов света по сравнению с шириной запрещенной зоны полупроводника, энергия кванта оказывается недостаточной для переброса электронов из валентной зоны в зону проводимости. В связи с этим каждый полупроводник и фоторезистор имеет наибольшую (пороговую) длину волны. Она определяется по уровню 0,5Iмакс со стороны больших длин волн.
Из-за роста показателя преломления при уменьшении длины волны падающего света спектральная характеристика имеет спад при малых длинах волн. В связи с различной шириной запрещенной зоны полупроводниковых материалов, используемых для изготовления фоторезисторов, максимум спектральной характеристики может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра.
Параметры фоторезистора
1. Темновое сопротивление – это сопротивление фоторезистора при отсутствии освещения. Оно измеряется через 30 с после затемнения фоторезистора, предварительно находившегося при освещенности 200 лк, и составляет 104...107 Ом.
2. Удельная интегральная чувствительность – отношение фототока к произведению светового потока на приложенное напряжение
. (8.3)
Чувствительность называют интегральной, потому что измеряют ее при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава при освещенности 200 лк. Она лежит в пределах десятые доли – сотни мА/В.
3. Граничная частота fгр – это частота синусоидального сигнала, модулирующего световой поток, при котором чувствительность фоторезистора уменьшается в раз по сравнению с чувствительностью при немодулированном потоке; fгр 103…105 Гц.
4. Температурный коэффициент фототока – коэффициент, показывающий изменение фототока при изменении температуры и постоянном световом потоке
, . (8.4)
5. Рабочее напряжение – зависит от размеров фоторезистора, т.е. от расстояния между электродами, и лежит в пределах от единиц до сотен вольт.
Существенным недостатком фоторезисторов является зависимость сопротивления от температуры и высокая инерционность, связанная с большим временем жизни электронов и дырок после прекращения падающего оптического облучения на фоторезистор. В связи с этим переходные процессы в фоторезисторе протекают с постоянной времени, которая примерно равна времени жизни электронов и дырок в полупроводниковом слое.
23. ТИРИСТОРЫ
Общие сведения о тиристорах
Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В одном состоянии – закрытом – тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, в другом – открытом – сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток.
Структура тиристора состоит из четырёх областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 6.1, а).
Рис. 6.1
Кроме трёх выпрямляющих контактов тиристор имеет два омических перехода. Контакт с внешним p-слоем называется анодом, а с внешним n-слоем – катодом.
В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные, триодные и тетродные. Тиристор, имеющий два вывода, называется динистором, или диодным тиристором. Тиристоры, имеющие три и четыре вывода, называются триодными или тетродными. Помимо четырёхслойных структур некоторые виды тиристоров имеют большее число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симметричный тиристор (симистр), который может включаться при различных полярностях приложенного напряжения.
На рис. 6.1, б p-n-p-n-структура тиристора представлена в виде двух транзисторов, соединённых между собой, каждый из которых находится в активном режиме.
В связи с таким представлением крайние области тиристорной структуры называют эмиттерами, а примыкающие к ним p-n-переходы – эмиттерными, центральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.
Рассмотрим процессы в тиристорах при подаче внешнего напряжения.
Вольт-амперная характеристика диодного тиристора приведена на рис. 6.2. Пусть к аноду тиристора подано небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы П1 и П3 (см. рис. 6.1, а) включены в прямом направлении, а коллекторный переход П2 включен в обратном, поэтому почти всё приложенное напряжение падает на нём. Участок ОА вольт-амперной характеристики (см. рис. 6.2) аналогичен обратной ветви характеристики диода и характеризуется режимом прямого запирания.
Рис. 6.2
При увеличении анодного напряжения эмиттеры инжектируют основные носители в области баз. Инжектированные электроны и дырки накапливаются в них, что равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить его в прямом направлении. С увеличением тока через тиристор абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнёт уменьшаться. При этом ток будет ограничиваться только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Из закрытого состояния (участок 0А) тиристор переходит на участок АВ, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению.
После этого все три перехода смещаются в прямом направлении. Этому открытому состоянию соответствует участок ВD. Итак, в закрытом состоянии тиристор характеризуется большим падением напряжения и малым током. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1-3 В), а ток, протекающий через структуру, велик.
Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.
Напряжение анода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния (0А) в режим, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (АВ), называется напряжением включения Uвкл. Анодный ток тиристора в режиме включения называется током включения Iвкл.
Обозначив α1 и α2 как коэффициенты передачи тока первого и второго эмиттерных переходов, запишем ток коллектора в виде
IK=α1IП1+ α2IП3+IKO, где IKO – собственный обратный ток коллекторного перехода.
В двухэлектродной структуре диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:
Iп1=Iп2=Iп3=Ia. (6.1)
С учётом этого анодный ток тиристора
Ia= IКО/. (6.2)
Когда α1+α2 стремится к единице, тиристор из закрытого состояния переходит в открытое. Ток через тиристор во время переключения должен ограничиваться сопротивлением нагрузки. Суммарное падение напряжения на включённом тиристоре составляет около 1 В. В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока коллекторный переход будет смещён в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшить, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях тиристора и коллекторный переход окажется смещённым в обратном направлении, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдёт в закрытое состояние. Минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии, является удерживающим током тиристора.
При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики двух последовательно включённых диодов. Обратное напряжение в этом случае ограничивается напряжением пробоя.
Даже при малых напряжениях и токах в каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице. Для уменьшения начального коэффициента передачи одну из базовых областей тиристора делают относительно толстой. Чтобы уменьшить коэффициент передачи тока другого транзистора, его эммитерный переход шунтируют объёмным сопротивлением прилегающей базовой области.
Шунтирование позволяет создавать тиристоры с большими значениями напряжения включения. Кроме этого, тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом будет иметь так называемую жесткую характеристику переключения, т.е. переход из закрытого состояния в открытое будет осуществляться каждый раз при одном и том же напряжении включения.
Триодные тиристоры
Триодный тиристор (тринистор) отличается от динисторов наличием внешнего вывода от одной из баз, с помощью которого можно управлять включением тиристора (рис. 6.3).
В триодном тиристоре, имеющем управляющий электрод от одной из базовых областей, уровень инжекции через прилегающий к этой базе эмиттерный переход можно увеличивать путём подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод. Поэтому триодный тиристор можно переключить из закрытого состояния в открытое даже при небольших анодных напряжениях (рис. 6.4).
Переключение триодного тиристора с помощью прямого напряжения на управляющем электроде или тока через этот электрод можно представить как переход транзисторной n-p-n-структуры в режим насыщения при большом токе базы. При этом коллекторный переход транзисторной структуры (он же и коллекторный переход тиристора) смещается в прямом направлении. Напряжение включения зависит от управляющего тока.
Симметричные тиристоры (симисторы)
Симметричный тиристор – это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлении.
Структура симметричного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре p-n- перехода. Крайние переходы зашунтированы объёмными сопротивлениями прилегающих областей p-типа (рис. 6.5, а). Вольт-амперные характеристики симистора приведены на рис. 6.5, б.
Рис. 6.5
Исходными материалами для тиристоров являются кремний, а также арсенид галлия, имеющие большую ширину запрещённой зоны. Тиристоры, изготовленные на основе широкозонных полупроводников, имеют большее значение максимальной рабочей температуры, а следовательно, и максимально допустимой плотности тока в открытом состоянии, кроме того, напряжение пробоя у них выше, что позволяет делать тиристоры с большими значениями напряжения включения и максимально допустимым обратным напряжением. Так как обратный ток невелик через p-n-переходы, смещённые в обратном направлении, рассеиваемая мощность в тиристоре значительно меньше при закрытом состоянии и обратном напряжении.
Площадь p-n-переходов рассчитывают исходя из максимально допустимой плотности тока в статическом режиме через открытый тиристор 200 . Максимально допустимые токи в открытом состоянии для разных тиристоров имеют значения от 40 мA до 1000 А. Напряжение в открытом состоянии не превосходит 2 В. Время включения тиристора определяется скоростью перераспределения объёмных зарядов в базах и переходах. За счёт влияния ёмкостей перехода напряжение включения при импульсном режиме оказывается ниже, чем в статическом. Скорость переключения определяется как и в транзисторах, накоплением и рассасыванием зарядов в базах и ёмкостях электронно-дырочных переходов. По быстродействию тиристоры уступают транзисторам.
Тиристоры отличаются высокой надёжностью, долговечностью и высокой экономичностью.
Достоинством тиристора является свойство памяти. При переключении в проводящее состояние он может оставаться в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока включения.
Тиристоры широко применяются в радиолокации, устройствах радиосвязи, автоматике как приборы с отрицательным сопротивлением, управляемые ключи, пороговые элементы, преобразователи энергии, триггеры. По сравнению с биполярными транзисторами они могут обеспечить большой коэффициент по току включения, иметь большой ток и одновременно высокое напряжение, что важно для получения хороших характеристик мощных устройств, позволяют получить высокий КПД преобразования энергии.
Диодные тиристоры в настоящее время имеют ограниченное применение.
Мощные высоковольтные и инверторные тиристорные блоки позволяют получить мощность в нагрузке до 100 МВт при напряжениях до 100 кВ и токах до 1000 А.
Разработаны также полевые тиристоры, которые работают при более высоких температурах, чем обычные тиристоры. Они используются в быстродействующих схемах, требующих малого времени включения и выключения.