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
1. Электронным прибором называется устройство, действующее на принципе использования явление движения электрона в высоком вакууме, газовой среде, твердом теле, жидкости, плазме. Кроме того, в них используются тепловые, оптические, акустические, магнитные, механические явления.
Соответственно различают электронные приборы.
Электровакуумные (электронные), в которых газ практически не влияет на полет электронов (давление 10-5...10-6 мм рт. ст. или 10-4...10-5 Па).
Ионные (газоразрядные) — давление газа от 10-3 Па до нормального. В результате соударения газ ионизируется (вода, ртуть, газы, пары воды).
Полупроводниковые — используются явления в кристаллической структуре вещества (твердого и жидкого).
Хемотронные — используются явления в жидкостях. Приборы функциональной электроники (полупроводниковые и из других материалов).
По выполняемым функциям приборы делят на группы:
Электропреобразовательные — преобразуют электрическую энергию одного вида в другую (генераторы, выпрямители, умножители, усилители и т.д.) - лампы, полупроводниковые диоды и транзисторы и т.п..
Электросветовые (электронно-оптические) — преобразуют электрическую энергию в световую (в разных областях спектра) — электронно-лучевые трубки, индикаторы, светодиоды, лазерные диоды, электронно-оптические приборы и др.
Фотоэлектрические — преобразуют световую энергию (в разных областях спектра) в электрическую — фотоэлементы, фотодиоды, фоторезисторы, передающие телевизионные трубки и т.п.
Термоэлектрические — преобразуют тепловую энергию в электрическую (термоэлектрогенераторы).
Механоэлектрические — преобразуют механическую энергию в электрическую (механотроны, акусто-электронные приборы и т.п.).
Электро-криогенные приборы — преобразуют электрическую энергию в “холод” (полупроводниковые холодильники и пр.).
2. По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:
1. Малый вес и малые размеры.
2. Отсутствие затраты энергии на накал.
3. Большой срок службы (до десятков тысяч часов).
4. Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).
5. Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.
6. Маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях
Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:
1. Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.
2. Свойства приборов сильно зависят от температуры.
3. Работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.
Транзисторы могут работать почти во всех устройствах, в которых применяются вакуумные лампы. В настоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приёмниках, передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и во многих других устройствах.
Классификация полупроводников
Собственный полупроводник
Собственный полупроводник или полупроводник i-типа или нелегированный полупроводник (англ. intrinsic — собственный) — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10−8 … 10−9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов, так как она определяется не легированием, а собственными свойствами материала, а именно термически возбуждёнными носителями, излучением и собственными дефектами.
Полупроводник без примесей обладает собственной электропроводностью, которая имеет два вклада: электронный и дырочный. Если к полупроводнику не приложено напряжение, то электроны и дырки совершают тепловое движение и суммарный ток равен нулю. При приложении напряжения в полупроводнике возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока, называемого дрейфовым током iдр. Полный дрейфовый ток является суммой двух вкладов из электронного и дырочного токов:
iдр= in+ ip,
где индекс n соответствует электронному вкладу, а p - дырочному. Удельное сопротивление полупроводника зависит от концентрации носителей и от их подвижности, как следует из простейшей модели Друде. В полупроводниках при повышении температуры вследствие генерации электрон-дырочных пар концентрация электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне увеличивается значительно быстрее, нежели уменьшается их подвижность, поэтому с повышением температуры проводимость растет. Процесс гибели электрон-дырочных пар называется рекомбинацией. Фактически проводимость собственного полупроводника сопровождается процессами рекомбинации и генерации и если скорости их равны, то говорят что полупроводник находится в равновесном состоянии. Количество термически возбуждённых носителей зависит от ширины запрещённой зоны, поэтому количество носителей тока в собственных полупроводниках мало по сравнению с легированными полупроводниками и сопротивление их значительно выше.
Понятие о дырке.
Дырка – носитель положительного заряда, образуется при уходе валентного электрона из атома.
Направление ее движения противоположно направлению движения электрона.
Исходя из модели энергетических зон, дырка – это незаполненный уровень валентной зоны.
Примесный – это такой п/п, в котором для изменения его электрофизических свойств нарушена структура кристаллической решетки.
Модель ковалентной связи- Атом примеси, потерявший электрон, превращается в положительно заряженную частицу, неподвижно закрепленную в данном месте решетки.
Примеси замещения, валентность которых превышает валентность основных атомов решетки, называются донороными.
Для Ge и Si донорной примесью являются элементы V группы – фосфор P, мышьяк As,сурьма Sb.
Свободные электроны примесного происхождения добавляются к собственным свободным электронам. Поэтому проводимость п/п становится преимущественно электронной.
Такие полупроводники получали название электронных или п/п n-типа.
Электронные полупроводники (n-типа)
Полупроводник n-типа
Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
Дырочные полупроводники (р-типа)
Полупроводник p-типа
Термин «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.-
ОСНОВНЫЕ И НЕОСНОВНЫЕ НОСИТЕЛИ заряда в полупроводниках, электроны проводимости в полупроводниках n-типа и дырки в полупроводниках р-типа. В невырожденном собственном ПП равновесные концентрации эл-нов n и дырок р равны: n=р=ni??(NcNv)exp(-?g/2kT), где Nc и Nv — эфф. плотности состояний в зоне проводимости и в валентной зоне, ?g — ширина запрещённой зоны. Величина ni зависит только от темп-ры Т и давления.
В примесных ПП n и p связаны соотношением: np=n2i. Т. о., при увеличении равновесной концентрации основных носителей (напр., при легировании ПП соответствующей примесью) концентрация неосновных носителей убывает и наоборот.
В неравновесных условиях (напр., при освещении ПП) может увеличиваться концентрация как основных, так и неосновных носителей. Основные носители определяют тип проводимости ПП (электронный или дырочный).
В равновесных условиях концентрация неосновных носителей обычно мала (<-ni). Внеш. воздействиями (освещением, облучением быстрыми ч-цами, инжекцией носителей заряда и т. п.) её можно увеличить во много раз.
Закон действующих массЗакон действующих масс для носителей заряда применим только к равновесным процессам. Генерация носителей заряда в полупроводниках может осуществляться не только за счет теплового воздействия но и при облучении светом, при воздействии электрического поля, при инжекции (см. ИНЖЕКЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА) через контакт и т. д. В результате таких воздействий в полупроводнике появляются дополнительные, неравновесные носители заряда. Их концентрация является избыточной по отношению к равновесной и после прекращения нетеплового возбуждения полупроводник возвращается в равновесное состояние, при этом избыточная концентрация носителей заряда за счет процесса рекомбинации спадает до нуля. Принцип действия почти всех электронных приборов основан на явлении инжекции неравновесных носителей при воздействии на кристалл внешних сил (световое, электромагнитное излучение радиочастотного диапазона, облучение ядерными частицами и т. д.). Поэтому скорость рекомбинации определяет быстродействие прибора. Чем больше скорость рекомбинации, тем на более высоких частотах будет работать прибор.
Скорость рекомбинации характеризуется временем жизни носителей заряда — характеристическим временем, по истечении которого избыточная концентрация носителей заряда при линейной рекомбинации уменьшается в е раз. Т. е. характеризует среднее время существования избыточной концентрации и зависит от вида и механизма рекомбинации, состава полупроводника, температуры.
Существует два вида рекомбинации: зона — зона, при котором избыточные электроны из зоны проводимости непосредственно переходят в валентную зону, и рекомбинация через глубокие уровни в запрещенной зоне полупроводника.
При рекомбинации происходит отдача энергии, полученной при генерации. Механизмы рекомбинации классифицируют по способу отдачи энергии, выделяющейся при акте захвата носителей при рекомбинации.
Наиболее вероятные механизмы рекомбинации в полупроводниках:
- излучательная рекомбинация, при которой энергия выделяется в виде кванта электромагнитного излучения;
- фононная рекомбинация, связанная с непосредственной передачей выделяющейся энергии колебаниям атомной решетки:
- ударная рекомбинация (эффект Оже (см. ИОНИЗАЦИЯ)), когда энергия сначала передается ближайшему свободному электрону (или дырке), который затем отдает свою избыточную энергию либо колебаниям атомов решетки, либо другим носителям.
Все три механизма могут осуществляться как при рекомбинации зона-зона, так и при рекомбинации через локальные центры.
Вырожденный полупроводник — это полупроводник, концентрация примесей в котором настолько велика, что собственные свойства практически не проявляются, а проявляются в основном свойства примеси. У вырожденного полупроводника уровень Ферми лежит внутри разрешённых зон или внутри запрещённой зоны на расстояниях не более kT от границ разрешённых зон. Вырожденные полупроводники получают путём сильного легирования собственных полупроводников.
Зависимость концентрации носителей заряда примесных полупроводников от материала, температуры и концентрации примесей
Рисунок 1.1 – График зависимости ln n от 1/T для примесного полупроводника
В широком диапазоне температур и для различного содержания примесей имеют место температурные зависимости концентрации носителей заряда в полупроводнике n-типа, показанные на рисунке 1.1. Проанализируем его:
а) NД1 – малая концентрация доноров. В области низких температур увеличение концентрации электронов при нагревании полупроводника обусловлено возрастанием степени ионизации доноров (участок 1–4). Каждый ионизированный донор можно рассматривать как центр, захвативший дырку, наклон прямой на участке 1–4 характеризует энергию ионизации примесей.
При дальнейшем повышении температуры при некоторой температуре (точка 4) все электроны с примесных уровней будут переброшены в зону проводимости. При этом вероятность ионизации собственных атомов полупроводника еще очень мала. Поэтому в достаточно широком температурном диапазоне (участок 4–6) концентрация носителей заряда остается постоянной и практически равной концентрации доноров. Этот участок называется областью истощения примесей.
При относительно высоких температурах (участок кривой за точкой 6) происходит переход в область собственной проводимости (перебросы электронов из валентной зоны через запрещенную в зону проводимости).
Крутизна кривой определяется шириной запрещенной зоны.
При повышении NД (NД2>NД1) кривые температурной зависимости смещаются вверх.
Механизм электрической проводимости
Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1,76·10−19 Дж против 11,2·10−19 Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0,4·10−19 Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. С ростом температуры число свободных электронов и дырок увеличивается, поэтому в полупроводнике, не содержащем примесей, удельное сопротивление уменьшается. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1,5—2 эВ. Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Дырка
Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешёл электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение положительного заряда без перемещения самого атома. Этот условный положительный заряд называют дыркой.
Обычно подвижность дырок в полупроводнике ниже подвижности электронов.
Энергетические зоны
Между зоной проводимости Еп и валентной зоной Ев расположена зона запрещённых значений энергии электронов Ез. Разность Еп−Ев равна ширине запрещенной зоны Ез. С ростом ширины Ез число электронно-дырочных пар и проводимость собственного полупроводника уменьшается, а удельное сопротивление возрастает.
Подвижность
Основная статья: Подвижность носителей заряда
Подвижность электронов (верхняя кривая) и дырок (нижняя кривая) в кремнии в зависимости от концентрации атомов примеси
Подвижностью называют коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей тока и величиной приложенного электрического поля
При этом, вообще говоря, подвижность является тензором:
Подвижность электронов и дырок зависит от их концентрации в полупроводнике (см. рисунок). При большой концентрации носителей заряда, вероятность столкновения между ними вырастает, что приводит к уменьшению подвижности и проводимости.
Размерность подвижности — м²/(В·с).
Подвижность - коэффициент пропорциональности μ, между скоростью дрейфа и напряженностью электри-ческого поля, характеризует среднюю добавочную (к тепловой) скорость.
Собственная проводимость
Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок».
Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:
где — удельное сопротивление, — подвижность электронов, — подвижность дырок, — их концентрация, q — элементарный электрический заряд (1,602·10−19 Кл).
Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают и формула принимает вид:
Примесная проводимость
Для создания полупроводниковых приборов часто используют кристаллы с примесной проводимостью. Такие кристаллы изготавливаются с помощью внесения примесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического элемента.
Зависимость от температуры:R = R0.{1+a(T-T0)} , Электропроводность
В полупроводниках свободные электроны и дырки находятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупроводника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковыми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.
При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного движения. Т.е. под действием разности потенциалов в полупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им еще некоторое поступательное движение, представляющее собой ток проводимости.
Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называют дрейфом носителей, а ток проводимости — дрейфовым током IЕ. Полный ток проводимости складывается из электронного и дырочного тока проводимости:
В диапазоне температур, соответствующих области примесной проводи-мости (область истощения примесей), когда концентрация основных носителей остается практически постоянной, температурные изменения удельной проводимости обусловлены температурной зависимостью подвижности, т.е. электропроводность примесных полупроводников будет уменьшаться с ростом температуры.
В области высоких температур концентрация электронов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижности, электропроводность примесного полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.
Электропроводность проводников, зависимость от температуры
Электропроводность, обусловленную генерацией пар носителей заряда «электрон — дырка», называют собственной электропроводностью. Возвращение возбужденных электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате которого, пара носителей заряда «электрон — дырка» исчезает, называют рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выделением кванта энергии в виде фотона.С увеличением температуры концентрация свободных электронов в полупроводнике возрастает по экспоненциальному закону:
, где ni — количество свободных электронов в 1 см3 собственного полупроводника; n0 — коэффициент, учитывающий тип полупроводникового вещества (n0 = 5*1019 см-3 для Ge; 2*1020 см для Si); k — постоянная Больцмана; Т — абсолютная температура, К.
электропроводность полупроводника зависит от подвижности носителей заряда, а также их концентрации. Введение примесей в полупроводник существенно изменяет его проводимость. Введение в четырехвалентный полупроводник пятивалентной примеси, например фосфора (F), позволяет получить донорную проводимость (n-типа). Введение трехвалентной примеси, например бора (В), позволяет получить полупроводник с акцепторной проводимостью (p-типа).
При воздействии на полупроводник дополнительного внешнего энергетического фактора (света, сильного электрического ноля и др.) из-за генерации новых носителей заряда их концентрация n и p (неравновесная концентрация) будет превышать равновесную концентрацию на величину (или ), которую называют избыточной концентрацией. Таким образом,
.
В зависимости от источника дополнительной энергии различают:
Фотогенерация (световая) – происходит при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (это может быть рентгеновское или -излучение). Должны выполняться условия в собственном полупроводнике или в примесных полупроводниках.
Ударная ионизация – лавинное размножение носителей. В сильных полях ( для кремния) на длине свободного пробега электрон проводимости е- (или дырка проводимости е+) набирают дополнительную энергию, достаточную для ионизации атомов примеси или собственных атомов полупроводника.
Полевая генерация – электрическое поле срывает е- с внешних оболочек атомов. Возникает при в/см.
Электронно-дырочный (p-n) переход – это обедненная подвижными н.з.
область на границе раздела полупроводников p- и n-типа,
обладающая уникальными свойствами:
в прилегающих областях,
на расстоянии диффузионной длины.
Изменение внешнего напряжения на p-n-переходе приводит к изменению ширины обедненного слоя, и соответственно, накопленного в нем электрического заряда (это также обусловлено изменением концентрации инжектированных носителей заряда вблизи перехода). Исходя их этого, p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого определяется как отношение изменения накопленного в p-n-переходе заряда к обусловившему это изменение приложенного внешнего напряжения.
Различают барьерную (или зарядную) и диффузионную емкость р-n-перехода.
Барьерная емкость соответствует обратновключенному p-n-переходу, который рассматривается как обычный конденсатор, где пластинами являются границы обедненного слоя, а сам обедненный слой служит несовершенным диэлектриком с увеличенными диэлектрическими потерями
где – относительная диэлектрическая проницаемость;–электрическая постоянная ; – площадь запирающего слоя;– толщина запирающего слоя.
Барьерная емкость возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. В зависимости от площади перехода может быть от единиц до сотен пикофарад. Особенностью барьерной емкости является то, что она является нелинейной емкостью. При возрастании обратного напряжения толщина перехода увеличивается и емкость уменьшается. Характер зависимости показывает график на рис. 1.22. Как видно, под влиянием емкость изменяется в несколько раз.
Рис. 1.22. Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения
Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в n- и p-областях при прямом напряжении на переходе. Она практически существует только при прямом напряжении, когда носители заряда диффундируют (инжектируют) в большом количестве через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях. Каждому значению прямого напряжения соответствуют определенные значения двух разноименных зарядов и , накопленных в n- и p-областях за счет диффузии носителей через переход. Емкость представляет собой отношение зарядов к разности потенциалов:
С увеличением прямой ток растет быстрее, чем напряжение, т. к. вольт-амперная характеристика для прямого тока имеет нелинейный вид, поэтому растет быстрее, чем и увеличивается.
Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т. к. она шунтируется малым прямым сопротивлением p-n-перехода. Численные оценки величины диффузионной емкости показывают, что ее значение составляет несколько единиц микрофарад.
Таким образом, р-n-переход можно использовать в качестве конденсатора переменной емкости, управляемого величиной и знаком приложенного напряжения.
Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n
переход; 2 – реальный p-n переход
Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор, который, как правило, содержит один или несколько электрических переходов и два вывода для подключения к внешней цепи. Принцип работы большинства полупроводниковых диодов (ППД) основан на использовании физических свойств и явлений в электрическом переходе. Основные свойства электронно-дырочного перехода, который активно применяется в ППД, заключаются в следующем:
- ассиметрия вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода;
- электрический пробой электронно-дырочного перехода;
- зависимость барьерной ёмкости от напряжения на электронно-дырочном переходе.
В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы: выпрямительные, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные, варикапы, туннельные, обращенные, фото- и излучательные, стабилитроны.
По типу p-n перехода различают полупроводниковые диоды плоскостные и точечные. Плоскостным называют p-n переход, линейные размеры которого, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.
Выпрямительными диодами называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Вторым элементом обозначения этих диодов является буква «Д»
Для стабилизации свойств диода применяют электроформовку точечного p-n-перехода путем пропускания через него коротких импульсов тока. Энергия этих импульсов должна быть достаточной для сплавления конца иглы с полупроводником. Материал иглы подбирают так, чтобы он являлся акцептором для полупроводника n-типа. Например, иглу изготавливают из бериллиевой бронзы или покрывают ее конец индием, алюминием и т.д. На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становиться интенсивнее генерация носителей зарядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода. Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 градусов обратный ток германиевых диодов возрастает в 2, а кремниевых – в 2.5 раза.
Импульсными называют полупроводниковые диоды, используемые в качестве ключевых элементов в схемах при воздействии импульсов малой длительности (микросекунды, доли микросекунд). Второй элемент обозначения импульсных диодов - буква "Д". Из-за инерционности электрических процессов переключение импульсного диода из проводящего состояния в непроводящее и обратно происходит не мгновенно, а в течение некоторого времени, причем переходный процесс зависит от амплитуды входного сигнала (уровня инжекции) и внутреннего сопротивления генератора.
Варикапами называют полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость барьерной емкости р-n перехода от обратного напряжения. Они применяются в качестве конденсатора с электрически управляемой емкостью. Вторым элементом обозначения варикапов является буква "В". Варикапы делятся на подстроечные и умножительные, или варакторы. Условное графическое изображение варикапа показано на рис. 2.9. Подстроечные варикапы используются, например, для изменения резонансной частоты колебательных систем. На рис. 2.10 изображен колебательный контур, перестраиваемый с помощью варикапа. В этой схеме конденсатор С предотвращает замыкание напряжения смещения через индуктивность. Его емкость обычно значительно превышает емкость вариикапа - диода VD1. Поэтому резонансная частота контура определяется по формуле
Транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, имеющий три или более выводов, способный усиливать и генерировать колебания различных видов / 1 - 9/.
Биполярным транзистором называют транзистор, имеющий два близкорасположенных и взаимодействующих электронно-дырочных перехода.
Ток в таких транзисторах переносится двумя типами носителей – дырками и электронами.
Биполярные транзисторы подразделяются на две группы: 1) бездрейфовые биполярные транзисторы, в которых перенос носителей заряда от эмиттера к коллектору через базу осуществляется за счет градиента концентрации; 2) дрейфовые биполярные транзисторы, у которых в базе создается электрическое поле за счет неравномерного внесения примесей вдоль базы, ускоряющее перенос носителей заряда от эмиттера к коллектору.
Биполярные транзисторы классифицируются по обозначению. В соответствии с существующим государственным стандартом они обозначаются буквенно-цифровой кодовой группой. Первый элемент кодового обозначения – цифра или буква определяют материал полупроводника (1 (Г) – германий; 2 (К) – кремний; 3 (А) – арсенид галлия; 4 (И) – индий и его соединения). Второй элемент кодовой группы – буква обозначает тип транзистора (Т – биполярный транзистор; П – полевой транзистор). Третий элемент кодовой группы – цифра служит для определения мощности и диапазона рабочих частот транзистора. С четвертого по шестой элементы кодовой группы – цифры показывают номер разработки транзистора. Седьмой элемент кодовой группы – буква (от А до Я) определяет различие по параметрам группы приборов, выполненных по единой технологии.
Биполярным транзистором называют транзистор, имеющий два близкорасположенных и взаимодействующих электронно-дырочных перехода.
Ток в таких транзисторах переносится двумя типами носителей – дырками и электронами.
Биполярные транзисторы подразделяются на две группы: 1) бездрейфовые биполярные транзисторы, в которых перенос носителей заряда от эмиттера к коллектору через базу осуществляется за счет градиента концентрации; 2) дрейфовые биполярные транзисторы, у которых в базе создается электрическое поле за счет неравномерного внесения примесей вдоль базы, ускоряющее перенос носителей заряда от эмиттера к коллектору.
W
Iэ
Iк
Rн
Ек
Б
Iб
Еэ
eC
Э
К
Р
n
Рис. 3.1. Схема включения биполярного транзистора p-n-p типа
Р
Биполярные транзисторы классифицируются по обозначению. В соответствии с существующим государственным стандартом они обозначаются буквенно-цифровой кодовой группой. Первый элемент кодового обозначения – цифра или буква определяют материал полупроводника (1 (Г) – германий; 2 (К) – кремний; 3 (А) – арсенид галлия; 4 (И) – индий и его соединения). Второй элемент кодовой группы – буква обозначает тип транзистора (Т – биполярный транзистор; П – полевой транзистор). Третий элемент кодовой группы – цифра служит для определения мощности и диапазона рабочих частот транзистора. С четвертого по шестой элементы кодовой группы – цифры показывают номер разработки транзистора. Седьмой элемент кодовой группы – буква (от А до Я) определяет различие по параметрам группы приборов, выполненных по единой технологии. Биполярный транзистор состоит из пластинки монокристалла полупроводника, имеющий три области с чередующимся типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типов p-n-p и n-p-n. Физические процессы в обоих типах транзисторов одинаковы и отличаются они лишь полярностью источников питания и типом носителей, образующих ток через транзистор / 1 – 4 /.
Одну из крайних областей транзистора легируют примесями сильнее. Эта область работает, как правило, в режиме инжекции и называется эмиттером. Средняя область слабо легирована примесями и называется базой, а другая крайняя область – коллектором. Коллектор служит для экстракции носителей заряда из базовой области, поэтому по размерам он больше эмиттера. В биполярных транзисторах обычно выполняется условие: Nэ > Nк >> Nб; = (0,1 ÷ 0,3) L.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллектором и базой – коллекторным. В нормальном усилительном режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение, на коллекторный – обратное (на рис.1 приведена схема включения биполярного транзистора p-n-p типа). Носители заряда от эмиттера к коллектору через базу движутся несколько расходящимся пучком, поэтому площадь коллекторного перехода конструктивно выполняется больше площади эмиттерного перехода, чтобы обеспечить наилучшие условия передачи носителей заряда от эмиттера коллектору. Часть базы, которая непосредственно участвует в переходе носителей заряда от эмиттера к коллектору, получила название активной области базы, а часть базы, которая не участвует в передаче носителей заряда от эмиттера к коллектору, получила название пассивной области базы.
При подаче положительного напряжения на эмиттерный переход транзистора p-n-p высота потенциального барьера эмиттерного перехода понижается, и эмиттер будет инжектировать дырки в базу. Через прямосмещенный эмиттерный переход протекает ток эмиттера : где IЭО - дрейфовая составляющая тока, - диффузионная составляющая тока. Поскольку , то и . Диффузионный ток образуется дырками, инжектируемыми из эмиттера в базу и электронами, переходящими из базы в эмиттер. За счет градиента концентрации дырки диффундируют через область базы к коллектору. В транзисторе толщина базы значительно меньше диффузионной длины дырок , поэтому большая часть дырок достигнет коллекторного перехода. Так как на коллектор подается отрицательное напряжение, то потенциальный барьер возрастает и коллектор работает в режиме экстракции. Дырки, дошедшие до коллекторного перехода, увлекаются полем перехода и создают ток коллектора , величина которого пропорциональна эмиттерному току Iэ.
Дырочная составляющая эмиттерного тока Iэр протекает по цепи эмиттер-коллектор-нагрузка (рис.1), т.е. участвует в процессе усиления. Электронная же составляющая тока эмиттера Iэn замыкается в цепи эмиттер-база и не участвует в процессе усиления. Следовательно, эмиттер будет тем эффективнее, чем большая часть общего тока через него будет переноситься дырками.
При увеличении напряжения на коллекторе наблюдается эффект, который получил название "эффект Эрли" или "эффект модуляции ширины базы" - с ростом напряжения коллектора происходит расширение области объемного заряда коллекторного перехода и граница этой области приближается к эмиттерному переходу, т.е. база становится уже. При уменьшении толщины базы снижается вероятность рекомбинации, что при одинаковом токе эмиттера, эквивалентно уменьшению тока базы и некоторому увеличению тока коллектора (Ik=Ie-Ib).
Зависимость коэффициента передачи по току от напряжения на коллекторе
В общем случае влияние режима работы биполярного транзистора и температуры окружающей среды описываются функционалом: β = F [ Uкэ , Ik , TْC ]. Чтобы выяснить влияние напряжения на коллекторе на значение коэффициента передачи по току, необходимо принять значение Ik и TْC постоянными величинами. Тогда функционал преобразуется к виду:
β = F [ Uкэ]Ik , TْC=const. График зависимости β от напряжения на коллекторе представлен на рис.8.
Рис.8. Зависимость коэффициента передачи по току
от напряжения на коллекторе
Для пояснения графика рис.8 необходимо отметить что коэффициент β зависит от коэффициента передачи по току α в схеме включения с общей базой. А величина α в основном определяется коэффициентом переноса , характеризующим область базы:
; (9)
(10)
Где w – толщина базы, Lp – длина диффузии дырок в базе( для транзистора p-n-p типа ). В свою очередь толщина базы изменяется от величины напряжения на коллекторе вследствие эффекта модуляции толщины базы. В этом случае толщина базы записывается в виде:
, (11)
Где w0 – равновесная толщина базы при нулевом напряжении на коллекторе; lk0 – равновесная ширина перехода коллектор – база; - модуль напряжения на переходе коллектор м- база.
Из выражения (11) видно, что ширина коллекторного перехода от напряжения Uкб изменяется нелинейно, поэтому при малых изменениях модуля напряжения будет больше изменение толщины базы и зависимость рис. 8 этот факт учитывает участком АВ. При б`ольших напряжениях на коллекторе зависимость β на рис.1 имеет линейный характер ( участок ВС ). Например, для транзистора p-n-p типа имеем при Uкб1= -2 В α1=0,96, а при Uкб2= -30 В α1=0,98. Тогда, β124, а β2=48, то есть малым изменениям коэффициента α на участке ВС соответствует достаточно большие изменения коэффициента β. На участке СD зависимости рис.8 наблюдается лавинное размножение носителей заряда в коллекторном переходе, но этот режим входит в нерабочую область на выходных характеристиках биполярного транзистора и не используется в практических схемах.
Зависимость коэффициента передачи по току о тока коллектора
При этом функционал коэффициента передачи по току преобразуется к виду:
β=F[Ik] Uкэ, Т˚С=const, (12)
График зависимости β о тока коллектора представлен на рис.9.
Рис.9. Зависимость коэффициента передачи по току
от тока коллектора
При рассмотрении зависимости рис.9 необходимо учитывать, что Ik=α Iэ+Iko и выражение (10) записать в виде:
, (13)
Из теории работы биполярного транзистора следует, что ток эмиттера зависит от значения напряжения на переходе эмиттер – база Iэ=f(Uбэ) и определяется током диффузии дырок через базу
, (14)где е – заряд электрона; S – площадь перехода эмиттер – база; Dp – коэффициент диффузии дырок в базе; - градиент концентрации дырок в базе. Коэффициент диффузии связан с длиной диффузии соотношением:
, (15)где τ – время жизни носителей заряда.
При увеличении напряжения эмиттер – база растет избыточная концентрация дырок на границе перехода эмиттер – база, возрастает градиент концентрации и увеличивается скорость движения носителей заряда в базе, что уменьшает рекомбинационные потери в базе и ведет к росту коэффициента передачи по току. В этом случае коэффициент диффузии дырок в базе определяется соотношением:
, 16)где Dpo – коэффициент диффузии при малом уровне инжекции дырок из эмиттера в базу. Поэтому на участке АВ рис.9 изменяется уровень инжекции дырок из эмиттера в базу, растет коэффициент диффузии (16) и длина диффузии Lp (15), что ведет к росту коэффициента передачи по току и в точке В он принимает максимальное значение βmax. Существует оптимальное значение тока коллектора Iк опт, при котором достигается βmax. Для маломощных биполярных транзисторов Iк опт(13) мА, а для мощных транзисторов - Iк опт(3080) мА.
При увеличении тока коллектора более Iк опт начинает сказываться уменьшение эффективности эмиттера γ (13) из–за уменьшения удельного электрического сопротивления базы ρб, которое определяется:
(17)При малых значениях тока эмиттера (а равно и тока коллектора) дырочная составляющая электропроводности базы σбр имеет малое значение и ρб достаточно велико. При больших токах эмиттера, когда pn>> nn, увеличивается σбр и ρб уменьшается, а это приводит к уменьшению эффективности эмиттера γ, коэффициента α и в том числе коэффициента передачи по току биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером β ( участок ВС рис. 9 ). Изменение β на участке ВС рис.9 происходит достаточно плавно.
Зависимость коэффициента передачи по току от температуры окружающей среды
Для схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером: β=F[Т˚С] Uкэ, Ik =const. В этом случае β оценивается величиной α из соотношения (10) с учетом зависимости длины диффузии дырок Lp (15). В выражении (15) с ростом Т˚С возрастает несколько время жизни носителей заряда и график зависимости β от температуры окружающей среды имеет линейный характер (рис.10).
Рис.10. Зависимость коэффициента передачи по току
от температуры окружающей среды
Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока эмиттера от напряжения эмиттер-база при постоянном значении напряжения коллектор-база. Входные характеристики приведены на рис.3. Входная характеристика при ( зависимость 1, рис.3.3) аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Эта характеристика начинается из начала координат, при увеличении входного напряжения ток эмиттера экспоненциально увеличивается:
. (3.6)Однако при больших токах входные характеристики близки к линейным. Наклон линейного участка определяется в основном объемным сопротивлением базы .
При напряжении (зависимости 2, 3 рис.3) кривые смещаются вверх относительно начала координат и к оси токов. Смещение характеристик вверх относительно начала координат объясняется падением напряжения на объемном сопротивлении базы при протекании тока (рис.3.4).
Выходными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общей базой называются зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-база при постоянном токе эмиттера. Выходные характеристики приведены на рис.3.7.
Выходные характеристики в основном режиме работы биполярного транзистора в схеме включения с общей базой описываются соотношением:
. (3.9)
При токе эмиттера, равным нулю, зависимость представляет собой характеристику обратносмещенного p-n перехода /5/(зависимость 2, рис.3.7). В этом случае в цепи коллектора протекает ток , где - тепловой ток или ток насыщения; - ток термогенерации; - ток утечки.
Влияние температуры на выходные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общей базой можно пояснить следующим образом. При IЭ1 =0 (разрыв цепи эмиттера) исходная характеристика соответствует обратной ветви вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода:
. (3.11)
Данная зависимость представлена на рис. 3.9 сплошной линией при температуре T1=+20ºC.
Рис. 3.9. Влияние температуры на выходные характеристики биполярного
транзистора в схеме включения с общей базой при IЭ1 =0
( T1= +20 ºC, --------- T2= +50 ºC)
При увеличении температуры возрастет ток IК0. Ток IК0 так же как и обратный ток электронно-дырочного перехода (5), растет по экспоненциальному закону. На практике он примерно удваивается при изменении температуры на 10ºC (пунктирная линия на рис. 3.9 ).
2.1. Входные характеристики
Рис.3.Семейство входных характеристик.
Входными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером называются зависимости тока базы от напряжения база-эмиттер при постоянном значении напряжения коллектор-эмиттер. Входные характеристики формально записываются функциональным уравнением .
Выходными характеристиками биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером называются зависимости тока коллектора от напряжения коллектор-эмиттер при постоянном значении тока базы. Формально выходные характеристики биполярного транзистора в схеме включения с общим эмиттером записываются в виде функционального уравнения . Схема включения транзистора для снятия выходных характеристик соответствует рис.1.
Выходные характеристики транзистора в схеме включения с ОЭ (рис. 5) отличаются от выходных характеристик в схеме включения с ОБ , во-первых, тем, что первые оказываются сдвинутыми по оси напряжений вправо на величину напряжения , так как в схеме включения биполярного транзистора с ОЭ напряжение на коллекторном переходе становиться равным нулю при напряжении .
Во-вторых, выходные характеристики в схеме включения с ОЭ на рабочем участке идут более круто, так как при снятии этих характеристик поддерживается постоянным ток базы . Ток не изменяется при увеличении напряжения на коллекторе, а коэффициент при этом увеличивается. Следовательно, для поддержания тока постоянным значением необходимо несколько увеличить ток .
Таким образом, выходная характеристика в схеме с ОБ снимается при постоянном токе , а в схеме с ОЭ – при постепенно возрастающем токе .
Параметры транзистора устанавливают связь между переменными составляющими токов в выводах транзистора и переменными напряжениями на электродах в выбранной рабочей точке.
При работе транзистора с сигналами малых амплитуд транзистор можно представить активным линейным четырехполюсником. Параметры четырехполюсника измеряются на переменном токе и являются дифференциальными. Наибольшее применение нашла смешанная система
H - параметров. В этой системе параметры измеряются в режиме холостого хода на входе и в режиме короткого замыкания на выходе (по переменному току), т. е. в режимах, которые легко осуществить на практике. Независимыми переменными в этой системе являются ток на входе и напряжение на выходе , а функциями – напряжение на входе и ток на выходе . Система уравнений четырехполюсника имеет вид
(12)
Параметры H11 и H21 измеряются в режиме короткого замыкания на выходе, а H12 и H22 измеряются в режиме холостого хода на входе. Для схемы включения с ОБ входной ток , а выходной ток ; входное напряжение и выходное напряжение , тогда
(13)
- входное сопротивление, определяемое как отношение изменения напряжения эмиттер – база к изменению тока эмиттера при постоянном значении напряжения коллектор – база (не равном нулю);
(14)
- коэффициент обратной связи по напряжению, который определяется отношением изменения напряжения эмиттер – база к изменению напряжения коллектор – база при постоянном токе эмиттера;
(15)
- коэффициент передачи по току, который определяется как отношение изменения тока коллектора к изменению тока эмиттера при постоянном значении напряжения коллектор – база;
(16)
- выходная проводимость, определяемая отношением изменения тока коллектора к изменению напряжения коллектор – база при постоянном токе эмиттера.
H-параметры могут быть измерены на малом сигнале в рабочей точке с помощью специальных приборов либо определены:
а) методом двух отсчетов при снятии входных и выходных характеристик транзистора в лаборатории;
IЭ
UЭб
Uкб2
Uкб1
IЭ2
IЭ1
UЭб1
UЭб2
Uкб
Iк
Iэ2
Iэ1
Uкб2
Uкб1
Iк3
Iк1
Iк2
Рис.11. Определение Hб - параметров
б) графически по семейству входных и выходных характеристик, как показано на рис.11.
, (17)
, (18)
, (19)
. (20)