- •Твердотільна електроніка
- •Передмова
- •1 Елементи фізики напівпровідників та електронно-діркових переходів
- •1.1 Загальні відомості про напівпровідники
- •1.1.1 Власна електропровідність напівпровідників
- •1.1.2 Електронна провідність напівпровідників
- •1.1.3 Діркова провідність напівпровідників
- •1.1.4 Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя
- •1.1.5 Види струмів у напівпровідниках
- •1.2 Електронно - дірковий перехід та фізичні процеси в ньому
- •Пряме включення переходу
- •Зворотне включення переходу
- •1.2.4 Теоретична вольт-амперна характеристика
- •1.2.5 Параметри переходу
- •Товщина переходу
- •Ємності переходу
- •1.2.6 Реальна вах переходу
- •Пряма гілка вах
- •Зворотна гілка вах
- •1.3 Різновиди електричних переходів та контактів
- •1.3.1 Гетеропереходи
- •1.3.4 Контакти металу з напівпровідниками
- •1.3.5 Омічні контакти
- •2 Напівпровідникові діоди
- •2.1 Класифікація та система позначень діодів
- •2.2 Випрямні діоди
- •Параметри випрямних діодів
- •2.3 Напівпровідникові стабілітрони
- •2.4 Універсальні діоди
- •2.5 Імпульсні діоди та перехідні процеси в них
- •2.6 Тунельні та обернені діоди
- •2.7 Варикапи
- •2.8 Діоди Шотткі
- •3 Біполярні транзистори
- •3.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів
- •3.1.1 Загальні відомості про біполярні транзистори
- •Класифікація транзисторів
- •Система позначень бт
- •Будова сплавних транзисторів
- •3.1.2 Способи вмикання й режими роботи біполярних транзисторів
- •3.1.3 Принцип дії біполярного транзистора в активному режимі
- •3.1.4 Вплив конструкції та режиму роботи транзистора на h21б
- •3.1.5 Схема вмикання транзистора зі спільним емітером та спільним колектором
- •3.1.6 Модель Еберса-Молла
- •3.2 Статичні характеристики і параметри біполярних транзисторів
- •3.2.1 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільною базою
- •Вхідні характеристики
- •Вихідні характеристики
- •Характеристики прямої передачі
- •Характеристики зворотного зв’язку
- •3.2.2 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним емітером
- •Вхідні характеристики
- •Вихідні характеристики
- •Характеристики прямої передачі
- •Характеристики зворотного зв’язку
- •3.2.3 Статичні характеристики біполярного транзистора у схемі зі спільним коллектором
- •3.2.4 Вплив температури на статичні характеристики транзисторів
- •3.2.5 Граничні режими транзистора
- •Пробої транзистора
- •Максимально допустима потужність, що розсіюється колектором
- •3.2.6 Диференціальні параметри біполярного транзистора
- •Зв'язок між h-параметрами для різних схем увімкнення бт
- •3.2.7 Фізичні параметри та еквівалентні схеми біполярних транзисторів
- •3.3 Робота біполярного транзистора у динамічному режимі
- •3.3.1 Принцип дії підсилювального каскаду на біполярному транзисторі
- •3.3.2 Способи забезпечення режиму спокою транзисторного каскаду
- •Емітерному колі
- •Оцінка транзисторних каскадів з точки зору температурної нестабільності
- •3.3.3 Динамічні характеристики біполярного транзистора та їх використання
- •Вихідна навантажувальна характеристика
- •Вхідна навантажувальна характеристика
- •Параметри режиму підсилення та їх розрахунок за динамічними характеристиками транзисторного каскаду
- •3.3.4 Частотні властивості біполярних транзисторів
- •Вплив ємностей переходів і розподіленого опору бази на частотні властивості транзистора
- •3.3.5 Робота біполярного транзистора у ключовому режимі
- •3.4 Деякі різновиди біполярних транзисторів
- •3.4.1 Одноперехідний транзистор
- •3.4.2 Високочастотні малопотужні транзистори
- •3.4.3 Потужні транзистори
- •4 Польові транзистори
- •4.1 Польові транзистори з керувальним переходом
- •Статичні вхідні характеристики
- •Статичні прохідні (стокозатворні) характеристики
- •Статичні вихідні (стокові) характеристики
- •Диференціальні параметри польових транзисторів
- •4.2 Польові транзистори з ізольованим затвором (мдн - транзистори)
- •4.2.1 Ефект поля
- •4.3 Залежність характеристик і параметрів польових транзисторів від температури
- •4.4 Динамічний режим роботи польових транзисторів
- •4.4.1 Каскад на польовому транзисторі: розрахунок у статиці та динаміці
- •4.4.2 Частотні властивості польових транзисторів
- •4.5 Потужні польові транзистори
- •Потужні мдн – транзистори
- •Транзистори зі статичною індукцією
- •4.6 Польові прилади із зарядовим зв’язком
- •5 Тиристори
- •5.1 Будова, принцип дії та режими роботи тиристора
- •5.1.1 Загальні відомості
- •5.1.2 Диністорний режим
- •5.1.3 Триністорний режим
- •5.1.4 Симістори
- •5.2 Способи комутації тиристорів
- •5.2.1 Увімкнення тиристорів
- •Увімкнення за допомогою струму керування
- •Увімкнення тиристора за допомогою імпульсу анодної напруги
- •5.2.2 Вимкнення тиристорів
- •Вимкнення за допомогою подачі напруги на керувальний електрод (за допомогою струму керування)
- •5.3 Біполярні транзистори з ізольованим затвором
- •6 Оптоелектронні напівпровідникові прилади
- •6.1 Загальні відомості
- •6.2 Випромінювальні діоди
- •6.3 Напівпровідникові фотоприймачі
- •6.3.1 Фоторезистори
- •6.3.2 Фотодіоди
- •6.3.3 Фотоприймачі з внутрішнім підсиленням
- •6.4 Оптрони та їх застосування
- •7 Основи мікроелектроніки
- •7.1 Основні поняття і визначення
- •Історична довідка
- •7.2 Гібридні інтегральні схеми
- •7.3 Напівпровідникові інтегральні схеми
- •7.3.1 Технологія
- •Планарно-дифузійна технологія виготовлення біполярних напівпровідникових інтегральних схем
- •7.3.2 Технологія виготовлення інтегральних
- •Ізоляція
- •7.3.3 Біполярні транзистори
- •Багатоемітерні транзистори
- •Супербета - транзистори
- •Біполярні транзистори з бар'єром Шотткі
- •7.3.4 Мон (мдн)- транзистори
- •7.3.6 Резистори
- •7.3.7 Конденсатори
- •7.4 Інтегральні схеми з інжекційним живленням
- •Позначення основних величин
- •Список літератури
- •1.1.4 Рекомбінація носіїв заряду та тривалість їх життя 11
- •1.2.4 Теоретична вольт-амперна характеристика p-nпереходу 28
- •1.2.5 Параметри переходу 30
- •3 Біполярні транзистори 69
- •3.1 Будова та принцип дії біполярних транзисторів 69
- •3.1.1 Загальні відомості про біполярні транзистори 69
- •6 Оптоелектронні напівпровідникові
- •Твердотільна електронікА
2.6 Тунельні та обернені діоди
Тунельними називаються діоди, які мають на прямій гільці своєї ВАХ ділянку з негативним диференціальним опором унаслідок тунельного ефекту.
Тунельний ефект полягає у тунельному проникненні електрона через перехід, тобто такому проникненні, коли електрон з ВЗ однієї області прямо потрапляє до ЗП іншої області. Це стає можливим, якщо товщина переходу дуже мала (менша 150 Å) і якщо енергетичним рівням, заповненим електронами в одній області, відповідають такі ж вільні дозволені енергетичні рівні в сусідній області. Ці умови здійснюються в переходах з НП, які мають високу концентрацію домішок (). Товщина переходів у цьому випадку має порядок см, що зумовлює високу напруженість електричного поля переходу і забезпечує ймовірність тунельного ефекту. У таких НП атоми домішок внаслідок малої відстані взаємодіють між собою, їх рівні розщеплюються в зони, які прилягають у НП р-типу до ВЗ, а в НП n-типу до ЗП. Такі напівпровідники називають виродженими, оскільки в них рівні Фермі розміщені в ЗП n-області і в ВЗ р-області.
Вигляд ВАХ тунельного діода можна пояснити за допомогою енергетичних діаграм (рис. 2.9). На діаграмах рівні ВЗ та ЗП напівпровідників, що заповнені електронами, заштриховані.
При зовнішній напрузі (рис. 2.9 а) рівень Фермі всієї системи однаковий (). Напроти зайнятих електронами рівнівр-області розміщуються зайняті рівні n-області. Тунельний перехід електронів неможливий, струм дорівнює нулю.
Під дією прямої напруги рівні Фермі зміщуються на величину(рис. 2.9 б), і напроти частини енергетичних рівнів, зайнятих електронами вn-області (подвійне штрихування), опиняться вільні рівні в р-області. Внаслідок цього відбувається тунельний перехід електронів з n-області до р-області і протікає прямий тунельний струм, величина якого пропорційна площі перекриття вільних енергетичних рівнів ВЗ р-області й заповнених енергетичних рівнів ЗП n-області. Тунельний струм зростатиме доти, поки перекриття не стане максимальним (рис. 2.9 в). Подальше зростання прямої напруги зменшує площу перекриття відповідних рівнів, і тунельний струм зменшується (рис. 2.9 г). При певній прямій напрузі зайняті електронами енергетичні рівні ЗП n-області стануть напроти енергетичних рівнів ЗЗ р-області. Тунельний перехід електронів у цьому випадку стане неможливим, і тунельний струм припиниться. У той самий час при прямих напругах у діоді відбувається, як правило, інжекція носіїв, що зумовлює протікання через нього дифузійного струму (рис. 2.9 д, е), який при напрузі стає більшим, ніж тунельний струм.
Якщо діод включити у зворотному напрямі, то рівні Фермі зміщуються так, як показано на рис. 2.9 ж, і з’являється можливість тунельного переходу електронів із заповнених рівнів ВЗ р-області на вільні рівні ЗП n-області. Це приводить до протікання через діод великого зворотного тунельного струму.
Рисунок 2.9 – ВАХ тунельного діода та її утворення
переходи тунельних діодів одержують здебільшого способом сплавлення з германію, арсеніду галію та антимоніду галію. Оскільки для виготовлення таких діодів використовують вироджені НП, які за характером провідності наближаються до металів, то робоча температура приладів досягає 400С.
Недоліком тунельних діодів є мала потужність із причини низьких робочих напруг (десяті частки вольта) і малих площ переходу.
За своїм призначенням тунельні діоди поділяють на підсилювальні (третій елемент позначення – 1), генераторні (2) та перемикальні (3).
Приклади позначення тунельних діодів:
АИ201Г – діод тунельний генераторний, широкого використання, з арсеніду галію, номер розробки 01, група Г.
ЗИ306Е – діод тунельний перемикальний, спеціального призначення, з арсеніду галію, номер розробки 06, група Е.
Тунельні діоди дозволяють будувати підсилювачі, генератори, змішувачі у діапазоні хвиль аж до міліметрових. На тунельних діодах створюють і різноманітні імпульсні пристрої: тригери, мультивібратори з дуже малим часом перемикання.
Частковим випадком тунельних діодів є обернені діоди, у яких внаслідок тунельного ефекту провідність при зворотних напругах значно більша, ніж при прямих. переходи обернених діодів створюються напівпровідниками, що мають дещо меншу концентрацію домішок, і тому рівні Фермі збігаються з краями ЗП і ВЗ (рис. 2.10 а). При вмиканні таких діодів у зворотному напрямі тунельні електрони з ВЗ р-області переходять на вільні рівні ЗП n-області, і через перехід тече великий зворотний струм. При прямому вмиканні діодів перекриття зон не здійснюється, тунельний ефект не відбувається, і прямий струм визначається лише дифузійним струмом. ВАХ оберненого діода показана на рисунку 2.10 б. Саме її форма дала назву цим діодам.
Третій елемент їх позначення – цифра 4. Мала інерційність унаслідок тунельного ефекту і велика крутизна характеристики зумовлюють використання обернених діодів у детекторах і змішувачах діапазону надвисоких частот.
а)
б)
Рисунок 2.10 – Енергетична діаграма (а)
та ВАХ (б) оберненого діода