1. ЭДП при отсутствии напряжения

В результате того, что носители заряда в каждом ПП совершают беспорядочно тепловое движение, то происходит их диффузия из одного ПП в другой. Как и при любой другой диффузии, например, в газах или жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их кон- центрация больше, туда, где их концентрация меньше. Т.о. из n-типа в ПП р-типа диффун- дируют электроны, а в обратном направлении из ПП р-типа в n-типа диффундируют дырки. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух ПП с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n воз- никает объемный положительный заряд. Он образован главным образом положительно за- ряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени – пришедшими в эту об- ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, об- разованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, при- шедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная раз- ность потенциалов U_k = U_n – U_p, а следовательно, и электрическое поле с напряженностью Е_к, т.е. в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно со- ставляет десятые доли вольта. Причем, чем больше концентрация примесей, тем выше кон- центрация основных носителей и тем больше их число диффундирует через границу. Плот- ность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов U_к, т.е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода d (рис.1) уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

Рис.1 – Структурная схема и потенциальная диаграм-

ма n-р перехода

Одновременно с диффузионным перемещением ос-

новных носителей через границу происходит и обрат-

ное перемещение носителей под действием электриче-

ского поля контактной разности потенциалов. Это по-

ле перемещает дырки из n-области обратно в р-

область и электроны из р-области обратно в n-область

(дрейф). При постоянной температуре р-n-переход на-

ходится в состоянии динамического равновесия. Каж-

дую секунду через границу в противоположных на-

правлениях диффундирует определенное число элек-

тронов и дырок, а под действием поля столько же их

дрейфует в обратном направлении. Перемещение но-

сителей за счет диффузии – это диффузионный ток (I_диф), а движение носителей под дейст-

вием поля – ток дрейфа (I_др). В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии

перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через

переход равен 0.

В р-n-переходе концентрация электронов и дырок плавно меняется от минимального значе-

ния к максимальному. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой

концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Соответственно и удельная элек-

трическая проводимость р-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях

областей n и р. Таким образом, в р-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и

обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объек-

тов n- и р- ПП.

1

2. ЭДП при прямом напряжении

Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется элек- тронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несиммет- ричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Напряжение на ЭДП, у которого полярность совпадает с полярностью основных носите- лей, называется прямым.

Рис.2.2. ЭДП при прямом переходе.

Электрическое поле создаваемое прямым напря-

жением действует навстречу полю контактной

разности потенциалов. Результирующее поле ста-

новиться слабее, и разность потенциалов в пере-

ходе уменьшается, т.е. высота потенциального

барьера понижается, возрастает диффузионный

ток, так как большее число носителей может пре-

одолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при

этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным

образом от числа не основных носителей, попа-

дающих за счет своих тепловых скоростей на p-

n—переход из n- и р- областей. Напряжение на

переходе можно считать равным U_к - U_пр.

При прямом напряжении i_диф>i_др и поэтому полный ток через переход, т.е. прямой ток,

уже не равен 0: i_пр=i_диф-i_др>0

Если барьер значительно понижен, то тогда i_диф>>i_др и можно считать, что i_пр=i_диф, т.е.

прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения по-

тенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется ин-

жекцией носителей заряда. Область ППП, из которой инжектируются носители, называется

эмиттером. А область, в которой инжектируются не основные для этой области носители

заряда, называется базой. Т.о. если рассматривать инжекцию электронов, то n-область явля-

ется эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-

область, а базой - n-область.

Обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р- облас-

тях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентра-

цией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называются

―эмиттер‖ и ―база‖. Например, если nn>pp, то инжекция электронов из n-области в р-

область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном слу-

чае эмиттером считают n-область, а базой р-область, т.е. инжекцией дырок можно пренеб-

речь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также умень-

шается толщина запирающего слоя (d_пр<d) и его сопротивление в прямом направлении ста-

новиться малым (единицы- десятки Ом).

Поскольку высота потенциального барьера U_к при отсутствии внешнего напряжения со-

ставляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и

уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к p-n переходу такое

же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно полу-

чить при очень небольшом прямом напряжении.

2

3. ЭДП при обратном напряжении

Рис.2.3. ЭДП при обратном напряжении.

Область на границе двух ПП с различными типами

электропроводности называется электронно-дырочным

или p-n переходом. Электронно-дырочный переход об-

ладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет не-

линейное сопротивление. Работа большинства ППП

основана на использовании свойств одного или не-

скольких p-n переходов.

Под действием обратного напряжения U_обр через пе-

реход протекает очень небольшой обратный ток i_обр,

что объясняется следующим образом. Поле, создавае-

мое обратным напряжением, складывается с полем

контактной разности потенциалов. Результирующее

поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна U_к+U_обр. Уже при не-

большом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через пере-

ход прекращается, т.е. i_диф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для пре-

одоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он опреде-

ляется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и

р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электриче-

ским полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда.

Т.о. обратный ток i_обр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением не-

основных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носите-

лей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении

очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становить-

ся сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из по-

граничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения

увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя

(d_обр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно

возрастает, т.е. R_обр>>R_пр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обрат-

ный ток становиться практически постоянным.

3

4. П/п диоды. Типы, назначение, характеристики

Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный пере- ход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению:



I = I ( ^е

0





qU _

^{kT }-1),





где I₀ - ток насыщения, q = 1,6·10^-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1,38·10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана

Рис.4.1. Вольтамперная характеристика диода.

При комнатной температуре величина U_т=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потен- циал и зависит только от температуры), следователь- но, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагае- мым е^{(-U / 0.025)} можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I₀ не завися- щим от напряжения. При положительном (т.е. пря-

мом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e^{( U / 0.025)} и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспо- ненте.

ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений об- ратного напряжения, близких к U_обр.max. При дальнейшем увеличении U_обр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает.

Различают два вида пробоя:

а) электрический (обратимый); б) тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя.

Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной иони-

зации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот про-

бой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно ма-

лой концентрации примесей в полупроводниках. (U_обр=(10…100) В).

Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего

состоит в том, что при поле напряженностью 10⁵ В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой кон- центрации примесей (U_пр=1В).

При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого

являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от но-

сителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n пе-

рехода и может составлять от единиц до сотен пФ.

При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузион-

ной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через по-

ниженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффу-

зионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она за-

шунтирована малым прямым сопротивлением диода.

4

2.4.1. Классификация диодов.

1. По конструктивно- технологическим признакам диоды подразделяют: а) точечные и плоскостные; б) сплавные и диффузионные.

2. По функциональному назначению и принципу образования p-n перехода:

а) выпрямительные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные; д) импульсные;

е) диоды Шотки; ж) фотодиоды; з) светодиоды, и т.д.

3. По мощности:

а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощно-

сти (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А).

В ыпр ям и те л ь н ые ди оды.

Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов при-

меняются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды.

Им пул ьс ные д и оды.

Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды.

Ди од ы Ш от к и.

Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происхо- дит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обла-

дают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.

Стаб ил и тр оны.

Стабилитроны - полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором на- пряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стаби- лизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабили-

трона такая же, как у обычных диодов.

Рис.4.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона.

Стаб ис т оры.

ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которо- го в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов - отрица- тельный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термоком- пенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычны-

ми стабилитронами, имеющими положительный ТКН.

В ари кап ы.

Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляе- мые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n

перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.

Т унне л ьн ые ди од ы.

Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно со- ответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной

5

зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготав- ливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.

Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума I_min (или со- отношение I_max/I_min);напряжение максимума

U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность U = U3 – U1 называется на- пряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах состав- ляют единицы миллиампер. Напряжения – де- сятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.

Обра ще нн ые д и од ы.

Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потен- циального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещен-

ной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обыч- ный выпрямительный диод, а при обратном - как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные дио- ды.

6

5. Биполярные транзисторы. Типы, назначение, хар-ки.

Представляют собой ППП, пригодные для усиления мощности, имеющие 3 или более вы- водов. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-n переходами, называемые бипо- лярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. По сво- им структурным признакам биполярные транзисторы делятся на два основных типа: n-p-n и p-n-p .

Рис.5.1. Структура и УГО биполяр- ных транзисторов.

Средняя область транзистора называ- ется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Та-

ким образом, в транзисторе имеются 2 p-n перехода: эмиттерный (между эмиттером и ба- зой) и коллекторный (между базой и коллектором). Транзистор может работать в трех ре- жимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эммитерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих пе- реходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения.

Транзисторы классифицируются:

1. )По мощности: на малой мощности (Р до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт),

и большой мощности (свыше 1,5Вт).

2. )По предельной рабочей частоте: низкой частоты (менее 3МГц), средней частоты (3 -

30МГц), высокой частоты (свыше 30МГц).

1. Характеристики и параметры биполярных транзисторов.

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в вы- ходной цепи. В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины: i₁, i₂, u₁, u₂- входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость пока- зать нельзя. Необходимо, как минимум, два. Наиболее удобно рассматривать семейство входных характеристик i₁=f(u₁) вместе с семейством выходных характеристик i₂=f(u₂).

Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характери- стик.Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому, они аналогичны характеристике для прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике для обратного тока диода, т.к. оно ото- бражают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой

семейство кривых i_б=f(u_бэ) при постоянных выходных напряжениях (u_кэ=const). Характери-

стика при u_кэ=0 идет из начала координат, так как,

если все напряжения равны нулю, нет никакого тока.

При u_кэ>0 характеристика сдвигается вправо, ток ба-

зы уменьшается и при малых u_бэ становится отрица-

тельным.

Рис.5.7. Входные характеристики БТ, включенного

по схеме ОЭ.

Изменение u_кэ мало влияет на ток базы. Входные ха- рактеристики при разных значениях u_кэ расположены

7

очень близко друг к другу. В справочниках поэтому, обычно, приводится лишь одна вход- ная характеристика для рекомендованного значения u_кэ.

Семейство выходных характеристик представляет зависимость i_к=f(u_к) при постоянных токах базы.

Рис.5.8. Выходные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ.

Первая характеристика i_б=0 напоминает обычную ха- рактеристику для обратного тока ПП диода. Условие i_б=0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору прохо- дит сквозной ток i_кэ0.

Если i_б>0, то выходная характеристика расположена

выше, и тем выше, чем больше ток базы. Увеличение

тока базы означает, что за счет повышения напряжения u_бэ соответственно увеличился ток

эмиттера, частью которого является ток базы. Следовательно, пропорционально возрастает

и ток коллектора.

8