Шпоры по ЭСА

2.1ЭДП при отсутствии напряжения

Врезультате 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 концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Т.о. из n-типа в ПП р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из ПП р-типа в n-типа диффундируют дырки.

Врезультате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух ПП с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает объемный положительный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени – пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная раз-

ность потенциалов Uk = Un – Up, а следовательно, и электрическое поле с напряженностью Ек, т.е. в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Причем, чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем больше их число диффундирует через границу. Плот-

ность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов Uк, 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 диаграмма n-р перехода

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле 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 находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении. Перемещение но-

сителей за счет диффузии – это диффузионный ток (Iдиф), а движение носителей под действием поля – ток дрейфа (Iдр). 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 значения к максимальному. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Соответственно и удельная электрическая 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 объектов n- и р- ПП.

1

2.2 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 несимметричной 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 носителей, называется прямым.

Рис.2.2. ЭДП при прямом переходе.

При прямом напряжении iдиф>iдр

уже не равен 0: iпр=iдиф-iдр>0

Если барьер значительно понижен, то тогда iдиф>>iдр и можно считать, что iпр=iдиф, т.е. прямой ток в переходе является чисто диффузионным.

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется инжекцией 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 является 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- областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентрацией 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 случае эмиттером считают n-область, а базой р-область, т.е. инжекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (dпр<d) и его сопротивление в прямом направлении становиться малым (единицыдесятки Ом).

Поскольку высота потенциального барьера Uк при отсутствии внешнего напряжения составляет 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 получить при очень небольшом прямом напряжении.

2

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 обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП

основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.

Под действием обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее

поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна Uк+Uобр. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т.е. iдиф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда. Т.о. обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носителей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становиться сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (dобр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. Rобр>>Rпр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становиться практически постоянным.

3

2.4 П/п диоды. Типы, назначение, характеристики

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

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 Uт=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потенциал и зависит только от температуры), следовательно, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагаемым е можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I0 не зависящим 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 экспоненте.

ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений обратного напряжения, близких к Uобр.max. При дальнейшем увеличении Uобр 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 ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. (Uобр=(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 концентрации примесей (Uпр=1В).

При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от носителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n перехода и может составлять от единиц до сотен пФ.

При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузионной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением диода.

4

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

Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или соотношение Imax/Imin);напряжение максимума

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

Обращенные диоды.

Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потенциального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещенной 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 диоды.

6

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

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

и p-n-p .

Рис.5.1. Структура и УГО биполярных транзисторов.

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

ким образом, в транзисторе имеются 2 p-n перехода: эмиттерный (между эмиттером и базой) и коллекторный (между базой и коллектором). Транзистор может работать в трех режимах 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 переходах 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).

2.5.1. Характеристики и параметры биполярных транзисторов.

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в выходной цепи. В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины: i1, i2, u1, u2- входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость показать 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 характеристик.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 отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.

Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой семейство кривых iб=f(uбэ) при постоянных выходных напряжениях (uкэ=const). Характери-

стика при uкэ=0 идет из начала координат, так как, если все напряжения равны нулю, нет никакого тока. При uкэ>0 характеристика сдвигается вправо, ток базы уменьшается и при малых uбэ становится отрицательным.

Рис.5.7. Входные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ.

Изменение uкэ мало влияет на ток базы. Входные характеристики при разных значениях uкэ расположены

7

очень близко друг к другу. В справочниках поэтому, обычно, приводится лишь одна входная характеристика для рекомендованного значения uкэ.

Семейство выходных характеристик представляет зависимость iк=f(uк) при постоянных токах базы.

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

Первая характеристика iб=0 напоминает обычную характеристику для обратного тока ПП диода. Условие iб=0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору проходит сквозной ток iкэ0.

Если iб>0, то выходная характеристика расположена выше, и тем выше, чем больше ток базы. Увеличение

тока базы означает, что за счет повышения напряжения uбэ соответственно увеличился ток эмиттера, частью которого является ток базы. Следовательно, пропорционально возрастает и ток коллектора.

8

2.6Полевые транзисторы.

Вотличие от биполярных транзисторов называются еще канальными или униполярными. Главное достоинство транзисторов - высокое выходное сопротивление, которое может быть таким же, как у электронных ламп, и даже больше.

Рис.6.1. Структурная схема и УГО транзисторов. Принцип действия: при изменении входного напряжения

изменяется обратное напряжение на р-n переходе, и от этого изменяется толщина запирающего (обедненного) слоя (штриховая линия). Соответственно этому изменяется площадь поперечного сечения области, через которую проходит поток основных носителей заряда, т.е. выходной ток. Эта область называется каналом.

Электрод, из которого в канал вытекают основные носители заряда, называют истоком (И). Из канала носители переходят к электроду, который называется стоком (С). Исток и сток аналогичны катоду и аноду электронной лампы.

Управляемый электрод, предназначенный для регулирования площади поперечного сечения канала, называется затвором (З). Если увеличивать напряжение затвора Uзи, то запирающий слой p-n перехода становиться толще и площадь поперечного сечения канала уменьшается. Следовательно, его сопротивление постоянному току R0 возрастает и ток стока iс становиться меньше. При некотором запирающем напряжении Uзи.зап. площадь поперечного сечения канала станет равной 0 и ток iс станет очень малым. Транзистор запирается. А при Uзи=0 сечение канала наибольшее, сопротивление R0 наименьшее (около сотен Ом) и ток iс получается наибольшим. Характеристики и параметры ПТ. Управляющее действие затвора наглядно иллюстрируют управляющие (стыкозатворные) характеристики, выражающие зависимость ic=f(Uзи) при Uсм=const. Однако эти характеристики неудобны для расчетов и поэтому на практике пользуются выходными характеристиками.

Рис.6.2. Управляющие характеристики полевого транзистора. Вы-

ходные (стоковые) характеристики полевого транзистора представляют собой зависимость iс=(Uси) при Uзи=const.

Рис.6.3. Выходные характеристики полевого транзистора.

Они показывают, что с увеличением Uси ток iс сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем

прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее на-

сыщение. Это объясняется тем, что при повышении Uси ток должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается вблизи стока, т.е. его сопротивление возрастает и за счет этого ток iс должен уменьшаться. При подаче большого по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток iс уменьшается, и характеристика проходит ниже. Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристики, т.е. в области, которая часто не совсем удачно называется областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, называется напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора - напряжением отсечки. Так же как и у биполярных транзисторов существует три схемы включения ПТ с общим истоком (ОИ) (аналогичноОЭ), общим стоком (ОС)(аналогично ОК), и общим затвором (ОБ).

9

2.7 Тиристор. Типы, назначение, хар-ки.

Тиристоры являются переключающими приборами. Рис.7.1. Структура диодного тиристора (динистора).

Как видно, он имеет три p-n перехода, причем два из них (П1 и П3) работают в прямом направлении, а средний переход П2 - в обратном направлении.

Крайнюю область р называют анодом, а крайнюю область n - катодом. Тиристор можно представить в виде эквивалентной схемы (модели), состоящей

из двух транзисторов Т1 и Т2 типа n-p-n и p-n-p, соединенных, как показано на рисунке. Получается, что переходы П1 и П3 являются эмиттерными переходами этих транзисторов, а переход П2 работает в обоих транзисторах в качестве коллекторного перехода. Через переходы П1 и П3 работающие в прямом направлении, в области, примыкающей к переходу П2, инжектируются неосновные носители заряда, которые уменьшают сопротивление перехода

П2.

Рис.7.2. ВАХ тиристора.

ВАХ тиристора показывает, что происходит в тиристоре при повышении приложенного напряжения. Сначала ток невелик и растет медленно, что соответствует участку ОА ВАХ. В этом режиме тиристор можно считать закрытым (―запертым‖). Около т. А при некотором напряжении, называемом напряжением включения Uвкл , влияние обоих процессов уравновешивается, а затем ничтожно

малое повышение напряжения создает перевес второго процесса и сопротивление перехода П2 начинает уменьшаться. Тогда возникает лавинообразный процесс быстрого отпирания тиристора. Этот процесс объясняется следующим образом. Ток резко скачком возрастает (участок АБ ВАХ), в результате устанавливается большой ток при малом напряжении (БВ). Ток в этом режиме, когда прибор открыт (―отперт‖), определяется главным образом сопротивлением нагрузки Rн, включенной последовательно. За счет возникшего большого тока все напряжения источника питания падает на нагрузке Rн. Диодный тиристор характеризуется максимальным допустимым значением прямого тока Imax, при котором на приборе бу-

дет небольшое напряжение Uоткр. Если уменьшать ток, то при некотором его значении, называемом удерживающим токам Iуд, ток резко уменьшается, а напряжение резко повышает-

ся, т.е. прибор переходит скачком обратно в закрытое состояние. При обратном напряжении на тиристоре характеристика получается такой же, как для обратного тока обычных диодов. Время включения тиристоров обычно не более единиц микросекунд, а время выключения, связанное с рекомбинацией носителей, доходит до десятков микросекунд. Поэтому тиристоры могут работать только на сравнительно низких частотах. Разработаны также симметричные тиристоры или симисторы, имеющие структуры n-p-n-p-n или p-n-p-n-p, которые отпираются при любой полярности напряжения и проводят ток в оба направления, и заменяет собой цепь из двух обычных тиристоров, включенных встречно-параллельно, их ВАХ одинакова в I и III квадрантах. Динистор – тиристор без управляющего электрода. Он аналогичен обычному тиристору, у которого не подается сигнал на управляющий электрод. Для включения динистора к нему необходимо приложить напряжение Uвкл. При приложении обратного напряжения динистор всегда заперт.

10