4.9. Пробій p-n переходу. Стабілітрони, їх характеристики та параметри

В зависим. от хар-ра физ. процессов, обусл. резкое возрастание обратного тока, разл. 4 осн. типа пробоя: туннельный, лавинный, тепловой и поверх­ностный.

Тепловой пробой. (3) При протек. обратн. тока в р-n переходе выдел. теплота и его темп. повышается. Увел. темп. опред. кач. теплоотвода, характери­зуемым тепловым сопротивл. Это сопротивл. = приросту темп. перехода в расчете на единичную мощ­н. W, выдел. в нем. Увел. темп. вызыв. увеличение обратного тока, что приводит к новому росту темп и обратного тока. При опред. мощн. W, тем большей, чем меньше тепловое сопротивл. прибора, ток нач. нарастать лавинно и наступает тепловой пробой р-п перехода. При тепловом пробое на ВАХ мо­жет набл. участок отрица­т. дифференц. сопро­тивл., когда рост тока сопровож­дается уменьш. напр. на диоде

Лавинный пробой. (1)В достаточно широких р-n переходах при выс. обратных напр. неосн. носители могут приобретать в поле перехода настолько большую кин. энергию, что оказыв. способными вызывать ударную ионизацию п/п. Про­цесс этот схематически представлен на рис. Электрон 1 теряет энергию, оставаясь в прежней энергетической зоне. Эту энергию он передает электрону 2 валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая таким образом новую электронно-дырочную пару. В этом случае может происходить лавинное нарастание обратного тока, приводящее к лавинному пробою перехода.

Таким образом, вместо одного электрона, вошедшего в р-n переход, из него выходит много электронов и дырок — обратный ток резко растет. В области пробоя изменение обратного тока с ростом напр. явл. очень крутым (кривая 3 на рис. 11.13). Этот эф. исп. для стабил. напр. Диоды, предназначенные для работы в таком режиме, наз. стабилитронами.

Туннельный пробой. (2) При приложении к р-n переходу достаточно высокого обратного смещения заполнен. уровни валентной зоны р-области п/п распол. против незаполнен. уровней зоны проводим. В этом случае возможен прямой тун. переход эл-нов из валентной зоны р-области в зону проводимости, просачивающ. сквозь пот. барьер. С увел. V_oб толщина барьера уменьш. и напряжен. поля в нем растет. Если р-n переход достаточно тонок, то уже при сравнительно невысоком V_об поле Е достигает такого значения, при котором на­ч. интенсивное туннелирование эл-нов сквозь р-n пе­реход и его пробой (E10⁷10⁸ В/м). Такой пробой называют туннельным. Обратная ветвь ВАХ перехода, отвечающая этому типу пробоя, показана на рис.

Поверхностный пробой. Заряд, локализующийся на поверхности п/п в месте выхода р-n перехода, может вызывать сильное изм. напряжен. поля в переходе и его ширины. В этом случае более вероятным может оказаться пробой приповерх­ностной области р-n перехода.

Осн. парам. стабилитронов являются:

Напряжение стаб. U_ст—падение напряжения на ста­билитроне в области стабилизации при номинальном значении тока.

Min ток стабилизации I_{ст. min} —такое значение тока через стабилитрон, при котором возникает устойчивый пробой.

Max ток стабилизации I_{ст. max} — наиб. знач. тока через стабилитрон, при кот. мощн., рассеив. на стабилитроне, не превыш. допуст. значения.

Дифференц. сопротивл. r_ст— отнош. прираще­ния напряж. на стабилитроне к приращ. тока в режиме стабилизации

r _ст. =∆Uст/∆Іст

Max мощность рассеивания Р_max—наибольшая мощ­ность, выделяющ. в р-n переходе, при кот. не возникает тепловой пробой перехода.

Температурный коэф. напр. стабилизации _ст — отнош. относит. изм. напр. стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды (выра­жается в %/град) _ст=∆ Uст/( Uст∆Т)

4.10 Внутрішній фотоефекти. Фотодіоди та фототранзистори, їх характеристики та парметри.

П ри освещении р-n перехода или прилегающих к нему областей светом, способным вызывать генерацию электронно-дырочных пар, через переход протекает ток, называемый первичным фототоком. Этот эф. наз. фотогальваническим.

Е сли р-n переход расположён на глубине w<L, где L — диффузионная длина, то значительная часть нос. дойдет до области объемного заряда перехода. Эл-ны, подошедшие к р-n переходу, подхватываются контактным полем E_K, направленным от n- к р-области, и перебрасываются в n-область, заряжая ее отрицательно (рис. б). Обусловленный ими первичный фототок ,

где  — коэффициент собирания, , G—число эл.-дырочных пар. На переходе формируется прямое смещение V_ф, вызыв. понижение пот. барьера до значения φ₀—еV_ф и появление прямого тока. Если внеш. цепь разомкнута, то V_ф будет увел. до тех пор, пока прямой ток через р-n переход не уравняет фототок I_ф.

Возникающую при этом разность потенциалов V_ф называют фото-э.д.с.

.

Вентильные фотоэлементы (солнечные батареи).

Мощность, кот. можно снять с фотоэлем. зав. от нагруз. сопр. R_H

Фотодиоды. При фотодиодном режиме работы фотоприемника на диод подают обратное смещение V (III квадрант ВАХ). В этом случае при освещении диода его обратная ветвь опускается вниз на I_ф, как показано на ВАХ, и на нагрузочном сопротивлении R_Н появл. сигнал V=I_фR_н кот. и регистрируется.

Основные характеристики фотодиодов.

ВАХ I_д=f(U_д) при Ф=const определяет зависим. тока фотодиода от напр. на нем при пост. вели-чине светового потока (рис. а). При полном затемнении (Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток I_т равный сумме обратного тока насыщения р-n перехода и тока утечки. С ростом светового потока I_д увел. Харак. особен. раб. обл. ВАХ явл. практич. полная независимость тока фотодиода от приложенного напр.

Световая хар-ка изображает зависимость тока фотодиода от величины светового потока при пост. напр. на фотодиоде: I_д=f(Ф) при U_д= const. (рис. б).

Спектральная хар-ка показывает зависимость спектральной чувствит. от длины волны

III

Параметры фотодиодов. Интегральная чувствительность S_инт—отнош. фототока диода к интенсивности падающего немонохроматического излучения заданного спектрального состава:

Рабочее напр. U_р— пост. напр., приложенное к фотодиоду, при кот. обесп. номинальные парам

Темновой ток I_т — ток, протек. ч-з фотодиод при указанном напр. на нем в отсутствие потока излучения в диапазоне спектральной чувствительности.

4.12 Біполярні транзистори, їх характеристики та параметри.

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n — электронный тип примесной проводимости, p — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки.

Принцип работы:

В npn транзисторе электроны, основные носители тока в эмиттере, проходят через открытый переход эмиттер-база (инжектируются) в область базы. Часть этих электронов рекомбинирует с основными носителями заряда в базе (дырками), часть диффундирует обратно в эмиттер. Однако, из-за того что базу делают очень тонкой и сравнительно слабо легированной, большая часть электронов, инжектированных из эмиттера, диффундирует в область коллектора. Сильное электрическое поле обратно смещённого коллекторного перехода захватывает электроны (напомним, что они — неосновные носители в базе, поэтому для них переход открыт), и проносит их в коллектор. Ток коллектора, таким образом, практически равен току эмиттера, за исключением небольшой потери на рекомбинацию в базе, которая и образует ток базы (I_э=I_б + I_к). Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α 0.9 — 0.999. Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β=α/(1−α) =(10..1000). Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора. Уровни электронов и дырок примерно равны.

Коэффициент усиления по току . Коэффициент усиления по напряжению

.Коэффициент усиления по мощности

Входное сопротивление

коэффициент усиления по току:

4.13 Динамічний режим роботи біполярного транзистора. Класи підсилення А, B, AB, С.

В практических схемах транзисторных усилителей в выходную цепь транзистора наряду с источником питания включают сопро­тивление нагрузки, а во входную — источник усиливаемого сиг­нала.

Режим работы транзистора с нагрузкой называется динамическим. В этом режиме токи и напряжения на электродах транзи­стора непрерывно изменяются. Рас­смотрим работу транзистора с общим эмиттером, в динамическом режиме (рис. а). Е_п распределяется между участком коллектор — эмиттер и нагрузочным сопротивлениемR_н

Это выражение представляет собой уравнение динамического режима для выходной цепи. Изменения напряжения на входе транзистора вызывают соответствующие изменения тока эмиттера, базы, а следовательно, и тока коллектора I_К. Это приводит к изме­нению напряжения на R_н, в результате чего изменяется и напря­жение U_КЭ.

На рис.б изображены выходные статические характеристи­ки транзистора и приведена динамическая характеристика (нагру­зочная прямая) АВ, соответствующая сопротивлению нагрузки.

Точка А пересечения нагрузочной прямой с осью токов совпа­дает с точкой, для которой удовлетворяется условие

так как ток коллектора в случае, если бы транзистор можно было открыть полностью (или закоротить), ограничивался бы только величиной сопротивления R_н.

Входная динамическая характеристика представляет собой за­висимость входного тока от входного напряжения в динамическом режиме (рис. в):

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое на­пряжение, а на коллекторный — обратное. Основной режим работы транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводятся обратные напря­жения.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напря­жением.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обрат­ное напряжение, а к коллекторному — прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими.