29. Основные параметры и типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом и двумя выводами для включения в схему. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 18.9, а. На рис. 18.9, б приведена структурная схема диода. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.

Для правильного выбора и применения диодов используют систему

количественных оценок их свойств – параметров. К числу основных параметров относятся:

– максимально допустимый средний прямой ток;

– максимальный обратный ток;

– падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

– импульсное обратное напряжение и др.

Большое разнообразие диодов классифицируют по ряду признаков: по функциональному назначению, по конструкции p –n перехода, по технологии изготовления, по предельно допустимой мощности и частоте.

По функциональному назначению все диоды можно разделить на выпрямительные и специальные. В специальных диодах используются различные свойства p-n переходов: явление пробоя (стабилитроны), управляемую емкость перехода (варикапы и варакторы), фотоэффект (фотодиоды), фотонную рекомбинацию носителей зарядов (светодиоды) и др. Условные графические обозначения специальных диодов приведены на рис. 18.10.

В зависимости от частоты и формы применяемого напряжения диоды разделяют на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.

По конструкции p-n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры p-n перехода, определяяющие его площадь, значительно больше, а у точечных меньше длины свободного пробега носителей заряда. Плоскостные диоды используются для выпрямления больших токов, а точечные – малых. Для увеличения напряжения лавинного пробоя применяют выпрямительные столбы, представляющие ряд последовательно включенных диодов.

По технологии изготовления p –n перехода диоды разделяют на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Сплавные диоды применяют на низких частотах (до 5 кГц), диффузионные – на частотах до 100 кГц, эпитаксиальные – до нескольких МГц.

Особую группу образуют диоды с переходом металл-полупроводник. В месте контакта металла с полупроводником возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника, который называют запорным. При обратной полярности внешнего напряжения обедненный слой расширяется, его сопротивление увеличивается, а ток через переход уменьшается. Следовательно, такой контакт металла с полупроводником обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют переходами с барьером Шотки.

Важнейшей особенностью диодов с барьером Шотки является отсутствие инжекции собственных носителей. Это значит, что у них отсутствует диффузионная емкость, обусловленная накоплением и рассасыванием собственных носителей.

30. Биполярные транзисторы

Структурная схема биполярного транзистора приведена на рис. 19.1. Переходы делят монокристалл полупроводника на три области, причем, средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним. Среднюю область называют базой, одну из крайних областей – эмиттером, а другую – коллектором. В зависимости от типа электропроводимости крайних областей существуют транзисторы р-п-р или п-р-п структуры. На рис. 19.2, а приведено схемное обозначение транзистора р-п-р, а на рис. 19.2, б - транзистора п-р-п типа. В качестве исходного материала транзисторов чаще других используют германий или кремний.

При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между p -n переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примеси в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимов:

– в активном режиме - когда на переходе эмиттер – база напряжение прямое, а на переходе база – коллектор – обратное;

– в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

– в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Схема включения транзистора в активный режим работы приведена на рис. 19.3. Элементы Е_б, R_б и p-n переход база – эмиттер образуют входную, а элементы Е_к, R_к и переход база – коллектор – выходную цепь транзистора. При таком включении эмиттер является общей точкой входной и выходной цепей, а схему рис. 19.3 называют схемой с общим эмиттером. ЭДС Е_б является управляющей, а Е_к – источником питания.

Внешние источники включают так, чтобы напряжение на переходе база – эмиттер было прямое (плюс источника Е подан на базу, минус на эмиттер), а на переходе коллектор – база обратное (плюс источника Е_К подан на коллектор, минус – на эмиттер). Обычно Е_К>> Е , поэтому

. (19.1)

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Е_к, образуя ток коллектора I_к. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток коллектора на величину , т.е.

I_к =  I_э, (19.2)

где  = 0,9  0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Е_б в базу поступают дырки. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации:

. (19.3)

30 продолжение Ток коллектора, определяемый выражением (19.2), зависит от напряжения U_бэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток I_кбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. Поэтому

, а .

Выразим ток эмиттера из последнего выражения:

.

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, приходим к выражению

, (19.4)

где  - коэффициент передачи тока базы  1, I_кэо – обратный ток транзистора.

Так как I_кэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство:

. (19.5)

Выражение (19.5) показывает, что если ток базы изменить на величину I_б, то ток коллектора изменится на величину ·I_б, т.е. в  раз большую. В этом и заключается суть усиления.

К основным параметрам биполярных транзисторов относятся средние и максимально допустимые значения токов коллектора и базы, максимальные значения напряжений U_кэ, U_бэ, U_кб, коэффициент передачи тока базы , максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 19.4, а и 19.4, б соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока коллектора от напряжения U_кэ, т.е. I_к = (U_кэ), снятая при постоянном токе базы I_б = const.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения при постоянном напряжении . При оба перехода в транзисторе работают под прямым напряжением. Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная характеристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При U_кэ > U_кэн коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (19.3). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного p-n перехода эмиттер – база.