1.3 Полупроводниковые диоды.

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

• методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

• материалу: германиевые, кремниевые, арсенид-галлиевые и др.;

• физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;

• назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, стабилитроны, детекторные, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др. Их изготавливают на основе германия или кремния.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты в постоянный ток. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3

1.4 Биполярные транзисторы.

Транзи́стор (от англ. transfer — переносить и resistance — сопротивление) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

В настоящее время широко используются биполярные транзисторы (БТ) и транзисторы на полевых МОП (металл-оксид-полупроводник)-транзисторах (МОПТ) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник)-транзисторы. Международный термин — MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor). Транзисторы изготавливаются в рамках интегральной технологии на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 32 нм. На одном современном чипе (обычно размером 1—2 см²) размещаются несколько (пока единицы) миллиардов МОПТ.

По основным полупроводниковым материалам различают транзисторы: германиевые, кремниевые и арсенид-галлиевые. Другие материалы транзисторов до недавнего времени не использовались. В настоящее время имеются транзисторы на основе, например, прозрачных полупроводников для использования в матрицах дисплеев. Перспективный материал для транзисторов — полупроводниковые полимеры. Также имеются отдельные сообщения о транзисторах на основе углеродных нанотрубок.

Устройство плоскостного биполярного транзистора показано схематически на рисунке 1.4

Рисунок 1.4

Транзистор представляет собой пластину германия, или кремния, или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Для примера взят транзистор типа n–p–n, имеющий среднюю область с дырочной, а две крайние области – с электронной электропроводностью. Широко применяются также транзисторы типа p–n–p, в которых дырочной электропроводностью обладают две крайние области, а средняя имеет электронную электропроводность.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два n–p–перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный – между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше (т.е. область базы самая высокоомная), чем в коллекторе и эмиттере. От базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы.

Для величин, относящихся к базе, эмиттеру и коллектору, применяют в качестве индексов буквы «б», «э» и «к». Токи в проводах базы, эмиттера и коллектора обозначают соответственно i_б, i_э, i_к. Напряжения между электродами обозначают двойными индексами, например напряжение между базой и эмиттером U_б-э, между коллектором и базой U_к-б.

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах.

Активный режим – напряжение на эмиттерном переходе прямое, а на коллекторном – обратное.

Режим отсечки (запирания) – обратное напряжение подано на оба перехода.

Режим насыщения – на обоих переходах прямое напряжение.

Основным в аналоговых устройствах является активный усилительный режим. Он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки, насыщения и активный инверсный (напряжение на эмиттерном переходе обратное, а на коллекторном – прямое) характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами обычно образуются две цепи: входная (управляющая) – в нее включают источник усиливаемых сигналов и выходная (управляемая) – в нее включается нагрузка.

Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n в образовании коллекторного тока принимают участие электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p типа – дырки.

Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании трёх явлений:

• инжекции носителей из эмиттера в базу;

• переноса инжектированных в базу носителей к коллекторному переходу;

• экстракции инжектированных в базу и дошедших до коллекторного перехода неосновных носителей из базы в коллектор.

На рисунке 1.5,а показана структура транзистора n-p-n типа. С помощью внешних источников напряжения эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Таким образом, транзистор функционирует в активном режиме, когда проявляются его усилительные свойства.

Рассмотрим эти явления подробнее. При подключении к эмиттерному переходу прямого напряжения противоположно направленное внешнее поле компенсирует внутреннее поле перехода и уменьшает контактную разность потенциалов на величину Е_э (см.рисунок 1.5,б). Это приводит к возникновению инжекции электронов из эмиттера в базу и дырок из базы в эмиттер. Таким образом, в цепи эмиттера протекает эмиттерный ток I_э, который представляет собой диффузионный ток основных носителей и содержит две составляющих – дырочную и электронную.

φк+Ек φк-Еэ φ х a) б)

Рисунок 1.5

Поскольку дырочная составляющая эмиттерного тока замыкается исключительно в цепи эмиттер-база, она не участвует в образовании коллекторного тока, а значит является бесполезной, и её следует уменьшать. Поэтому при создании транзисторов область базы всегда легируют намного слабее, чем эмиттерную область(n_э>>p_б). При этом из эмиттера в базу инжектируется гораздо большая часть носителей, чем из базы в эмиттер.

Количественно процесс инжекции характеризуется величиной коэффициента инжекции, которая показывает, какую часть от полного тока эмиттера составляет её полезная часть I_эn.

.

Поскольку абсолютно исключить поток дырок из базы в эмиттер невозможно, то следует полагать, что <1 всегда и в лучшем случае 0.9995.

В результате инжекции электронов в базу у эмиттерного перехода их становится больше. Коллекторный же переход включён в обратном направлении и работает в режиме экстракции. Он втягивает все электроны, подошедшие к нему и перебрасывает их в коллектор. Таким образом, концентрация электронов в базе у коллекторного перехода значительно меньше, чем у эмиттерного. В базе возникает градиент концентрации, под действием которого электроны диффундируют к коллекторному переходу (см.рисунок 1.5, б). Распределение концентрации электронов в базе показано на рисунке 1.6. Поскольку толщина базового слоя мала (w_б<<L_n), то закон распределения близок к линейному. Градиент концентрации электронов в базе определяет диффузионный ток электронов в направлении коллекторного перехода.

Описанный характер движения электронов в базе возможен только при условии электрической нейтральности базы, когда количество находящихся в объёме базы электронов равно количеству дырок.

Рисунок 1.6

В процессе диффузии через базу часть электронов рекомбинирует с дырками базы. В результате актов рекомбинации количество электронов, дошедших до коллектора не будет равно количеству электронов, поступивших из эмиттера, следовательно, электронная составляющая тока коллектора I_кn будет меньше электронной составляющей эмиттерного тока I_эn.

Акты рекомбинации электронов с дырками создают недостаток дырок, требующихся для компенсации электронов, входящих в базу из эмиттера. Необходимые дырки поступают по цепи базы, создавая базовый ток транзистора I_брек. Таким образом, разность между электронными составляющими эмиттерного и коллекторного токов представляет собой базовый ток рекомбинации:

Процесс рекомбинации дырок в базе численно определяется коэффициентом переноса носителей через базу, который показывает, какая часть носителей из эмиттерного перехода достигла коллекторного перехода.

Из выражения видно, что <1 всегда. Максимальное значение   0,95 – 0,99. Чтобы увеличить коэффициент переноса ( приблизить к единице) и увеличить тем самым электронную составляющую коллекторного тока, необходимо уменьшить I_брек. Для этого при изготовлении транзисторной структуры необходимо обеспечить следующие условия:

1. базу необходимо выполнить настолько тонкой, чтобы её ширина была бы гораздо меньше диффузионной длины носителей в базе (w_б<<L_n), тогда большая часть носителей, в данном случае электронов, успеет дойти до коллекторного перехода, не успев рекомбинировать с дырками базы;

2. базу следует легировать слабо, чтобы опять же уменьшить число актов рекомбинации электронов с дырками базы;

3. площадь коллекторного перехода должна быть больше площади эмиттерного перехода (S_кп>>S_эп), чтобы уменьшить вероятность рекомбинации в краевых областях базы.

Таким образом, электроны, достигшие обратно смещённого коллекторного перехода, будут втянуты полем перехода и примут участие в образовании коллекторного тока.