10.2. Напівпровідникові діоди

В більшості напівпровідникових приладів використовується границя розділу різнорідних напівпровідників n- і р- типу - так званий електронно-дірковий перехід. Кожна область напівпровідникового кристалу в цілому нейтральна, так як заряд вільних основних носіїв струму компенсується протилежним за знаком зарядом локалізованих іонів домішок. Внаслідок теплової дифузії рухливі дірки переходять з р- області в n-область, а електрони – в протилежному напрямку.

Рис.10.2. Розподіл в електронно-дірковому переході при відсутності напруги: а - об’ємних носіїв заряду; б –концентрація електронів і дірок; в - потенціалу

В областях з протилежною провідністю більша частина їх рекомбінує, утворюючи нейтральні атоми. У результаті в пограничній області різко зменшується кількість вільних носіїв заряду (рис.10.2, а) і з`являється об`ємний незкомпенсований заряд, утворений локалізованими додатними (n- область) і від`ємними (р- область) іонами домішок. Контактна різниця потенціалу U_к (рис.10.2, б), яка виникла на границі розділу перешкоджає дальшому руху зарядів, і тому збіднену вільними носіями область називають також запірним шаром, так як її опір дуже великий порівняно з опором решту частин кристалу. Таким чином, кристал з p-n- переходом можна розглядати як опір, величина якого залежить від ширини p-n- переходу. Залежність струму через перехід від величини і полярності прикладеної напруги (ВАХ) подана на рис. 10.3. При напрузі, меншій U пробою, p-n- перехід володіє односторонньою провідністю, що позволяє використовувати його в якості в ипрямляючого діоду. Явище відновлюючого лавинного пробою (участок CD рис.10.3) дає можливість використовувати напівпровідниковий діод в якості стабілітрону для стабілізації напруги.

Рис.10.3. Вольт - амперна характеристика р-n переходу

10.3. Польовий транзистор

Польовий транзистор - напівпровідниковий прилад, опір якого змінюється під дією електричного поля, що створюється в об`ємі напівпровідника за допомогою напруги, яка подається на керуючий електрод - затвор.

В сучасній радіоелектроніці найбільше поширення отримали польові транзистори з ізольованим затвором. Для пояснення принципу дії такого транзистора розглянемо процеси, які протікають в домішковому напівпровіднику, розміщеному між пластинами конденсатора. Нехай брусок напівпровідникового матеріалу, наприклад р- типу, має надійний контакт з однією із пластин конденсатора, а від другої відокремлений ідеальним діелектриком товщиною d. В верхній частині рисунка 10.4, а подана розглянута модель, а в нижній частині цього ж рисунка подано розподіл концентрації основних (дірки) і неосновних (електрони) носіїв заряду в об`ємі напівпровідника при напрузі між пластинами конденсатора, рівному нулю.

На рисунку 10.4, б показана зміна напруженості поля Е між обкладинками конденсатора і концентрації носіїв заряду в напівпровіднику при від`ємній напруженості на лівій обкладці конденсатора. Так як в напівпровіднику електричне поле швидко затухає, то можна вважати, що ми маємо справу з плоским конденсатором, в якого дуже товста права обкладинка, а відстань між обкладинками приблизно рівна товщині діелектрика d. В цьому випадку поле, напруженість в діелектрику Е₁ U/d, переходячи в напівпровідник з >1, зазнає розрив і на границі напівпровідника має напруженість Е₂ U/d , яка з часом зменшується до нуля. У приповерхневому шарі напівпровідника (шар АС вздовж осі х) дія зовнішнього поля приводить до зміни концентрації вільних носіїв заряду; число дірок зменшується (рис. 10. 4, б). Але так як шар АС дуже тонкий порівняно із всією товщиною (АВ) напівпровідникового бруска, то зміна концентрації дірок і електронів в основній товщині напівпровідника (СВ) практично не проходить.

Рис. 10 4. Модель польового транзистора.

При зміні полярності прикладеної до конденсатора напруги (рис. 10.4., в) до границі розділу напівпровідника з діелектриком будуть притягуватись електрони, а відштовхуватись дірки. На рисунку, 10.4, в розглянутий випадок, коли концентрація дірок і електронів у поверхневому шарі напівпровідника виявилась рівною. Як відомо, кількість основних носіїв у домішковому напівпровіднику на декілька порядків більша кількості неосновних носіїв. Припустимо, що в цьому матеріалі на один електрон приходилось 10 000 дірок. Зовнішнє поле змінює концентрацію обох типів носіїв зарядів приблизно в однакове число раз. Так, при зменшенні числа дірок у 100 раз у скільки ж зросте число електронів. Таким чином, на рис. 10.4, в поданий випадок, коли концентрація вільних носіїв заряду у поверхневому шарі напівпровідника зменшилась з 10 000 до 200 (100 дірок+100 електронів). В результаті питома провідність приповерхневого шару виявилась набагато меншою питомої провідності всього кристалу. Такий шар, названий збідненим, і може виконувати в деяких випадках роль ізолятора.

При подальшому підвищенні додатної напруги (рис. 10.4, г) концентрація електронів приповерхневого шару перевищує концентрацію дірок і при певній величині напруги концентрація неосновних носіїв заряду в приповерхневому шарі може стати більшою концентрації основних носіїв в решту напівпровідникового кристалу. Таким чином в кристалі з провідністю р- типу утворюється шар, який має провідність n- типу. Цей шар отримав назву інверсного, його провідність росте із збільшенням напруги U. Із залежності N(x) для даного випадку (рис. 10.4, г) видно, що за інверсним шаром розміщений збіднений шар (окіл точки D), який ніби ізолює інверсний шар з електронною провідністю від всього кристалу з дірковою провідністю.

Розглянуті явища і були використані при створенні польового транзистора з ізольованим затвором. Схематично його будову подано на рисунку 10.5, а. Основою транзистора є кристалічна пластинка кремнію р- типу, яка називається підкладкою. На одній поверхні підкладки створюють дві області з провідністю n-типу. На поверхні пластини між цими областями створюють тонкий шар діелектрика, а поверх нього наносять металічну плівку (3), яка виконує роль затвора. Така ж металічна плівка наноситься на дві n- області, одна з яких називається стоком (С), а друга - витоком (В), і на зворотну сторону підкладки (П).

До стоку і витоку транзистора підключають джерело постійної напруги U_с. При напрузі на затворі U_з, рівній нулю, струму в колі стік-витік не буде, так як стік і витік утворюють з підкладкою два р-n- переходи, один з яких включений в зворотному (запірному) напрямку. Однак при деякій напрузі на затворі U_з, що перевищує так звану порогову напругу U_п, виникає індукований канал з електронною провідністю, який з’єднує стік і витік. Очевидно, чим більша U_з, тим більша питома провідність каналу і, відповідно тим більший струм в колі витоку І_в. залежність І_в=f(U_з) при U_в=const називається прохідною характеристикою і зображена на рис. 10.5, в. Польовий транзистор з ізольованим затвором дозволяє переключати значну потужність в вихідному колі, витрачаючи для керування у вхідному колі дуже маленьку потужність, так як струм затвору практично рівний нулю (затвор відокремлений від каналу шаром ізолятора).

Рис. 10.5. Транзистори з ізольованим затвором

Транзистори з ізольованим затвором називають також МДН - транзисторами, що відображає їх структуру: метал-діалектрик-напівпровідник. Умовне позначення МДН-транзистора з каналом n- типу подано на рис.10.5, д. Можна створити польовий транзистор з ізольованим затвором і каналом р- типу. Умовне позначення його подано на рис. 10.5, г. Так як основними носіями заряду в цих транзисторах є дірки, то полярність джерела живлення і керуючої напруги необхідно поміняти на протилежну.

Вольт-амперні характеристики польових транзисторів. Дані характеристики виражають залежності між струмами електродів і прикладеними між ними напругами. Їх називають статичними, якщо зміни струмів проходять при повільних змінах напруг і при відсутності навантаження у колах електродів. Для транзисторів, включених за схемою із загальним витоком (рис. 10.6, а), це характеристики:

Рис. 10.6. Включення польового транзистора за схемою із загальним витоком (а); характеристики прямої передачі (б); вихідні характеристики (в) польових транзисторів

а) прямої передачі (стоко-затворні) – і_С=f(u_ЗВ) при U_СВ=const;

б) вихідні – і_С=f(U_СВ) при U_ЗВ=const.

До затвору в транзисторі з індукованим каналом (рис. 10.6, б) для створення струму і_С необхідно прикласти додатну відносно витоку напругу U_ЗВ, яка за величиною більша її пирогового значення u_ЗВпор. Характеристики побудовані для трьох значень напруги u_СВ, причому

Вихідні характеристики польових транзисторів (рис. 10.6, в) мають круті початкові участки. В міру зростання поздовжньої напруги збільшується швидкість переміщення носіїв заряду у каналі транзистора. Подальше зростання напруги u_ЗВ на величину струму і_С майже не впливає. Причина в збільшенні спаду напруги на участку каналу і впливу напруги u_СВ на величину керуючої напруги. При великих стокових напругах виникає різке збільшення струму і_С внаслідок пробою переходу між стоком і підкладкою. Керування струмом і_С лиш під дією напруги u_ЗВ має місце, коли значення напруги u_СВ відповідає пологому участку вихідної характеристики.

Диференційні параметри. Для польового транзистора ці параметри відображають взаємозв’язки змін напруг між електродами і струмів електродів. Вони можуть бути визначені за статичними характеристиками транзистора. Розглянемо найважливіші із них при включенні транзистора за схемою із загальним витоком.

Крутизна характеристики прямої передачі

S=di_C/du_ЗВ

при U_СВ=const визначає підсилювальні властивості транзистора. Значення крутизни для малопотужних транзисторів складає, як правило, декілька міліампер на вольт (мА/В).

Вихідний опір

r_і=du_СВ/di_C

при U_ЗВ=const є опором каналу транзистора змінному струму. Для пологих участків характеристики він складає десятки – сотні ом (постійному струму – сотні ом).

Вхідний опір

r_вх=du_ЗВ/di_З

при U_СВ=const.

Вхідні струми польових транзисторів малі, відповідно вхідні опори польових транзисторів дуже високі (10⁹–10¹⁵ ом).

Е квівалентні схеми транзисторів. Для визначення відношень між змінними складовими струмів і напруг в колах з транзисторами реальний транзистор подають у вигляді кола, яке вміщує резистивні, ємнісні і індуктивні елементи. Параметри елементів і схему їх під’єднання вибирають таким чином, щоб відношення між струмами і напругами були такими ж, як і в реальному транзисторі.

Д

Рис. 10.7. Еквівалентна схема польового транзистора

ля змінного струму частотою до декілька мегагерц схема кола заміщення польового транзистора порівняно проста (рис. 10. 7). Як виявилось, вхідний опір польового транзистора є високим і для спрощення схеми заміщення його можна не показувати. Конденсатор С_СЗ визначає наявність певної ємності між затвором і каналом, а це відповідно, між затвором і стоком. Факт появи змінної складової струму під дією вхідної напруги відображений включенням у схему генератора струму, який забезпечує створення змінного струму амплітудою

Сучасна промисловість випускає різні типи транзисторів. Деякі із них мають крутизну характеристики прямої передачі в десятки міліампер на вольт, працюють при струмах стоку в одиниці ампер і напругах стік – витік до 200 В. Створені польові транзистори, які володіють дуже низькими власними шумами і забезпечують підсилення сигналів на частотах до 100 ГГц.