1. Собственная и примесная проводимость, типы электрических переходов в полупроводниках.

Собственная проводимость

В полупроводниках атомы связаны ковалентными (парноэлектронными) связями, которые при низких температурах и освещенности прочны. С ростом же температуры и освещенности эти связи могут разрушаться, образуя свободный электрон и "дырку". Реальными частицами являются лишь электроны (e). Электронная проводимость обусловлена движением свободных электронов. Дырочная проводимость вызвана движением связанных электронов, которые переходят от одного атома к другому, поочерёдно замещая друг друга, что эквивалентно движению “дырок” в противоположном направлении. “Дырке” условно приписывается “+” заряд.В чистых полупроводниках концентрация свободных электронов и “дырок” одинаковы. Электронно-дырочная проводимость – проводимость, вызванная образованием свободных носителей заряда (электронов и “дырок”), образующихся при разрыве ковалентных связей, называется собственной проводимостью.

Примесная проводимость – проводимость, обусловленная образованием свободных носителей заряда при внесении примесей иной валентности (n) Донорная примесь n_{примеси} > n_{полупроводник} Мышьяк в германий n_прим. =5; n_{п/прово-к}=4 

Каждый атом примеси вносит свободный электрон

Полупроводники n – типа с донорной примесью Основные носители заряда электроны Не основные носители о – “дырки” Проводимость электронная Акцепторная примесь n_{примеси} < n _{полупроводник}

Индий в германий n_прим. =3; n_{п/прово-к}=4 Каждый атом примеси захватывает  электрон из основного полупроводника, создавая дополнительную дырку.

В основе работы большинства полупроводниковых приборов и активных элементов интегральных микросхем лежит использование электрических переходов, общим свойством которых является наличие потенциального барьера на границе между полупроводниками. Полупроводники могут отличаться по типу проводимости (p или n), или иметь различные физические характеристики, например:

Электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электрической проводимости (одна из областей может быть металлом).

В зависимости от функционального назначения, уровня требуемых электрических параметров в диодах используются следующие типы выпрямляющих и омических электрических переходов.

Выпрямляющий переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока больше, чем при другом.

Омический переход – электрический переход, электрическое сопротивление которого не зависит от направления тока в заданном диапазоне значений токов.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа.

Гетерогенный переход (гетеропереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с различной шириной запрещенной зоны.

Гомогенный переход (гомопереход) – электрический переход, образованный в результате контакта полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны.

Переход Шотки – электрический переход, образованный в результате контакта между металлом и полупроводником.

Электронно-электронный переход (n-n⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости.

Дырочно-дырочный переход (p-p⁺-переход) – электрический переход между двумя областями полупроводника p-типа, обладающими различными значениями удельной электрической проводимости. Знак «+» условно обозначает область с более высокой удельной электрической проводимостью

4. Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов. Действие транзисторов основано на управлении движением носителей электрических зарядов в кристалле полупроводника.

По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах (БТ) в процессах токопрохождения участвуют основные и неосновные носители зарядов, а в полевых (униполярных) – носители одного знака. По числу р-n-переходов транзисторы подразделяются на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Наибольшее распространение среди биполярных транзисторов получили двухпереходные транзисторы.

В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. По характеру распределения атомов примеси и движению носителей заряда транзисторы разделяются на бездрейфовые и дрейфовые.

Структура и условные изображения транзисторов n-p-n и р-n-p приведены на рис. 3.1, а, б соответственно. Стрелки на рисунке указывают направление прямого тока эмиттерного перехода. В этих структурах существуют два перехода с неодинаковой площадью. Одна из крайних областей легирована сильнее, чем другая. Сильнолегированная область с меньшей площадью называется эмиттером (Э), а другая область – коллектором (К). Средняя область называется базой (Б). К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.

а

б

Рис. 3.1

Устройство реального транзистора типа p-n-p представлено на рис. 3.2 а, б.

а б

Рис. 3.2

Рабочей (активной) областью транзистора является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (не заштрихована). Остальные участки являются пассивными (паразитными), что обусловлено конструкторско-технологическими причинами. Основные свойства биполярного транзистора определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (1 мкм), меньше диффузной длины неосновных носителей в базе. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и носители совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышала концентрацию носителей в базе. Для защиты транзисторной структуры от воздействия внешней среды кристалл помещают в герметизированный корпус.

При включении транзисторов в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды подаются напряжения от внешних источников, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают схемы включения (рис. 3.3, а, б, в): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В обозначениях напряжений (см. рис. 3.3) вторая буква индекса обозначает общий для входа и выхода схемы электрод.

а

б

в

Рис. 3.3

5. Режимы работы биполярного транзистора. Токораспределение в биполярном транзисторе

Режимы работы биполярных транзисторов

В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах различают четыре режима работы транзистора:

Активный режим (АР) — эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Режим отсечки (РО) — оба перехода смещены в обратном направлении.

Режим насыщения (РН) — оба перехода смещены в прямом направлении.

Инверсный режим (ИР) — коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении.

Связь режимов работы биполярного транзистора с включением переходов показана на (рис. 3.4).

Рис. 3.4

Классификация режимов проводится по комбинации напряжений переходов. В схеме с ОБ напряжения переходов равны напряжению источников питания эмиттера ( ) и коллектора ( ).

В схеме с ОЭ напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника , а напряжение коллекторного перехода зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов .

В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником , а напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников .

Правило знаков остается прежним.

Токораспределение в биполярном транзисторе

При прямом сме­ще­нии эмиттерного пе­ре­хода p-n-p тран­зис­то­ра в эмиттерно-базовой цепи протекает значи­тель­ный ток, обуслов­лен­ный переходом элек­тро­нов из базы в эмит­тер и дырок из эмиттера в базу.

Если геометри­чес­кая ширина базы боль­ше диффузионной дли­ны электрона (L_Д — расстояние свободного пробега электрона до рекомбинации), то в цепи коллектора ток протекать не будет. Изготовление базы с толщиной, сравнимой с диффузионной длиной электрона, приводит к тому, что на характер движения электрона в области базы начинает оказывать воздействие электрическое поле коллекторного перехода. Электроны в базе являются неосновными носителями, поэтому положительный потенциал коллектора способствует их притягиванию к коллекторному переходу и беспрепятственному переносу через область базы в область коллектора.

Ток через эмиттерный переход создает электронную и дырочную составляющие. Дырочная составляющая замыкается по цепи базы и не участвует в управлении током коллектора.

I_Э=I_Эn+I_Эp

Одним из важнейших показателей эмиттерного перехода является коэффициент инжекции, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая:

g= .

Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе d, который равен отношению дырочной составляющей коллекторного дока к дырочной составляющей эмиттерного тока:

d= .

Управляемые свойства транзистора характеризуются коэффициентом передачи эмиттерного тока:

a= g×d = .

Ток коллектора состоит из дырочной составляющей I_Кpи теплового тока I_К0 (I_К=I_Кp+I_К0). Ток базы равен алгебраической сумме электронной составляющей тока эмиттера I_Эn, рекомбинационной дырочной составляющей I_Бp и теплового тока I_К0 (I_Б=I_Эn+I_Бp–I_К0).

10. Системы параметров транзисторов Z,Y,H

В системе z–параметров напряжения на входе и выходе четырехполюсника зависят от токов ;

Схема замещения БТ для системы Z- параметров приведена на рис.4.9.

Рис.4.9.

В этом случае сами параметры можно записать как:

– входное сопротивление транзистора; (4.6)

– сопротивление обратной связи транзистора; (4.7)

– сопротивление прямой передачи БТ; (4.8)

– выходное сопротивление. (2.24)

Для определения Z–параметров необходимо создать режим холостого хода (XX) во входной и выходной цепях. Осуществить режим холостого хода во входной цепи транзистора не представляет большого труда, так как сопротивление открытого эмиттерного перехода мало, тогда как выходная цепь четырехполюсника имеет большое сопротивление (коллекторный переход закрыт), поэтому осуществить режим холостого хода здесь затруднительно. К недостаткам Z–параметров можно отнести также низкочастотный диапазон их применения

В системе Y–параметров токи на входе и выходе четырехполюсника зависят от напряжений , (4.9)

Рис.4.10.Эквивалентная схема транзистора с использованием Y–параметров

Схема замещения транзистора с использованием Y–параметров (рис.4.10.), получена на основании уравнения (3.16). Генератор тока отражает наличие обратной связи в транзисторе, а генератор – влияние входного напряжения на выходной ток.

В этом случае можно определить параметры, как :

– входная проводимость; (4.10)

– проводимость обратной передачи; (4.11)

– проводимость прямой передачи; (4.12)

– выходная проводимость. (4.13)

Y–параметры имеют размерность проводимости и определяются в режиме короткого замыкания (КЗ) на входе и выходе транзистора.

Режим короткого замыкания легко осуществляется в выходной цепи транзистора, включением емкости параллельно. На входе трудно осуществить режим короткого замыкания из-за низкого входного сопротивления транзистора.

Достоинством системы Y–параметров является хорошее описание высокочастотных свойств транзистора, поскольку режим короткого замыкания на высоких частотах реализуется более просто. Эта система широко используется в расчетах усилителей и генераторов ВЧ диапазона, а Y–параметры ВЧ транзисторов приведены в справочниках.

Система H–параметров вводится как система, у которой независимыми являются Iвх и Uвых, а зависимыми Iвых и Uвх.

; (4.14)

. (4.15)

Эквивалентная схема транзистора, описанная системой H–параметров приведена на рис.4.11.

Рис.4.11.

Физический смысл H-параметров можно определить из условий к.з. на выходе и х.х. на входе,

– входное сопротивление; (4.16)

– коэффициент обратной связи по напряжению; (4.17)

– коэффициент передачи по току; (4.18)

– выходная проводимость. (4.19)

Преимущество H–параметров состоит в удобстве их экспериментального определения в режимах близких к режимам работы транзисторов в практических схемах. Реализация режимов холостого хода на входе и короткого замыкания на выходе не изменяет выбранного режима работы по постоянному току.

Однако в записанном выше виде система является статической и для практического использования ее необходимо переписать не для постоянных напряжений и токов, а для их изменений в рабочей точке БТ.

В этом случае система h-параметров позволяет связать между собой амплитудные (действующие) значения переменных составляющих входных и выходных токов и напряжений.

Для расчета h-параметров удобно использовать семейства входных и выходных характеристик БТ. Рассмотрим порядок графоаналитического метода расчета h-параметров БТ с ОЭ. Для определения дифференциальных параметров и в заданной рабочей точке А ( , , ) на линейном участке семейства входных характеристик необходимо выполнить построения, как показано на рис.4.6.а Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.20)

. (4.21)

Параметры и определяются по семейству выходных характеристик. Обратите внимание на различие в обозначении статического коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ h_21Э и дифференциального параметра h_21э. В окрестности точки А' ( , , ), соответствующей точке А на семействе входных характеристик, выполняют построения, как показано на рис. 4.6, б. Найденные приращения токов и напряжений позволяют определить искомые параметры:

, (4.22)

. (4.23)

Аналогично определяются h-параметры для транзистора с ОБ.

9. Статические вольт-амперные характеристики транзистора

Статические ВАХ отражают зависимости между постоянными входными и выходными токами и напряжениями транзистора. Для любой схемы включения транзистора можно получить четыре семейства статических ВАХ: входные , выходные , прямой передачи по току и обратной связи по напряжению . В таком варианте ВАХ мы анализируем зависимость параметров транзистора от входного тока , так как параметры биполярного транзистора в рабочем режиме зависят от величины тока через прямосмещенный переход БТ. В то же время в выходной цепи определяющей является зависимость параметров от напряжения на обратносмещенном переходе, то есть .

На рис. 4.3. и рис 4.4.. приведены графики семейств статических ВАХ транзистора, имеющего p-n-p-структуру, для включения с ОБ.

Рис 4.4. Входные и выходные статические ВАХ p-n-p-транзистора с ОБ.

Входные характеристики представляют собой известные характеристики прямосмещенного р-п перехода. Выходные характеристики позволяют оценить поведение транзистора в различных режимах работы в соответствии с определением режимов.

Рис.4.5. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОБ

Характеристики прямой передачи БТ являются линейными в рабочей области входных токов в соответствии с уравнением .

Поведение характеристик обратной связи объясняется эффектом модуляции ширины базы в области небольших значений U кб.

Для схемы включения БТ с ОЭ поведение входных характеристик ( рис. 4.6.) объясняется так же как и для схемы с ОБ. На выходных характеристиках требует пояснения отличное от схемы с ОБ расположение области режима насыщения

Рис.4.6. Входные и выходные характеристики БТ с ОЭ

В частности в схеме с ОЭ насыщение БТ наступает при выполнении условия Uкэ < Uбэ. В этом случае полярность напряжения на коллекторном переходе соответствует прямому смещению независимо от типа транзистора (р-п-р или п-р-п.). На рис. также показана возможность определения параметров транзистора через приращения токов и напряжений в заданной рабочей точке БТ.

Рис.4.7. Характеристики прямой передачи и обратной связи БТ с ОЭ

23. ТИРИСТОРЫ

Общие сведения о тиристорах

Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более взаимодействующих выпрямляющих перехода, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. При работе в схеме тиристор может находиться в двух состояниях. В одном состоянии – закрытом – тиристор имеет высокое сопротивление и пропускает малый ток, в другом – открытом – сопротивление тиристора мало и через него протекает большой ток.

Структура тиристора состоит из четырёх областей полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 6.1, а).

Рис. 6.1

Кроме трёх выпрямляющих контактов тиристор имеет два омических перехода. Контакт с внешним p-слоем называется анодом, а с внешним n-слоем – катодом.

В зависимости от числа выводов тиристоры делятся на диодные, триодные и тетродные. Тиристор, имеющий два вывода, называется динистором, или диодным тиристором. Тиристоры, имеющие три и четыре вывода, называются триодными или тетродными. Помимо четырёхслойных структур некоторые виды тиристоров имеют большее число полупроводниковых областей. К таким приборам относится симметричный тиристор (симистр), который может включаться при различных полярностях приложенного напряжения.

На рис. 6.1, б p-n-p-n-структура тиристора представлена в виде двух транзисторов, соединённых между собой, каждый из которых находится в активном режиме.

В связи с таким представлением крайние области тиристорной структуры называют эмиттерами, а примыкающие к ним p-n-переходы – эмиттерными, центральный переход – коллекторным. Между переходами находятся базовые области.

Рассмотрим процессы в тиристорах при подаче внешнего напряжения.

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора приведена на рис. 6.2. Пусть к аноду тиристора подано небольшое положительное напряжение. Эмиттерные переходы П₁ и П₃ (см. рис. 6.1, а) включены в прямом направлении, а коллекторный переход П₂ включен в обратном, поэтому почти всё приложенное напряжение падает на нём. Участок ОА вольт-амперной характеристики (см. рис. 6.2) аналогичен обратной ветви характеристики диода и характеризуется режимом прямого запирания.

Рис. 6.2

При увеличении анодного напряжения эмиттеры инжектируют основные носители в области баз. Инжектированные электроны и дырки накапливаются в них, что равносильно дополнительной разности потенциалов на коллекторном переходе, которая стремится сместить его в прямом направлении. С увеличением тока через тиристор абсолютное значение суммарного напряжения на коллекторном переходе начнёт уменьшаться. При этом ток будет ограничиваться только сопротивлением нагрузки и ЭДС источника питания. Высота коллекторного перехода уменьшается до значения, соответствующего включению этого перехода в прямом направлении. Из закрытого состояния (участок 0А) тиристор переходит на участок АВ, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению.

После этого все три перехода смещаются в прямом направлении. Этому открытому состоянию соответствует участок ВD. Итак, в закрытом состоянии тиристор характеризуется большим падением напряжения и малым током. В открытом состоянии падение напряжения на тиристоре мало (1-3 В), а ток, протекающий через структуру, велик.

Таким образом, в тиристоре существует положительная обратная связь по току – увеличение тока через один эмиттерный переход приводит к увеличению тока через другой эмиттерный переход.

Напряжение анода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния (0А) в режим, соответствующий отрицательному дифференциальному сопротивлению (АВ), называется напряжением включения U_вкл. Анодный ток тиристора в режиме включения называется током включения I_вкл.

Обозначив α₁ и α₂ как коэффициенты передачи тока первого и второго эмиттерных переходов, запишем ток коллектора в виде

I_K=α₁I_П1+ α₂I_П3+I_KO, где I_KO – собственный обратный ток коллекторного перехода.

В двухэлектродной структуре диодного тиристора из-за необходимости выполнения баланса токов полные токи через все переходы должны быть равны между собой:

I_п1=I_п2=I_п3=I_a. (6.1)

С учётом этого анодный ток тиристора

I_a= I_КО/ . (6.2)

Когда α₁+α₂ стремится к единице, тиристор из закрытого состояния переходит в открытое. Ток через тиристор во время переключения должен ограничиваться сопротивлением нагрузки. Суммарное падение напряжения на включённом тиристоре составляет около 1 В. В открытом состоянии тиристор будет находиться до тех пор, пока коллекторный переход будет смещён в прямом направлении. Если же ток через тиристор уменьшить, то в результате рекомбинации и рассасывания уменьшится количество неравновесных носителей в базовых областях тиристора и коллекторный переход окажется смещённым в обратном направлении, уменьшится инжекция из эмиттерных областей и тиристор перейдёт в закрытое состояние. Минимальный ток, который необходим для поддержания тиристора в открытом состоянии, является удерживающим током тиристора.

При обратном включении тиристора вольт-амперная характеристика аналогична обратной ветви вольт-амперной характеристики двух последовательно включённых диодов. Обратное напряжение в этом случае ограничивается напряжением пробоя.

Даже при малых напряжениях и токах в каждой из транзисторных структур коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице. Для уменьшения начального коэффициента передачи одну из базовых областей тиристора делают относительно толстой. Чтобы уменьшить коэффициент передачи тока другого транзистора, его эммитерный переход шунтируют объёмным сопротивлением прилегающей базовой области.

Шунтирование позволяет создавать тиристоры с большими значениями напряжения включения. Кроме этого, тиристор с зашунтированным эмиттерным переходом будет иметь так называемую жесткую характеристику переключения, т.е. переход из закрытого состояния в открытое будет осуществляться каждый раз при одном и том же напряжении включения.