Обращенные диоды (рис.2.2)

Обращенным называют диод на основе полупроводника с критической концентра­цией примесей, в котором проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при U_пр.

При концентрациях примесей в р- и n-областях диода, меньших, чем в ТД, но больших, чем в обычных выпрямительных диодах, можно получить диод, энергетическая диаграмма которого показана на рис. 7 Уровень Ферми при такой средней концентрации примесей может быть расположен на потолке валентной зоны р-области (точка А) и на дне зоны проводимости n-области диода (точка С), т. е. потолок валентной зоны р-области и дно зоны прово­димости n-области при нулевом смещении на диоде находятся на одной высоте по энергетической диаграмме. Обратная ветвь ВАХ обращенного диода аналогична обратной ветви ВАХ туннельного диода, так как при обратных напряжениях происходит туннелирование электронов из валентной зоны р-об­ласти в зону проводимости n-области. Поэтому обратные токи в обращенных диодах оказываются большими при ничтожно малых обратных напряжениях (десятки мВ).

Прямая ветвь ВАХ обращенного диода аналогична прямой ветви ВАХ обычного выпрямительного диода, так как при прямых на­пряжениях на обращенном диоде прямой ток может быть образо­ван только в результате инжекции носителей заряда через потен­циальный барьер р-n-перехода. Но заметная инжекция может наблюдаться только при прямых напряжениях в несколько десятых долей вольта. При меньших напряжениях прямые токи в обращенных диодах оказываются меньше обратных (рис.3).Т. о., ОД обладают выпрямляющим эффектом, но пропускное (проводящее) направление у них соответствует обратному включению, а запирающее (непроводящее) — прямому включению (рис.10).

ОД 1) способны работать на очень малых сигналах; 2) должны обладать хорошими частотными свойствами, так как туннелирование — процесс малоинерционный (С_диф=0), а эффекта накопления неосновных носителей при малых U_пр практиче­ски нет. Поэтому ОД можно использовать на СВЧ (до 50 ГГц); 3), из-за относительно большой концентрации примесей в прилегающих к p-n-переходу областях ОД ока­зываются мало чувствительными к воздействиям проникающей ра­диации.

Лист 8 ДИОДЫ ШОТТКИ

Структура и свойства контактов между металлом и полупроводником зависят от разности работ выхода электрона из металла или ПП (рис.11).

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике и металле может возникать:

• Обедненный ( с малой плотностью основных носителей)

• Обогащенный слой (высокая плотность основных носителей)

• Инверсный (с противоположной электропроводностью)

Омический (невыпрямляющий) переход м/у металлом и п/п получается, когда приконтактный слой обогащен основными носителями (Wм<Wn) R _{приконтактной области} < R _{объема полупроводника.} Cмена полярности U не влияет на величину R _{приконтактной области}. Имеет линейную ВАХ (рис.14.3) и симметричную относительно начала координат. Качество омических контактов тем лучше, чем круче их ВАХ. Контакт подчиняется закону Ома. Используется для изготовления выводов для подключения к эл.цепи.

Выпрямляющие переходы получаются, если приконтактный слой обеднен основными носителями (работа выхода из металла больше чем у п/п n-типа(Wм >Wn) или меньше чем у п/п р-типа) или имеет инверсную электропроводность (Wм >>Wn). Если металл привести в соприкосновение с полупроводником, то электрон будет переходить из материала с меньшей работой выхода к материалу с большей работой выхода, что приведёт к возникновению контактной разности потенциалов .

Диод Шоттки — это полупроводниковый диод на основе выпрямляющего электрического перехода между ме­таллом и полупроводником.

На таком перехо­де высота потенциального барьера для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) может существенно отличаться (рис.12). Поэтому, при вклю­чении выпрямляющего перехода Шоттки в прямом направлении, прямой ток возникает благодаря движению основных носителей заряда полупроводника в металл, а носители другого знака (неос­новные для полупроводника) практически не могут перейти из ме­талла в полупроводник из-за высокого для них потенциального барьера на переходе.

Таким образом, на основе выпрямляющего перехода Шоттки мо­гут быть созданы выпрямительные, импульсные и сверхвысоко­частотные полупроводниковые диоды, отличающиеся от диодов с p-n-переходом лучшими частотными свойствами. Наличие металла позволяет диоду Шоттки открываться при более низких прямых напряжениях (на 0,2–0,4 В меньше), чем диод на основе p-n-перехода из того же п/п (U_пp<0,6 В) (рис.14 сплошная линия- ВАХ p-n-перехода, пунктирная линия 1-диода Шоттки). В переходе Шоттки отсутствует диффузионная ёмкость. Поэтому длительность переходных процессов меньше, выше быстродействие (рис.13- t_x- время восстановления обратного сопротивления).

К недостаткам ди­ода следует отнести малое пробивное напряжение и большие об­ратные токи.

В качестве исходного полупроводникового материала для вы­прямительных диодов Шоттки можно использовать кремний или арсенид галлия с электропроводностью n-типа (подвиж­ность электронов больше подвижности дырок). Наибольшие преимущества перед диодами с р-n-переходом диоды Шоттки имеют при выпрямлении больших токов высокой частоты. Выпрямительные низкочастотные диоды предпочтительнее из­готовлять с p-n-переходом. Для импульсных диодов Шоттки предпочтение отдано GaAs, так как в этом материале время жизни неосновных носителей заряда может быть менее 10^-9 с. Арсенид галлия пока не удается получить с малой концентра­цией дефектов, в результате чего GaAs-диоды имеют относительно малые значения пробивных напряжений, далекие от теоретически возможных. Это является существенным недостатком для выпрямительных диодов, но не столь важно для импульсных диодов, так как большая часть импульсных схем — это низко­вольтные схемы.

Лист 9 «Биполярные транзисторы»

Биполярный транзистор (БПТ) – это полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими выпрямляющими электрическими переходами (эмиттерным и коллекторным) и тремя (или более) выводами, применяемый для усиления мощности электрических сигналов в аналоговых микросхемах (в активном режиме рис.39), так и для работы в импульсных режимах в цифровых микросхемах (в режимах отсечки и насыщения рис.39). Область транзистора, расположенную между p-n–переходами, называют базой. Область транзистора, инжектирующую основные носители в базу (в активном режиме), называют эмиттером (он со стрелкой, направленной из р в n-область). Экстрагирующая неосновные носители из базы область называют коллектором. Различают два вида биполярных транзисторов, которые содержат три полупроводниковые области с чередующимися типами проводимости: p-n-p (рис.2-4) или n-p-n (рис. 1).

Особенности устройства транзистора:

• Nпримеси в Э больше, чем в Б и К (обозначают n⁺–p–n);

• S _КП > S_ЭП;

• толщина базы W_б < L_D диффузионной длины носителей заряда

С увеличением U_обр на КП увеличивается δ, в основном за счет Б, поэтому существенно уменьшается ее толщина Wб – происходит модуляция толщины базы коллекторным U, известное под названием эффекта Эрли. Учитывая, что Б имеет малую Wб , возможен эффект смыкания – Б как отдельная область исчезает, КП смыкается с ЭП, и транзистор перестает работать.

Каждый из p-n–переходов может быть смещен либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого различают четыре режима работы транзистора (табл.40). На рис. 39 показано распределение потенциалов в областях р-n-р-транзистора в различных режимах. Линия 4 соответствует распределению потенциалов при отсутствии внешних напряжений. Прямое включение какого-либо перехода вызовет уменьшение потенциального барьера (режим насыщения – линии 1, ЭП в активном режиме – линия 2), обратное включение – вызовет увеличение потенциального барьера (режим отсечки – линии 3, КП в активном режиме – линия 2).

Различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ) [рис. 1, 2] с общей базой (ОБ) [рис. 3] и общим коллектором (ОК) [рис. 4]. Общим называют электрод, который связан как с входной, так и выходной цепями и относительно которого измеряют и задают напряжения. Для обозначения напряжений, подаваемых на электроды транзистора, используются двойные индексы. Первый индекс идентифицирует электрод, на который подается напряжение, измеряемое относительно общего электрода, обозначаемого вторым индексом.

Основные свойства транзистора определяются соотношениями токов и напряжений в различных его цепях и взаимным влиянием их друг на друга. Для рассмотрения свойств и параметров биполярного транзистора принято пользоваться его статическими характеристиками, которые зависят от схемы включения. Различают входные ( ), выходные ( ), передаточные ( ) статические характеристики, а также характеристики обратной связи ( ). На рис. 7 -10 изображены семейства входных и выходных характеристик для схем включения транзистора с ОБ и ОЭ. Например, схеме с ОБ соответствуют входные характеристики на рис.9, и выходные –на рис.10. Схеме с ОЭ соответствуют входные характеристики, изображенные на рис.7, а выходные на рис.8.

Т ранзистор можно рассматривать как четырехполюсник, связь между входными и выходными токами и напряжениями в котором представляется нелинейными функциями:

Дифференциалы от этих функций можно представить следующим образом:

где h_ik – частные производные соответствующих величин, выражения для которых можно получить из системы уравнений, полагая поочередно одно из слагаемых равным нулю, т.е. моделировать режим короткого замыкания (КЗ) в выходной цепи и режим холостого хода (ХХ) во входной по переменному току.

На низких частотах, h–параметры являются действительными величинами и представляют собой дифференциальные параметры, которые можно легко определить по статическим характеристикам прибора. Малые переменные составляющие ( ), которыми они определяются, на линейном участке характеристики можно рассматривать как малые приращения ( ).

Отметим, что для различных схем включения биполярного транзистора, h–параметры будут различны. Поэтому их принято помечать буквами «э», «б» и «к», соответственно для схем с ОЭ, ОБ и ОК.

Эквивалентная схема биполярного транзистора на низких частотах для системы h-параметров приведена на рисунке 5. Входная цепь представляет собой последовательное соединение сопротивления с генератором напряжения , а выходная цепь образована параллельным соединением выходной проводимости и генератора тока . Здесь h₁₁ –входное сопротивление (формула 13), h_12-коэффициент обратной связи по напряжению (формула 14), h₂₂ – выходная проводимость (формула 15), h_21–коэффициент усиления по току (формулы 16, 17 (для ОЭ), 18 (для ОБ)).

Кроме h–различают дифференциальные y–параметры (все проводимости) и z–параметры (все сопротивления). Эквивалентная схема для системы у-параметров приведена на рис.6. R₁ во входной цепи= 1/ , а R₂ в выходной цепи =1/ .

Кроме дифференциального коэффициента усиления иногда говорят о статическом коэффициенте усиления по току, например, для схемы с ОЭ: . Зная соотношение токов в транзисторе (ф.22) и коэффициент передачи для одной схемы включения, можно определить коэффициент передачи для любой другой схемы включения (формулы 19, 20, 21) Буквой α обозначен коэффициент передачи по току для схемы с ОБ, он не превышает 1.(табл.41).

С ростом частоты коэффициент передачи по току уменьшается (из–за наличия паразитных емкостей в p–n–переходах, из–за инерционности носителей и из–за наличия индуктивности выводов)(ф.33, рис. 42,43). Здесь и –комплексные амплитуды переменных составляющих силы тока во входной и выходной цепях, К₀ – коэффициент передачи по току на низких частотах, f_пр­– предельная частота усиления – частота, на которой модуль коэффициента передачи по току уменьшается в раз (или на 3 дБ) (рис.42, 43). Предельная частота усиления по току в схеме с ОЭ во много раз меньше, чем в схеме с ОБ Друг с другом они связаны соотношениями 35. Кроме этого, различают параметры: граничная частота усиления – частота, на которой коэффициент передачи по току в схемах с ОЭ ( ) и ОК (К) оказывается равным единице (рис.42); максимальная частота усиления –(ф.34) частота, на которой коэффициент усиления по мощности оказывается равным единице (К_р=1). На высоких частотах между входным и выходным токами возникает сдвиг фаз, определяемый соотношением 36.

При работе транзистора в квазистатическом режиме -с нагрузкой в выходной цепи (и на f, на которых не сказывается влияние реактивных элементов), принято расчитывать параметры транзистора с помощью нагрузочной прямой, которая описывается соотношением 23: Е₂=U₂ + I₂R_н (прямые 1 и 2 на рис.8 при различных Rн). Из рисунка 8 видно, что нагрузочная прямая отсекает на осях отрезки: U₂=Е₂ при I₂=0 и I₂=Е₂/R_н при U₂=0. Зная параметры рабочей точки и амплитуду входного сигнала проводят расчет параметров усилительного каскада. Определяются амплитуды токов и напряжений (ф.24, 25.1); коэффициенты усиления по току (ф.25.2), по напряжению и по мощности (ф.26); мощности полезного сигнала на входе (ф.27) и выходе (ф.32); мощность, рассеиваемую на выходном электроде (ф.29); мощность, потребляемую от ИП₂ (ф.31); максимально допустимую рассеиваемую мощность (ф.38), определяемую температурами переходов Тп и окружающей среды Тс и тепловым сопротивлением между переходами и окружающей средой Rпс; входное (ф.28) и выходное сопротивление; максимально допустимый выходной ток (ф.37) и КПД выходной цепи (30).

Работа БПТ в режиме больших импульсных сигналов (ключевой режим) характерна для ЦИС. В этом случае, он может находиться либо в закрытом состоянии (в режиме отсечки -точка Б на рис.10), либо в открытом (в режиме насыщения -точка В на рис.10) (табл.40). Качество работы электронного ключа (рис. 11) оценивается скоростью переключения, т.е. временем перехода из одного состояния в другое. На рис. 12 приведены осциллограммы входного и выходного токов при работе транзистора в импульсном режиме. Время включения транзистора состоит из времени задержки, требующегося на заряд барьерных емкостей эмиттерного и коллекторного переходов, а также времени нарастания тока, в течение которого происходит накопление избыточных зарядов: t_вкл=t_зд+t_нр. Время выключения зависит от времени рассасывания избыточного заряда и времени спада импульса: t_выкл=t_рас+t_сп.

t_зд – время задержки выходного импульса (от переднего фронта входного импульса до уровня 0,1·I_km);

t_нр – время нарастания переднего фронта (от уровня 0,1· I_km до 0,9· I_km);

t_рас – время рассасывания заряда (от заднего фронта до момента 0,9· I_km);

t_сп – время спада выходного импульса (от 0,9· I_km до уровня 0,1· I_km).

Лист 10 Полевой транзистор – полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем.

Электрод, из которого выходят носители заряда под действием напряжения на ЗАТВОРе, называется ИСТОКом, принимающий носители электрод называется – СТОКом. Схема усиления как по току, так и по напряжению – с ОИ.

Выделяют два основных типа полевых транзисторов:

– полевые транзисторы с управляющим переходом (рис.19-22), в качестве перехода может быть p–n–переход, гетеропереход или переход Шоттки);

– полевые транзисторы с изолированным затвором Их делят на МДП – транзисторы с индуцированным каналом (рис.1-4) и МДП–транзисторы со встроенным каналом (рис.10-13). У них затвор выполнен в виде металлической пленки, изолирован от канала тонким слоем диэлектрика (SiO₂), поэтому их называют МДП–транзисторами.

Кроме этого, все полевые транзисторы могут быть как с каналом n-типа (рис. 1, 3, 10,12, 19, 21) так и с каналом p-типа (рис. 2, 4, 11, 13, 20, 22).

На карточке изображены условные обозначения шести транзисторов (три n-канальных и три р–канальных) (рис.1,2,10,11,19,20), их разрезы (схематические устройства) (рис. 3,4,12,13,21,22), их стоко–затворные (управляющие, передаточные) характеристики (рис.5,6,14,15,23,24), их выходные (стоковые) характеристики (рис. 8, 9, 17, 18, 26, 27) и краткие описания принципа работы (7, 16, 25).

Для каждого транзистора можно определить свой набор рисунков:

1. МДП–транзистор с индуцированным n-каналом (рис.1, 3, 6, 8, 7);

2. МДП–транзистор с индуцированным р-каналом (рис.2, 4, 5, 9, 7);

3. МДП–транзистор со встроенным n-каналом (рис.10, 12, 15, 17, 16);

4. МДП–транзистор со встроенным р-каналом (рис.11, 13, 14, 18, 16);

5. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом n-каналом (19,21, 23, 26, 25);

6. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом р-каналом (20,22, 24, 27, 25).

Основными параметрами полевых транзисторов являются: входное и выходное (внутреннее) сопротивление (рис.28), крутизна стоко-затворной характеристики S (рис.29) и коэффициент усиления по напряжению (рис.30).

Крутизну можно определить как по стокозатворной характеристике (треугольник характеристический на рис.5, 6, 14, 15, 23, 24), так и по выходной (взяв 2 точки на 2 характеристиках при постоянном Uси).

Выходное сопротивление можно определить по выходной характеристике (характеристический треугольник на рис.8, 9, 17, 18, 26, 27).

Лист 11 Тиристор - это полупроводниковый прибор с тремя и более р-n–переходами, вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который используется для переключения токов больших мощностей.  На рис. приведены условные графические обозначения следующих тиристоров:    

1) диодный тиристор (динистор);

2) диодный симметричный тиристор (симистор, диак);

3) триодный незапираемый тиристор с управлением по аноду;

4) триодный незапираемый тиристор с управлением по катоду;

5) запираемый тринистор с управлением по аноду;

6) запираемый тринистор с управлением по катоду;

7) триодный симметричный незапираемый тиристор с управлением по аноду (симистор, триак).

Исходный полупроводниковый материал для тиристоров должен иметь большую ширину запрещенной зоны. В массовом производстве тиристоры делают только из кремния.

Диодный тиристор (динистор) – это тиристор, имеющий три выпрямляющих перехода и два омических (выводы -анод и катод). Структура диодного тиристора состоит из четырех областей полу­проводника с чередующимся типом электропроводности (рис. 8). На рис. 9 изображена ВАХ динистора.

Участок 1–2. Напряжение на аноде положительно, ток незначителен, то есть тиристор закрыт. Этот участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ p-n–перехода.

Участок 2-3- участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением тиристора. В точках 2 и 3 дифференциальное сопротивление тиристора равно нулю. Координаты точек 2 и 3 являются параметрами тиристора: Uвкл=U₂ - напряжение включения; Iвкл =I₂- ток включения; Iуд=I₁ (Iвыкл) - ток удержания (ток выключения); Uуд(Uвыкл)=U₁ - напряжение удержания (напряжение выключения). Удерживающий ток тири­стора — это минимальный ток, который необходим для поддержа­ния тиристора в открытом состоянии.

Участок 3-4. Тиристор открыт и через него протекает прямой ток, ограниченный сопротивлением внешней цепи.

Участок 1-5. Напряжение на аноде отрицательно. Ток мал. Тиристор закрыт.

Участок 5-6. Резкое увеличение тока тиристора при увеличении отрицательного напряжения на аноде соответствует режиму электрического пробоя.

Включают динистор увеличением анодного напряжения до напряжения включения (рис.18).

Выключить динистор можно прервав ток в цепи динистора (размыканием цепи рис.14), шунтированием прибора (U_D=0, рис.15), снижением тока анода до I_выкл включением добавочного резистора (рис.16), подачей обратного напряжения при помощи конденсатора (рис.17)(см. соотв. 21-24).

Триодный тиристор (тринистор рис.3-7) — это тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод (анод, катод и управляющий электрод). Для переключения триодного тиристора из закрытого состоя­ния в открытое также необходимо накопление неравновесных носителей заряда в базовых областях. Уровень инжекции через прилегающий к базе эмиттерный переход можно уве­личить путем подачи положительного по отношению к катоду напряжения на управляющий электрод (рис.19). Из ВАХ тринистора видно, что при увеличении тока управления снижается напряжение включения (рис. 11). На рис.10 показана структура тринистора с дополнительным p-n-переходом около управляющего электрода. После включения управляющий электрод теряет свои управляющие свойства и с его помощью выключить тиристор нельзя (незапираемые -рис.3, 4 и7). Для выключения используются такие же методы, как и для динистора (рис.14-17, 21-24).

На рис.5 и 6 изображены условные обозначения запираемых тиристоров. Они отличаются от незапираемых тем, что они могут как включаться, так и выключаться с помощью тока управляющего электрода (рис.19)

Симисторы (рис. 2 и 7) используются для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока.

Симметричный диодный тиристор (диак) (рис. 2 и 12) — это диодный тиристор, способный переключаться как в прямом, так и в обратном направлениях. Структура симметричного диодного тиристора состоит из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре р-n-перехода (рис. 12) Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями приле­гающих областей с электропроводностью р-типа. Вольт-мперная характеристика такого тиристора получается одинаковой при разных полярностях приложенного напряжения (рис. 13).

Симметричный триодный тиристор (триак) (рис. 7) — это триодный тиристор, который при подаче сигнала на его управляющий электрод включается как в прямом, так и в обратном направлениях. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.

ВАХ фототиристора подобна характеристике обычного тиристора, представленной на рис.11, только роль тока управления обычного тиристора в фототиристоре играет световой поток Ф (Люмен) (рис.20). В обоих тиристорах имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В фототиристоре цепь управления изолирована от анодного напряжения. Фототиристорный оптрон коммутирует силовые цепи с напряжением 1300 В и током 300 А. Фототиристор остается открытым и после прекращения действия излучения. Чтобы перевести ФТ в высокоомное состояние (закрыть), необходимо снять внешнее напряжение с его электродов. Если тиристор включается в цепь переменного или пульсирующего напряжения, то его выключение происходит в каждый из периодов при снижении напряжения и тока через тиристор до значений, при которых не может поддерживаться включенное состояние структуры.

Тиристоры используются для коммутации больших токов. В устройствах связи и автоматики используются тиристоры, имеющие напряжение включения десятки и сотни вольт, остаточное напряжение на включенном приборе 1...2 В, постоянный анодный ток более 10 А при этом ток управления может составлять десятки микроампер. Мощные высоковольтные тиристоры, используемые в энергетических установках, могут коммутировать токи до 1000 А при напряжениях до 6 кВ. Единственная область, в которой тиристоры продемонстрировали высокую конкурентоспособность - это мощные токовые ключи различного назначения, в качестве которых они сейчас успешно и широко используются.