
- •Физические основы полупроводниковой электроники.
- •Зонная теория твёрдого тела.
- •Распределение носителей зарядов по энергетическим уровням в полупроводниках.
- •Уравнение электронейтральности.
- •Неравновесные процессы в полупроводниках.
- •Непрямые процессы в объёме и на поверхности полупроводника в условиях динамической неравновесности.
- •Квазиуровни и квазипотенциалы Ферми.
- •Теория р-n перехода
- •2.1)Структура р-n перехода в состоянии термодинамического равновесия.
- •2.2)Работа р-n перехода при внешнем воздействии.
- •2.3)Методы создания электронно-дырочных переходов.
- •2.4)Вольт-амперная характеристика р-n перехода.
- •Полупроводниковые диоды.
- •3.1) Выпрямительные диоды, стабилитроны, стабисторы, диоды Шоттки.
- •Параметры
- •[Править]Свойства диодов Шоттки
- •3.2) Переходные процессы в диодах с р-n переходом.
- •Биполярный транзистор.
- •4.1) Структура и принцип работы.
- •4.2) Статистическая модель биполярного транзистора. Распределение концентрации носителей в области базы, эмиттера, коллектора. Математическая модель Эберса-Молла.
- •4.3) Параметры биполярного транзистора.
- •4.4) Статические характеристики биполярных транзисторов.
- •4.6) Работа транзистора на нагрузку.
- •4.7) Квазистатический режим работы транзистора.
- •4.8) Типы биполярных транзисторов.
- •5.2) Основные параметры полевых транзисторов.
- •6) Переключающие приборы .Тиристоры.
- •6.1) Основные особенности конструкции и классификации тиристоров.
- •[Править]Вольтамперная характеристика тиристора
- •6.2) Тринистор –управляемый динистор. Вах тринистора , зависимость параметров от тока управления . Симисторы ,конструкция и вах.
- •7) Компоненты оптоэлектроники .
- •7.1) Механизм генерации излучения в полупроводниках .
3.2) Переходные процессы в диодах с р-n переходом.
При резком изменеии тока через p-n переход напряжение на нём установив с течением времени.Такой перходн. процесс обусловлен имперционностью процессов,протекающих в p-n переходах.
Переходные процессы:
Включение
Выключение(отключение)
Переключение диода из прямого напряжения в обратное
Инерционность связана с :
а) накоплением и рассасыванием неосновных носителей в диоде.Это происходит при прямом и обр. включении диффузии и рекомбинации .
б)перезарядом барерной ёмкости рамссм. переход. процессы включения p-n перехода




Ig
E(t)
Ug
Любому
диоду можно сопоставить сопротивление
диода и вентиль эквивал.малосигнальнаю
схема диода облигчает от простейшей и
выглядет
Сбар rпер rбазы
Uпер Uб
Ug
rпер- дифференциальноу сопротивление переход а
rбазы объёмное сопротивление переход а
Сбар- барерная ёмкост p-nперехода
Ug –Uпер+Uбазы =Uпер +Ig rбазы
а) 1)При достаточно
больших прямых токах Rперех
будет равно: Rперех
=
2)При достаточно больших прямых токах влияние Сбар можно не учитовать
Переходные процессы в диоде обусловлены изменением rбазы
б)1)При обратном включении диода из-за малых токов,малое влияние имеет rбазы ,поэтому на переход влияет рассасывание зарядов в базе и перезаряд Сбар
Импульсные диоды.
Импульсный диод — диод, предназначенный для работы в импульсных схемах. Положительный импульс диод пропускает без искажений и при прямом напряжении через диод проходит большой ток. При смене полярности входного напряжении на отрицательный диод запирается, но не сразу, в начале происходит резкое увеличение обратного тока, затем, после рассасывания, неравновесных носителей восстанавливается высокое сопротивление p-n перехода, и диод запирается. Данный тип диодов применяют в импульсных ключевых схемах с малым временным переключением.
Биполярный транзистор.
4.1) Структура и принцип работы.
Биполярный транзистор – трёхполюсный полупроводниковый прибор с двумя p–n-переходами. Он состоит из чередующихся областей полупроводника,имеющих электропроводность различных типов. В зависимости от последовательности чередования n- и p-областей различают транзисторы n–p–n- и p–n–p-типов. На практике используются транзисторы обоих типов; принцип действия их одинаков. Основными носителями заряда в транзисторе n–p–n-типа являются электроны, а в p–n–p-транзисторе – дырки. Так как в кремнии электроны обладают большей подвижностью, чем дырки, то чаще используют транзисторы n–p–n-типа. На рис. 6.1, а изображена идеализированная структура биполярного n–p–n-транзистора. На рис. 6.1, б приведено его условное графическое обозначение. На рис. 6.1, в, г показаны структура и условное графическое обозначение p–n–p-транзистора. Заметим, что n–p–n- и p–n–p-транзисторы имеют обратные полярности напряжений. Соответственно противоположные направления имеют и токи.
Центральная область транзистора, называемая базой, заключена между коллектором и эмиттером. Толщина базы мала и не превышает нескольких микрон. Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным. Симметричные структуры биполярных транзисторов, показанные на рис.6.1, являются идеальными. Структура реального транзистора несимметрична(рис. 6.2). Площадь коллекторного перехода значительно больше, чем эмиттерного.
Каждый из p–n-переходов транзистора может быть смещён либо в
прямом, либо в обратном направлениях. В зависимости от этого различают
четыре режима работы транзистора:
1) активный (усиления). Эмиттерный переход смещён в прямом
направлении, а коллекторный – в обратном;
2) отсечки. Оба перехода смещены в обратном направлении;
3) насыщения. Оба перехода смещены в прямом направлении;
4) инверсный. Эмиттерный переход смещён в обратном направлении,
а коллекторный -– в прямом.
Рассмотрим подробнее каждый из режимов работы транзистора на
примере прибора n–p–n-типа.
Активный режим. Так как эмиттерный переход смещён в прямом
направлении, происходит инжекция носителей из эмиттера в базу. Поскольку
область эмиттера легирована сильнее, чем область базы, поток электронов
преобладает над потоком дырок. Из-за малой толщины базы почти все
электроны, пройдя базу, достигают коллектора. Только малая доля электронов
рекомбинирует в базе с дырками. Коллекторный переход смещён в обратном
направлении, поэтому электроны, достигшие коллекторного перехода,
втягиваются полем перехода в коллектор. Происходит экстракция электронов в
коллектор.
Токи транзистора, работающего в активном режиме, связаны
соотношениями:
Множитель α называют коэффициентом передачи тока эмиттера. У
интегральных транзисторов α = 0.99–0.995. Из равенств (6.1) следует, что
Множитель
β
называют коэффициентом усиления тока базы. Так как
величина α близка к 1, то β может принимать большие значения. Для
интегральных n–p–n-транзисторов оно составляет от 50 до 200.
Связь между напряжением эмиттерного перехода и током эмиттера имеет
pэкспоненциальную
форму:
Обратный ток эмиттерного перехода э0
I
обратно пропорционален
ширине базы и прямо пропорционален площади эмиттерного перехода.
Последнее свойство часто используется разработчиками интегральных схем
при конструировании источников постоянного тока (см. параграф 6.9). В
зависимости от размеров транзистора величина э0
I
составляет от
12
10
−
до
18
10
−
А. Ток э0
I
зависит от температуры, удваиваясь при увеличении
температуры примерно на 7 °С.
Таким образом, работа биполярного транзистора в активном режиме
основана на сочетании процессов инжекции носителей через один переход и
собирания их на другом переходе. Концентрация примесей в эмиттере
значительно больше, чем в базе и коллекторе. Поэтому электронная
составляющая тока n–p–n-транзистора является преобладающей. В активном
режиме ток коллектора управляется током эмиттера (или напряжением
эмиттерного перехода) и почти не зависит от напряжения на коллекторном
переходе, поскольку последний смещен в обратном направлении. Активный
режим является основным, если транзистор используется для усиления
сигналов.
Режим отсечки. Инжекция основных носителей в область базы наблюдается
в том случае, если эмиттерный переход смещён в прямом направлении. Если
напряжение Uбэ меньше пороговой величины (0.6 В для кремниевых
транзисторов), заметной инжекции носителей в базу не наблюдается. При этом
I
э = I
б = 0 . Следовательно, ток коллектора также равен нулю. Таким образом, для
режима отсечки справедливы условия: Uбэ <0.6B или
I
б = 0 .
Режим насыщения. Если оба перехода смещены в прямом направлении,
носители инжектируются в базу как из эмиттера, так и из коллектора.
В этом режиме ток коллектора не зависит от тока базы. Коллекторный переход
отпирается, если напряжение коллектор-база Uкб <−0.4 В. При этом
напряжение коллектор-эмиттер не превышает напряжение насыщения:
Uкэ ≤Uкэ нас . Значение Uкэ нас находится в пределах 0,2–0,3 В.
Режимы отсечки и насыщения биполярных транзисторов являются
основными, когда они работают в ключевых и логических схемах.
Инверсный режим. Биполярный транзистор является симметричным
прибором в том смысле, что область полупроводника с одним типом
проводимости располагается между двумя областями с другим типом
проводимости. Поэтому транзистор можно включить так, что коллекторный
переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном. При этом
эмиттер играет роль коллектора, а коллектор – эмиттера. Такой режим работы
биполярного транзистора называют инверсным. Однако коллектор и эмиттер
изготавливают неодинаковыми (см. рис. 6.2), с тем, чтобы наибольшее
усиление достигалось в активном режиме. В инверсном режиме усиление
транзистора невелико. Такой режим используют в некоторых цифровых схемах.
Режимы работы биполярного транзистора и схемы включения.
Анализируя возможность использования биполярных транзисторов для усиления электрических сигналов, мы ограничивались только одним частным случаем подачи на электроды транзистора определенных напряжений и не рассматривали некоторые достаточно важные физические процессы в полупроводнике. Но помимо уже описанной ситуации возможны и другие, приводящие, например, к протеканию в n-p-n-структуре тока не от коллектора к эмиттеру, а, наоборот, от эмиттера к коллектору и т.п. В общем случае для биполярного транзистора возможны четыре устойчивых состояния (режима). Они отличаются друг от друга тем, в каком состоянии (прямое или обратное смещение) находятся эмиттерный и коллекторный переходы транзистора. Приведем их полное описание.
Активный режим — соответствует случаю, рассмотренному при анализе усилительных свойств транзистора. В этом режиме прямосмещенным оказывается эмиттерный переход, а на коллекторном присутствует обратное напряжение. Именно в активном режиме транзистор наилучшим образом проявляет свои усилительные свойства. Поэтому часто такой режим называют основным или нормальным.
Инверсный режим — полностью противоположен активному режиму, т.е. обратносмещенным является эмиттерный переход, а прямосмещенным — коллекторный. В таком режиме транзистор также может использоваться для усиления. Однако из-за конструктивных различий между областями коллектора и эмиттера усилительные свойства транзистора в инверсном режиме проявляются гораздо хуже, чем в режиме активном. Поэтому на практике инверсный режим практически не используется.
Режим насыщения (режим двойной инжекции) — оба перехода транзистора находятся под прямым смещением. В этом случае выходной ток транзистора не может управляться его входным током, т.е. усиление сигналов невозможно. Режим насыщения используется в ключевых схемах, где в задачу транзисторов входит не усиление сигналов, а замыкание/размыкание разнообразных электрических цепей.
Режим отсечки — к обоим переходам подведены обратные напряжения. Такой режим также используется в ключевых схемах. Поскольку в нем выходной ток транзистора практически равен нулю, то он соответвует размыканию транзисторного ключа.
Заметим, что кроме названных основных рабочих режимов в транзисторе возможен режим пробоя на различных переходах. Обычно он возникает только в случае аварии и не используется в работе, однако существуют специальные лавинные биполярные транзисторы, в которых режим пробоя является как раз основным рабочим режимом.
Помимо режима работы для эксплуатации биполярных транзисторов имеет значение то, каким образом транзистор включен в каскад усиления (как поданы питающие напряжения на его электроды, в какие цепи включены нагрузка и источник сигнала). Различают три основных способа (рис. 1.3): схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ).
Распределение стационарных потоков носителей.
Рассмотрим распределение потоков носителей в транзисторе на
примере структуры типа р-n-р.
Активный режим. Через эмиттерный переход транзистора, ра-
ботающего в активном режиме, происходит инжекция носителей заряда в
базу (рис. 5).
Рис. 5. Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе
при активном режиме
Инжектированные носители (ток IэР) частично рекомбинируют в
объеме базы и на его поверхности, а некоторые из них могут доходить до
омического перехода с базой и рекомбинировать на нем (токи Iрек v, Iрек s
,
Iрек кон). Остальные инжектированные носители пересекают базу, доходят
до коллекторного перехода и увеличивают его обратный ток.
К току носителей заряда, инжектированных эмиттером и дошедших
до коллектора (IКр), добавляется ток носителей, образовавшихся в
результате тепловой генерации в базе (IБ ген)
, в коллекторе (IК ген), а также в
коллекторном переходе (Iген). Кроме того, при достаточно больших
напряжениях в коллекторном переходе происходит лавинное размножение
14
носителей (IЛ). Могут существовать и токи утечки по поверхности
полупроводника. Все эти токи в сумме образуют ток коллектора.
Через эмиттер помимо тока носителей заряда, инжектируемых в базу
IЭр, проходит ток носителей, инжектируемых из базы в эмиттер (IЭп). В
области эмиттера эти носители оказываются неосновными и
рекомбинируют. Кроме того, через эмиттерный переход проходит ток,
связанный с рекомбинацией носителей в области объемного заряда (IЭ рек),
а иногда (при малых общих токах) нужно учитывать и ток утечки.
Ток, проходящий к выводу базы, представляет собой алгебраическую
сумму токов основных носителей, обусловливающих инжекцию носителей
в эмиттер (IЭп), рекомбинацию в эмиттерном переходе (IЭ рек) и в базе (Iрек v
+Iрек s
), обратных токов коллекторного перехода (IБ ген + IЛ + Iген + IК ген), а
также тока неосновных носителей заряда, дошедших до вывода базы
(Iрек кон). Значение и направление тока базы определяются соотношением
этих составляющих.
Если рассматривать распределение токов в транзисторе с точки
зрения взаимного влияния эмиттера и коллектора, то оказывается, что от
тока эмиттера существенно зависит только составляющая IКр тока
коллектора, обусловленная инжектированными эмиттером в базу
носителями, дошедшими до коллектора, а также составляющая тока,
связанная с лавинным размножением в коллекторном переходе (Iл). Все
остальные составляющие тока коллектора либо совсем не зависят от тока
эмиттера, либо эта зависимость слабая (IК ген).
Кроме того, на значение тока коллектора влияет не весь эмиттерный
ток, а только его составляющая IЭp, связанная с инжекцией неосновных
носителей в базу. Составляющие тока эмиттера, связанные с инжекцией из
базы в эмиттер (IЭп) и рекомбинацией в области объемного заряда (IЭ рек),
хотя и зависят от напряжения на эмиттерном переходе, на ток коллектора
непосредственно не влияют.
15
Чтобы ток эмиттера эффективно управлял током коллектора,
принимают меры для уменьшения всех составляющих тока, не
принимающих участия в таком управлении. Прежде всего стараются
сократить потери носителей заряда, инжектируемых в базу. Для этого:
1) толщину базы делают небольшой по сравнению с диффузионной
длиной неосновных носителей заряда, что снижает потери на
рекомбинацию в объеме базы (Iрек v);
2) поверхность полупроводника обрабатывают так, чтобы получить
по возможности малое значение скорости поверхностной рекомбинации
(уменьшить Iрек s
);
3) вывод базы располагают настолько далеко от эмиттера, что до
него дырки практически не доходят (уменьшение Iрек кон);
4) размеры коллектора делают такими, чтобы он мог перехватить
весь поток носителей, идущих от эмиттера, т. е. площадь коллекторного
перехода должна быть значительно больше площади эмиттерного
перехода.
Рассмотрим, как происходит усиление в транзисторе при активном
режиме его работы.
В схеме с общей базой (рис. 6) в выходной цепи (коллекторной)
практически проходит тот же ток, что и во входной (эмиттерной), т. е.
усиление по току в данном случае отсутствует. Однако эта схема дает
возможность получить усиление по мощности.
Чтобы понять принцип усиления мощности в транзисторе, надо
учесть взаимодействие носителей заряда с электрическим полем. На-
пример, дырка, двигаясь по направлению электрического поля, разгоняется
в этом поле и приобретает дополнительную энергию, забирая ее от
электрического поля. Если же заставить дырку двигаться против
электрического поля, то она будет тормозиться этим полем, отдавая ему
часть своей энергии.
16
Рис. 6. Схема включения транзистора с общей базой
Электрическое поле в коллекторном переходе транзистора состоит
из постоянной составляющей, созданной внешним источником питания в
цепи коллектора, и переменной составляющей, возникающей при
экстракции неосновных носителей из базы в коллекторный переход.
Мгновенные значения переменной составляющей электрического поля в
любой момент времени направлены в сторону, противоположную
постоянной составляющей.
Поэтому дырка, проходя по коллекторному переходу, взаимо-
действует сразу с двумя составляющими электрического поля. От
постоянной составляющей электрического поля дырка забирает энергию,
двигаясь по направлению этой составляющей. Одновременно, двигаясь
против мгновенных значений переменной составляющей электрического
поля, дырка отдает часть своей энергии переменной составляющей.
Происходит своеобразное перекачивание энергии от постоянной
составляющей электрического поля к переменной составляющей.
Посредниками в этом перекачивании энергии являются носители заряда,
инжектированные из эмиттера и дошедшие до коллекторного перехода.
Для их инжекции требуется произвести относительно небольшую работу,
так как высота потенциального барьера эмиттерного перехода мала.
В схеме с общим эмиттером входной цепью является цепь базы. Так
как ток базы существенно меньше тока эмиттера, можно получить и
17
усиление по току. Изменяя ток через вывод базы, меняем количество
основных носителей в области базы, т. е. заряд базы, и, следовательно,
потенциальный барьер между эмиттером и базой. Изменение высоты
потенциального барьера вызывает соответствующую инжекцию
неосновных носителей заряда. Большинство инжектированных, носителей
доходит до коллекторного перехода, изменяя его ток. Основной носитель
заряда, введенный в базу из вывода базы, либо может исчезнуть
вследствие рекомбинации, либо может быть инжектирован в эмиттер. Как
указывалось, в транзисторе приняты меры, чтобы вероятность этого была
мала, и на один основной носитель заряда, вошедший в базу, приходится
много неосновных носителей заряда, прошедших от эмиттера до
коллектора. В этом и заключается усиление по току в схеме с общим
эмиттером. Усиление по мощности в данном случае объясняется
аналогично усилению в схеме с общей базой.
В схеме с общим коллектором выходной цепью является эмиттерная,
входной – цепь базы. В связи с тем что ток эмиттера почти равен току
коллектора, здесь тоже имеет место усиление по току и по мощности.
Режим насыщения. При работе транзистора в режиме насыщения
(рис. 7) в прямом направлении включен не только эмиттерный, но и
коллекторный переход. Это приводит к тому, что не все носители,
инжектированные эмиттером и дошедшие до коллекторного перехода,
перехватываются им.
Рис. 7. Распределение стационарных потоков носителей заряда в транзисторе
в режиме насыщения
18
Условно можно считать, что навстречу потоку неосновных
носителей, идущих из базы в коллектор, идет поток таких же носителей из
коллектора в базу, и суммарный их ток определяется разностью этих
потоков.
В связи с тем что в режиме насыщения коллекторный переход уже не
осуществляет полной экстракции носителей из базы, там происходит их
накопление и интенсивная рекомбинация.
Режим отсечки. Если на обоих переходах транзистора напряжение
обратное, то через них проходят токи, обусловленные процессами
тепловой генерации носителей заряда в объеме полупроводника, областях
объемного заряда и на омических переходах, а также утечками. При
достаточно больших напряжениях происходит лавинное размножение.