1. Вах полупроводникового диода. Электронные процессы в p-n переходе.

Диодами называют двухэлектродные элементы, обладающие односторонней проводимостью тока, обусловленной применением полупроводниковой структуры, сочетающей в себе два слоя: один с электронной, другой с дырочной электропроводностью (см. рис. 1а).

Электронные процессы при отсутствии напряжения: обычно концентрация акцепторной примеси намного больше концентрации донорной примеси.

Диффузионный ток – движение дырок навстречу электронам, дрейфовый ток создан не основными носителями заряда, эти токи направлены встречно и равны друг другу.

При наличии внешнего напряжения, в прямом направлении: сужение p-n перехода, и увеличение диффузионного тока через него – инжекция носителей через p-n переход. Iпр=Iдрейф-Iдиффуз, Iдрейф=Const. С повышением прямого напряжения, потенциальный барьер ещё больше повышается, а Iдиффуз уменьшается

Включение в обратном направлении:уменьшается диффузионный ток, дрейфовый не уменьшается, но он больше диффузионного. Iобр=Iдрейф-Iдиф. (Величина тока зависит от площади перехода). Обратный ток – тепловой ток.

Полная ВАХ диода (в I квадранте масштаб на 3 порядка больше, чем в III).

S – площадь перехода, Iдрейф – дрейфовая плотность тока.

0-1: Сказывается объемное сопротивление слоев p-n структуры, которое растет с ростом тока, когда существенно увеличивается падение напряжения на диодеU_пр. В кремниевых диодах U_пр = 0,8...1,2В (из-за большого удельного сопротивления), в германиевых U_пр = 0,3...0,6В.

1-2: Оказывает влияние ТОК УТЕЧКИ через поверхность p-n перехода и ГЕНЕРАЦИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА, которая является причиной возможного пробоя p-n перехода. Ток утечки линейно зависит от величины приложенного к диоду обратного напряжения U_обр,: ток утечки создается различными загрязнениями на внешней поверхности полупроводниковой структуры, которые увеличивают проводимость кристалла и обратный ток через диод I_обр.

2-3: (Генерация зарядов начинается, когда U_обр >U_доп). Изменение характеристики до пробоя.

3-4: Резкое возрастание обратного тока, оно характеризует пробой p-n перехода. Пробой бывает электронный и тепловой. Электронный пробой бывает лавинный и туннельный. Лавинный возникает при энергии достаточной до отрыва электрона, образуется пара, которая ускоряется и т.д.. Он возникает в широких p-n переходах. Туннельный пробой, под действием электрического поля, происходит непосредственный отрыв электронов, без столкновения, увеличивается обратный ток, возникает в узких p-n переходах.

5-4: Тепловой пробой. Разрушение локального участков и превышение критической концентрации электронов.

2. Принцип действия биполярного транзистора и его основные параметра. Статический вах транзистора с об и оэ.

Транзистором – полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов по мощности, имеет трехслойную полупроводниковую структуру и содержит два p-n перехода. Существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n.

Внешние напряжения подключают к транзистору таким образом, чтобы эмиттерный переход оказался смещенным в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

Напряжение Uэ действует в прямом направлении, и дырки из эмиттера в большом количестве будут диффундировать в область базы. Диффузионный поток электронов, основных носителей заряда в базе, также возрастает.

Осовная функция эмиттерного перехода сводится к ИНЖЕКЦИИ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА (ДЫРОК) В БАЗУ.

Iэ = Iэp + Iэn

Iк = Iкp + Iк0

Iб = Iбp + Iэn - Iк0

принцип действия основан на создании транзитного потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управления выходным током за счет изменения входного тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

В соответствии с первым законом Кирхгофа:

Iэ = Iк + Iб;

Iк =  Iэ + Iк0;

Iб = (1- )Iэ - Iк0

Статические ВАХ транзистора.

При расчете и анализе электронных схем удобно пользоваться входными и выходными ВАХ

транзистора. ВАХ снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения, поэтому их называют статическими. Статические характеристики транзистора в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы, поэтому рассмотрим характеристики только для: ОБ и ОЭ.

Схема ОБ.

Зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и базой - это выходные характеристики. Они снимаются при постоянном токе эмиттера:

Iк = f(Uкб)| _Iэ=const

Для p-n-p транзистора напряжение Uкб отрицательное (см. рис.2.3).

ВАХ имеет три явно выраженные области:

1 - крутая область, где зависимость Iк от Uкб сильная; (при заданном токе эмиттера и отсутствии напряжения коллекторного источника (Uкб=0) дырки все равно перебрасываются в коллектор под действием внутренней разности потенциалов 0. С увеличением тока эмиттера требуется несколько большее положительное напряжение, поэтому начальные участки характеристик смещены влево).

2 - пологая или линейная область, где зависимость Iк от Uкб слабая; (небольшой подъем при увеличении Uкб. Некоторое увеличение тока Iк объясняется увеличением коэффициента передачи тока  вследствие возникающего эффекта Эрли - эффекта модуляции толщины базового слоя, а также из-за роста тока Iк0 = f(Uкб) Эффект модуляции базы связан с расширением коллекторного перехода lк за счет увеличения объемного заряда, вызванного повышением напряжения Uкб)

3 - область пробоя коллекторного перехода. (Коллекторное напряжение не может повышаться произвольно - возможен электрический пробой коллекторного перехода (область 3). Электрический пробой может перейти в тепловой и транзистор выходит из строя. Предельно-допустимая величина Uкб max указывается в справочниках.)

Некоторое возрастание тока Iк при повышении напряжения Uкб, вызванное эффектом модуляции базы, характеризуют дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода rк:

r_к(б) = du_кб/di_к|_{iэ = const}

Нижняя ветвь семейства ВАХ - это зависимость:

I_к = f (U_кб)|_Iэ=const

В области 2 выходные характеристики практически линейны и сопротивление rк можно считать постоянным. Тогда для этой области Iк = f(Uкб) можно представить в более корректной форме:

Uкб

Iк = Iэ + ------- + Iк0.

rк(б)

Повышение температуры приводит к увеличению тока Iк0 и смещению характеристик вверх.

Аналогичное воздействие на коллекторные характеристики оказывает зависимость  от температуры: при повышении температуры  несколько возрастает.

Входные характеристики транзистора ОБ представляют собой зависимость:

I_э = f (U_эб)|_Uкб=const

Входная характеристика при более высоком напряжении Uкб, располагается левее и выше. Это обуславливается эффектом модуляции базы: градиент концентрации дырок в базе увеличивается, что и приводит к возрастанию тока эмиттера.

Схема ОЭ.

Необходимы два источника питания: Uкэ и Uбэ. Uбэ определяет падение напряжения на эмиттерном переходе. Напряжение на коллекторном переходе равно разности Uкэ и Uб.

Выходные характеристики транзистора ОЭ

I_к = f(U_кэ)| _Iб=const

1-линия насыщения (область двойной инжекции),

2-область нормального активного режима,

3- область электрического пробоя.

коэффициент передачи базового тока транзистора ОЭ.

Коэффициент  показывает связь тока коллектора с входным током - током базы. Если для транзисторов  = 0,9...0,99, то  = 9...99. Таким образом, включение транзистора по схеме ОЭ позволяет усиливать входной ток

U_кэ I_к =  I_б + ------- + I_ко(э)

r_к(э)

где rк(э) = rк(б)/(1+); Iко(э) = (1+) Iк0.

Дифференциальное сопротивление коллекторного перехода rк(э) в схеме ОЭ меньше.

При нулевом токе базы протекает начальный, или сквозной ток:

Iко(э)  Iэо = (1+) Iк0

в схеме ОЭ при нулевом входном токе в коллекторной цепи

транзистора течет ток в (1+) раз больше, чем в схеме ОБ.

Если эмиттерный переход перевести в закрытое состояние, т.е. подать на вход напряжение Uбэ>0, то коллекторный ток уменьшится до величины Iк0. Область, лежащая ниже характеристики, соответствующей Iб=0, называется областью отсечки.

=/(1-) Пробой коллекторного перехода в схеме ОЭ наступает при меньшем коллекторном напряжении, чем в схеме ОБ (примерно в 1,5...2 раза).

Входные характеристики транзистора ОЭ

Входные (базовые) характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, это зависимости:

I_б = f(U_бэ) | _Uкэ=const