Твердотельная електроника / TTE_Lect1

вільні рівні в р-області. Внаслідок цього відбувається тунельний перехід електронів з n-області до р-області й проходить прямий тунельний струм, величина якого пропорційна до площі перекриття вільних енергетичних рівнів ВЗ р-області й заповнених енергетичних рівнів ЗП n-області. Тунельний струм зростатиме доти, поки перекриття не стане максимальним (рисунок 5.3,в). Подальше зростання прямої напруги зменшує площу перекриття відповідних рівнів, і тунельний струм зменшується (рисунок 5.3,г). При певній прямій напрузі зайняті електронами енергетичні рівні ЗП n-області стануть напроти енергетичних рівнів ЗЗ р-області. Тунельний перехід електронів у цьому випадку стане неможливим і тунельний струм припиниться. В той самий час при прямих напругах у діоді відбувається, як правило, інжекція носіїв, що зумовлює проходження через нього дифузійного струму (рисунок 5.3,д,е), який при напрузі

U Uв стає більшим, ніж тунельний струм.

Якщо діод увімкнути у зворотному напрямі, то рівні Фермі зміщуються так, як показано на рисунку 5.3,ж, і з’являється можливість тунельного переходу електронів із заповнених рівнів ВЗ р- області на вільні рівні ЗП n-області. Це приводить до проходження через діод великого зворотного тунельного струму.

Р-n-переходи тунельних діодів одержують здебільшого способом сплавлення з германію, арсеніду галію та антимоніду галію. Оскільки для виготовлення таких діодів використовують вироджені НП, які за характером провідності наближаються до металів, то робоча

температура приладів досягає 400 С.

Недоліком тунельних діодів є мала потужність із причини низьких робочих напруг (десяті частки вольта) і малих площ переходу.

За своїм призначенням тунельні діоди поділяються на підсилювальні (третій елемент позначення – 1), генераторні (2) та перемикальні (3).

Приклади позначення тунельних діодів:

АИ201Г – діод тунельний генераторний, широкого застосування , з арсеніду галію, номер розробки 01, група Г.

ЗИ306Е – діод тунельний перемикальний, спеціального застосування , з арсеніду галію, номер розробки 06, група Б.

Тунельні діоди дозволяють будувати підсилювачі, генератори, змішувачі у діапазоні хвиль аж до міліметрових. На тунельних діодах

51

створюють і різноманітні імпульсні пристрої: тригери, мультивібратори з дуже малим часом перемикання.

Частковим випадком тунельних діодів є обернені діоди, у яких внаслідок тунельного ефекту провідність при зворотних напругах значно більша, ніж при прямих. Р-n-переходи обернених діодів створюються напівпровідниками, що мають дещо меншу концентрацію домішок, і тому їх рівні Фермі збігаються з краями ЗП і ВЗ (рисунок 5.4,а). При вмиканні таких діодів у зворотному напрямі тунельні електрони з ВЗ р-області переходять на вільні рівні ЗП n- області, і через р-n-перехід тече великий зворотний струм. При прямому вмиканні діодів перекриття зон невідбувається, тунельний ефект не спостерігається, і прямий струм визначається лише дифузійним струмом. ВАХ оберненого діода показана на рисунку 5.4,б. Саме її форма дала назву даним діодам.

Рисунок 5.4 – Енергетична діаграма (а) та ВАХ (б) оберненого діода

Третій елемент їх позначення – цифра 4. Мала інерційність унаслідок тунельного ефекту і велика крутизна характеристики зумовлюють використання обернених діодів у детекторах і змішувачах діапазону надвисоких частот.

52

5.1.4 Варикапи

Варикапи – це напівпровідникові діоди, у яких використовується залежність бар’єрної ємності р-n-переходу від зворотної напруги. Варикапи поділяються на підстроювальні (третій елемент позначення – 1) і варактори (третій елемент – 2).

Підстроювальні варикапи використовуються, наприклад, для електронного підстроювання резонансної частоти коливальних контурів (рисунок 5.5). На схемі рисунок 5.7 конденсатор С запобігає замиканню напруги зміщення через котушку індуктивності L . Ємність конденсатора значно перевищує бар’єрну ємність варикапа

V1. Тому резонансна частота контура дорівнює

де CV1 -ємність варикапа.

Регулюючи напругу зміщення, яка подається на варикап з

потенціометра R2 через резистор R1 , можна змінювати ємність приладу, а, отже, і резонансну частоту контура. Резистор R1 запобігає можливості шунтування коливального контура при переміщенні

повзунка потенціометра. Опір R1 вибирають більшим, ніж резонансний опір контура.

Рисунок 5.5 – Схема ввімкнення варикапа

Варикапи, які мають виражену нелінійну вольт-амперну характеристику, називають варакторами і використовують у пристроях параметричного підсилення і помноження частоти.

Основні параметри варикапів: номінальна ємність, виміряна

при даній зворотній напрузі Uзв ; максимально допустима зворотна

53

напруга Uзвmax ; добротність варикапа, яку визначають відношенням

реактивного опору до опору втрат.

Розглянемо вплив параметрів еквівалентної схеми діодів (рисунок 3.6,б) на добротність варикапа.

Комплексний опір діода при зворотному вмиканні:

З формул (5.4) та (5.5) можна записати вираз для добротності варикапа

З виразів (5.7) та (5.8) випливає, що з метою збільшення добротності варикапа необхідно збільшувати зворотний опір його р-n- переходу і зменшувати опір бази.

Для виконання першої умови варикапи виготовляють з

54

кремнію. Для одержання малого опору бази для варикапа використовують структуру p n n , в якій база складається з

двох шарів: n і n (рисунок 5.6). n-шар бази має малу товщину, тому при зворотному вмиканні весь р-n-перехід розміщується в цьому

шарі. Опір бази в цьому випадку утворено лише сильнолегованою n - областю, і тому він має малу величину. Ця структура, крім того, дозволяє значно збільшити зворотну напругу варикапа.

Рисунок 5.6 – Напівпровідникова структура варикапа

Якість варикапа визначається:

-ємністю та межами її можливого регулювання за допомогою прикладеної зворотної напруги;

-добротністю і частотним діапазоном;

-температурною стабільністю ємності і добротності.

Ємність варикапа

Для ємності варикапа можна записати С= Со + Св, де Св – ємність між електродами і виводами варикапа яка не залежить від прикладеної напруги;

Со – початкова ємність варикапа яка залежить від площі переходу П і концентрації домішок у базі діоду Nд і становить від одиниць до

Рисунок 5.7 – Вольт-фарадна характеристика варикапа

55

ЛЕКЦІЯ 6

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

6.1Будова та принцип дії біполярних транзисторів

6.1.1Загальні відомості про біполярні транзистори

Біполярний транзистор (БТ) – це електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним, двома або кількома p n переходами, який має три або більше виводів і здатний

підсилювати потужність. Робота БТ грунтується на тому, що між його переходами існує взаємодія: змінюючи струм одного з переходів, можна управляти зміною іншого переходу (струмом через прилад). Малі розміри й маса, здатність працювати при малих напругах, висока механічна міцність, довговічність і зручність мікромініатюризації зумовили найширше використання цих приладів у електроніці протягом останніх десятиріч.

Класифікація транзисторів.

1 За характером перенесення носіїв заряду розрізняють біполярні (БТ) та польові (ПТ) транзистори. БТ – це здебільшого двоперехідні прилади, у процесі струмопроходження яких беруть участь носії обох знаків: і основні, і неосновні. У польових транзисторів струм створюється рухом носіїв одного знаку.

2 За кількістю переходів розрізняють одноперехідні, двоперехідні та багатоперехідні транзистори. Серед БТ найбільш поширені транзистори з трьома виводами.

3 За типом провідності (послідовність розміщення напівпровідникових областей) розрізняють p-n - p та n - p-n -

транзистори.

4 За характером розподілу атомів домішок та руху носіїв у базі розрізняють дрейфові та бездрейфові БТ.

5 За величиною допустимої потужності, що розсіюється на електродах приладу, транзистори поділяються на малопотужні (до 0,3 Вт) середньої потужності (від 0,3 до 1,5 Вт) та потужні (більш

1,5 Вт).

6 За значенням граничної частоти розрізняють БТ низькочастотні (до 3 МГц), середньої частоти (від 3 до 30 МГц) та високочастотні (більш 30 МГц).

56

Система позначень БТ Згідно з ГОСТ 10862-72 система позначень транзисторів

налічує 6 елементів:

1-й – буква або цифра, що вказує на матеріал виготовлення приладу (Г/1/ - германій або його сполуки, К/2/ - кремній або його сполуки); 2-й – буква, що визначає підклас приладу (Т – біполярний, П – польовий транзистор); 3-й – цифра від 1 до 9, характеризує призначення транзистора згідно з таблицею 6.1;

Таблиця 6.1

4-й та 5-й – цифри від 01 до 99, визначають порядковий номер розробки транзистора; 6-й – літера від А до Я, показує параметричну групу технологічного типу.

Позначення площинних БТ, що розроблялися до 1964 р., але застосовуються й досі, складаються з трьох елементів:

1-й – буква “П”(або “МП” – для БТ з уніфікованим корпусом); 2-й – число (номер), що визначає призначення транзистора згідно з таблицею 3.2; 3-й – буква, що вказує на різновид транзистора.

Приклади позначень транзисторів (таблиця 6.2): ГТ 605А – германієвий біполярний транзистор середньої потужності високої частоти широкого застосування, номер розробки 05, група А; 2Т 144А

– кремнієвий біполярний транзистор малої потужності низької частоти для пристроїв спеціального призначення, номер розробки 44, група А.

Таблиця 6.2

57

Будова сплавних транзисторів

Транзистор – це монокристал НП з двома p-n -переходами.

На рисунку 6.1 схематично показано будову БТ p-n - p та n - p-n -

типів та їх умовне графічне зображення.

Рисунок 6.1 – Умовне схематичне і графічне зображення БТ

Принцип дії транзисторів однаковий для обох типів провідності. Відмінність полягає лише в полярності джерел зовнішніх напруг і в напрямі струму через електроди. Тому надалі будемо розглядати тільки транзистори p-n - p - типу, вважаючи всі висновки

справедливими щодо транзисторів n - p-n - типу.

Середню область БТ називають базою. P -область, що відділена від бази p-n -переходом з меншою площею, називається

емітером, а сам перехід називається емітерним переходом (ЕП). Аналогічно до цього крайня справа p-область називається колектором,

а перехід між ним та базою – колекторним переходом (КП).

Спосіб виготовлення сплавних малопотужних БТ низької частоти полягає у наступному, До пластини германію n -типу з малим

питомим опором ( 1 1.5 Ом см) з двох боків притискують два шматочки індію. Потім пластину поміщають у піч, в якій створюється

58

вакуум до 0,013 Па, і підвищують температуру. Індій розплавлюється, розчиняється з сусідніми шарами германію і під дією сил поверхневого натягу набуває форми сферичного сегмента (рис.6.2).

конструкції з постійною швидкістю зміни температури. Внаслідок цього відбувається рекристалізація областей. Шари германію, розчинені з індієм, мають у своїй кристалічній структурі тривалентні а томи акцепторних домішок і набувають провідності p-типу. Ці

p-області відокремлюються від пластини n -типу двома різними

p-n -переходами.

Менша з акцепторних областей, як правило використовується як емітерна, більша – як колектор. Середня область із провідністю n -типу виконує функцію бази. Частина бази, що знаходиться безпосередньо між емітером та колектором, через яку проходять носії, називається активною. До областей емітера та колектора припаюють нікелеві дротики, які утворюють невипрямлювальні контакти з індієм і виконують роль виводів. Гнучкий вивід бази, припаяний до пластини германію, з’єднується з герметизованим металевим корпусом. Виводи емітера і колектора зварюють з гнучкими металевими стержнями, які ізольовані від корпусу за допомогою скляних вставок.

59

При виготовленні транзистора дотримуються умови

NAE NDB , NAK NДВ , тобто враховується, що концентрація дірок в

області емітера й колектора значно перевищували концентрацію електронів у базі. Крім того, ширина активної області бази має бути

меншою від дифузійної довжини дірок: Lp .

6.1.2 Способи вмикання й режими роботи біполярних транзисторів

Під час вмикання БТ в електронну схему один його електрод вважають вхідним, другий – вихідним, а третій, щодо якого вимірюють вхідну і вихідну напруги, - спільним. Розрізняють наступні схеми вмикання БТ: схема зі спільною базою ССБ (рисунок 6.3, а), схема зі спільним емітером ССЕ (рисунок 6.3, б) і схема зі спільним колектором ССК (рисунок 6.3, в).

Рисунок 6.3 – Схема вмикання БТ

Залежно від величини та полярності напруг на електродах приладу розрізняють наступні режими роботи БТ:

1 Режим відсічення (РВ). Обидва p n переходи вмикаються

у зворотному напрямі. Запірні шари переходів розширюються, їхні опори зростають, і через переходи проходять зворотні струми колектора

IKБ0 та емітера IЕБ0 . Це струм неосновних носіїв емітерної та

колекторної областей – електронів, й оскільки концентрація цих носіїв невелика, струми ці незначні. Внаслідок різниці площ переходів

ПКП ПЕП для сплавних БТ IКБ0 IЕБ0 . БТ закритий, вихідний струм

некерований; 2 Режим насичення (РН). БП і КП вмикаються в прямому

напрямі. Дірки інжектують до бази з емітера і колектора, створюючи

60