ЗОННА СТРУКТУРА

•Кристалічна структура напівпровідника являє собою безліч атомів, що сильно взаємодіють між собою завдяки малим міжатомним відстаням. Тому замість сукупності дискретних енергетичних рівнів, властивих окремому атому, кристалічна структура характеризується сукупністю енергетичних зон (рис. 1). Кожна зона походить від відповідного рівня, який розщеплюється при зближенні атомів. У результаті кристалічна структура характеризується зонної діаграмою, в якій дозволені зони чергуються з

забороненими зонами.

•Верхня дозволена зона називається зоною провідності, а розташована безпосередньо під нею - валентної зоною. При нульовій абсолютній температурі валентна зона завжди повністю заповнена електронами (точніше - всі електрони мають енергію, що відповідає валентній зоні), а зона провідності у металів або заповнена тільки в нижній частині (точніше - електрони мають енергію, що відповідає нижній частині зони провідності), або, в напівпровідників і діелектриків, порожня (точніше - немає електронів з енергією, що відповідає зоні провідності). Особливістю енергетичної (зонної) діаграми провідників (металів) є відсутність забороненої зони між зоною провідності і валентною зоною.

Діелектрики характеризуються шириною забороненої зони ΔE > 3 еВ. У напівпровідників ΔE < 3 еВ

(рис.2). При нульовій абсолютній температурі в бездомішковому напівпровіднику усі без винятку електрони беруть участь у ковалентних зв’язках між атомами, вільні носії заряду відсутні (зона

21

УТВОРЕННЯ ЗОН

Рис. 1. Дисперсійна крива для прямозонних і непрямозонних матеріалів

22

ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ НП

•Розрізняють власні та домішкові напівпровідники.

•До числа власних відносяться хімічно чисті напівпровідники. Електричні властивості домішкових

напівпровідників визначаються домішками, що вводяться у матеріал штучно.

•У власному напівпровіднику при 0 К всі електрони зв'язані ковалентними зв'язками, це відповідає тому що всі рівні валентної зони повністю заповнені електронами, а у зоні провідності електрони відсутні. Електричне поле що прикладене до напівпровідника не може перекинути електрони з валентної зони у зону провідності. У зв'язку з цим власні напівпровідники при абсолютному нулі температури ведуть

себе як ідеальні діелектрики.

•При збільшенні температури (Т > 0 K) деякі валентні електрони отримують енергію, якої вистачає, щоб розірвати ковалентний зв’язок (рис. 1). На зонній діаграмі це відповідає переходу частини електронів з верхніх рівнів валентної зони в результаті теплового збудження на нижні рівні зони провідності. В цих умовах електричне поле отримує можливість змінювати стан електронів, що знаходяться у зоні провідності. Крім цього, внаслідок утворення вакантних рівнів у валентній зоні електрони цієї зони також можуть змінювати свою швидкість під дією зовнішнього поля. В результаті електропровідність напівпровідника стає відмінною від нуля. Виявляється що при наявності вакантних рівнів поведінка

електронів валентної зони може бути представлено як рух позитивно заряджених квазічастинок, що отримали назву дірок. Внаслідок цього у міжатомному зв’язку виникає одиничний заряд – дірка. На енергетичній діаграмі напівпровідника це явище супроводжується виникненням вільного енергетичного

Рис. 1. Розрив ковалентних зв'язків при Т >0 K.

Рис. 2. Перехід електронів з валентної зони у зону провідності при підвищенні температури напівпровідника

23

БУДОВА СПЛАВНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

•Транзистор – це напівпровідниковий монокристал з двома або більше p n переходами.

На рисунку схематично показано будову БТ p-n-p та n-p-n - типів та їх умовне графічне позначення.

•Принцип дії транзисторів обох типів однаковий. Відміна полягає лише в полярності джерел зовнішньої напруги і в напрямі проходження струмів через електроди. Тому надалі будемо розглядати тільки транзистори p-n- p-типу, оскільки усі висновки щодо них справедливі і для транзисторів n-p-n- типу.

Середня область БТ називається базою. р - 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 кремнію 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 вакуум до 0,013 Па, і підвищують температуру. Індій розплавляється, розчи няється у сусідніх шарах кремнію і під дією сил поверхневого натягу набирає форми сферичного сегмента (рис.). Площа розплавленого індію визначає активну площу p-n переходу. Після цього здійснюється охолодження всієї конструкції з постійною швидкістю. Внаслідок цього відбувається рекристалізація областей.

24

БУДОВА СПЛАВНИХ ТРАНЗИСТОРІВ

•Шари кремнію, з розчиненим індієм, містять у своїй кристалічній структурі тривалентні атоми акцепторної домішки і відповідно набувають провідності p-типу. Ці області утворюють з пластиною n –типу два p-n переходи.

•Менша з акцепторних областей, як правило, використовується як емітер, більша – як колектор.

•Середня область з 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 дротинки, які утворюють омічні контакти з індієм і відіграють роль відводів. Гнучкий відвід бази, припаяний до пластини кремнію, з’єднують з герметизованим металевим корпусом. Відводи емітера і колектора зварюють з гнучкими металевими стрижнями, які ізольовані від корпусу за допомогою скляних вставок.

•При виготовленні транзистора здійснюються умови NAE>>NDБ, NAК>>NDБ, тобто робиться

так, щоб концентрація дірок в областях емітера і колектора значно перевищувала концентрацію електронів у базі.

•Крім того, ширина активної області бази має бути меншою від дифузійної довжини дірок: d<Lp.

25

КАСКАД НА ПТ: РОЗРАХУНОК У СТАТИЦІ ТА ДИНАМІЦІ

•Зменшення крутизни SПТ викликає зменшення коефіцієнта підсилення каскаду, а наближення робочої

точки до напруги відсічки зменшує допустиму амплітуду вхідної напруги і збільшує нелінійні спотворення вихідної напруги. Тому для того, щоб при збільшенні опору резистора RВ не зменшувався

струм Ic0, до кола затвора потрібно або ввімкнути додаткове джерело напруги живлення, або ввімкнути затвор до розподільника напруги з резисторів R1 і R2 (рис. ).

•Завдяки цьому досягається часткова компенсація падіння напруги на опорі RВ, опір цього резистора може бути вибраний більшим, ніж у схемі рисунку а, і спад напруги URВ= Ic0RВ> UЗВ0.

•Для контура, створеного резисторами RВ, R2 та ділянкою затвор-витік ПТКП (рис.), можна записати

•UR2 + UЗВ0 - URВ = 0.

КАСКАД НА ПТ: РОЗРАХУНОК У СТАТИЦІ ТА ДИНАМІЦІ

•Перетин цієї прямої зі статичною вихідною характеристикою, знятою при вибраній напрузі спокою UЗВ0 (рис.), визначає положення початкової робочої точки, яка характеризується струмом спокою IС0 та напругою спокою UСВ0. Після визначення цієї точки на навантажувальній прямій за даною амплітудою вхідної напруги UmЗВ розраховують параметри режиму підсилення:

Sd = = , K = = .

•Оскільки вхідний опір ПТКП великий, то вхідний опір підсилювального каскаду (рис.) визначається опором подільника напруги R1R2/(R1+R2) .

До розрахунку параметрів режиму підсилення каскаду на ПТКП