Пробой p-n перехода

Резкое возрастание обратного тока, наступающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения, называют пробоем перехода. Природа пробоя может быть различной: он может быть электрическим, при котором p n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым, при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника.

Электрический пробой связан со значительным увеличением напряжённости электрического поля в p-n переходе (более 7…10 В/см). Наблюдаются два типа электрического пробоя.

В полупроводниках с узким p-n переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую через p-n переход без затраты энергии. Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким p-n переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов p-n перехода; носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решётки полупроводника выбить электроны из ковалентных связей. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда (электрон – дырка) тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда энергия, выделяемая в p-n переходе при прохождении через него обратного тока, превышает энергию, которую способен рассеять p-n переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой p-n перехода.

С практической точки зрения электрический пробой при приложении обратного напряжения не опасен для полупроводникового прибора. При отключении источника питания вентильные свойства электронно-дырочного перехода быстро восстанавливаются. Наоборот, тепловой пробой приводит к разрушению кристалла полупроводника и переходу в аварийный режим.

Разновидности диодов

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним электрическим p-n переходом. С помощью двух контактных соединений обеспечивается контакт металла с полупроводником, к которым присоединяются два вывода. Электрический переход чаще всего образуется между двумя полупроводниками с разным типом примесной электропроводности (p- или n-типа), одна из областей (низкоомная) является эмиттером, другая (высокоомная) – базой. Структура диода, его конструкция и условное обозначение в схемах показаны на рис. 10.

Классификация диодов:

• по основному полупроводниковому материалу – кремниевые, германиевые, из арсенида галлия, из которых в силовой электронике преимущественно используют кремниевые из-за более высокой допустимой температуры кристалла;

• по физической природе процессов работы полупроводников – туннельные, лавинные, фотодиоды, светодиоды и др.

• по технологии изготовления p-n перехода – сплавные, диффузионные и др.

Основной, с практической точки зрения, является классификация по назначению диода: выпрямительные, лавинные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.

Применение диодов весьма разнообразное.

Низкочастотные диоды малой и средней мощности используют в схемах питания радиоаппаратуры, а высокочастотные – в устройствах автоматики и вычислительной техники.

Диоды с высоким рабочим напряжением и током (силовые диоды) используют в различных источниках питания в качестве выпрямителей и частотных преобразователей: источники питания электротехнологических установок (сварочных, плазменных и др.), систем автоматического управления производством (тяговых электродвигателей, привода станков и др.).

Высокочастотные диоды применяют также в системах радиосвязи, радиолокации, телеизмерительной техники, а сверхвысокочастотные (СВЧ диоды) – для модуляции и детектирования колебаний в диапазоне сотен мегагерц.

Коэффициентом выпрямления называют отношение прямого и обратного токов при одинаковом напряжении. Чем меньше ёмкость p-n перехода, тем больше коэффициент выпрямления диода. Поскольку ёмкость p-n перехода зависит от приложенного в обратном направлении напряжения, это даёт возможность использовать в схемотехнике такие диоды, или варикапы, в качестве переменной ёмкости. (коэффициент выпрямления)

Выпрямительные диоды – диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. (выпрямительный диод)

Выпрямительные диоды применяют в качестве вентилей, которые пропускают переменный ток только в одном направлении. Вентильные свойства диода зависят от того, насколько мал обратный ток. Для уменьшения обратного тока необходимо снижать концентрацию неосновных носителей, что может быть обеспечено за счёт высокой степени очистки исходного полупроводника. Вольтамперные характеристика p-n перехода несколько отличаются от характеристик реальных диодов. Их вид зависит от рода основного полупроводникового материала, площади p n-перехода и температуры.

Прямые ветви вольтамперных характеристик диодов, выполненных на основе германия и кремния, показаны на рис. а. Особенно сильно влияние температуры сказывается на обратной ветви характеристики (см. рис. б), так как с ростом температуры возрастает тепловой ток.

Верхний предел рабочих температур для германиевых диодов составляет 85…100 °C для кремниевых – 200 °C.

Важно при тепловом расчёте источника питания, исследовании различных радиаторов, которые используются для охлаждения диодов, при проектировании охлаждаемых систем (естественное или принудительное охлаждение).

Стабилитрон (диод Зенера) – диод, работающий в режиме (обратимого) пробоя p-n-перехода (см. обратную ветвь вольт-амперной характеристики). Используются для стабилизации напряжения.

Туннельный диод (диод Лео Эсаки) – диод, в котором используются квантовомеханические эффекты. На вольт-амперной характеристике имеет область так называемого «отрицательного сопротивления». Применяются как усилители, генераторы и пр.

Обращённый диод – диод, имеющий гораздо более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем обычный диод. Принцип работы такого диода основан на туннельном эффекте.

Точечный диод – диод, отличающийся низкой ёмкостью p-n-перехода и наличием на обратной ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Ранее использовались в СВЧ-технике (благодаря низкой ёмкости p-n перехода) и применялись в генераторах и усилителях (благодаря наличию на обратной ветви вольт-амперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением).

Варикап (диоды Джона Джеумма) – диод, обладающий большой ёмкостью при запертом p-n-переходе, зависимой от приложенного обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной ёмкости (управляемых напряжением).

Светодиод (диоды Генри Раунда) – диод, отличающийся от обычного диода тем, что излучает фотоны при рекомбинации электронов и дырок в p-n-переходе. Выпускаются светодиоды с излучением в инфракрасном, видимом, а с недавних пор и в ультрафиолетовом диапазоне.

Полупроводниковый лазер – диод, близкий по устройству к светодиоду, но имеющий оптический резонатор. Излучает когерентный свет.

Фотодиод – диод, управляемый светом.

Солнечный элемент — диод, похожий на фотодиод, но работающий без смещения. Падающий на p-n переход свет вызывает движение электронов и генерацию тока.

Диод Ганна – диод, используемый для генерации и преобразования частоты в СВЧ-диапазоне.

Диод Шоттки – диод с малым падением напряжения при прямом включении.

Лавинный диод – диод, принцип работы которого основан на лавинном пробое (см. обратный участок вольт-амперной характеристики). Применяется для защиты цепей от перенапряжений.

Лавинно-пролётный диод – диод, принцип работы которого основан на лавинном умножении носителей заряда. Применяется для генерации колебаний в СВЧ-технике.

Магнитодиод – диод, вольт-амперная характеристика которого существенно зависит от значения индукции магнитного поля и расположения его вектора относительно плоскости p-n перехода.

Стабистор – диод, при работе которых используется участок ветви вольт-амперной характеристики, соответствующий «прямому напряжению» на диоде.

Смесительный диод – диод, предназначенный для перемножения двух высокочастотных сигналов.

pin-диод – диод, обладающий меньшей ёмкостью за счёт наличия между сильнолегированными полупроводниками p- и n-типов материала, характеризующегося собственной проводимостью. Используется в СВЧ-технике, силовой электронике, как фотодетектор.

Лекция 3. Биполярный транзистор

Разбираемые темы: Биполярный транзистор. Структура и принцип работы биполярных транзисторов. Классификация биполярных транзисторов. Основные параметры биполярных транзисторов. Режимы работы транзистора. Схемы включения транзистора . Транзистор как активный линейный четырёхполюсник. Модель Эберса-Молла

Биполярный транзистор – полупроводниковые приборы с двумя и более взаимодействующими p-n переходами, а также с тремя или более выводами. Транзистор называется биполярным, т.к. его усилительные свойства обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда обеих полярностей. В зависимости от порядка чередования электропроводности областей различают транзисторы n-p-n и p-n-p типов.

Инжекция – нагнетание носителей заряда через p-n переход, смещённый в прямом направлении, в область, где они являются неосновными.

Экстракция – извлечение неосновных носителей заряда через p-n переход при его обратном смещении.

При подключении напряжения к транзистору один p-n переход включают в прямом смещении, другой – в обратном. Переход, смещённый в прямом направлении, называют эмиттерным, а соответствующий наружный слой полупроводника и вывод из него – эмиттером.

Переход, смещённый в обратном направлении, называют коллекторным, а соответствующий наружный слой полупроводника и вывод из него – коллектором.

Средний слой полупроводника называют базой.

Каждая из областей, называемых эмиттером, коллектором и базой, снабжается омическим контактом, от которого делается вывод, обозначаемый Э, К и Б соответственно.

Принцип работы транзистора основан на изменении своего сопротивления под воздействием слабого сигнала (от англ. transistor – transfer resistor – преобразование резистора).

В биполярных транзисторах небольшой входящий (для n-p-n типа) или исходящий (для p-n-p типа) ток базы и небольшое положительное (для n-p-n типа) или отрицательное (для p-n-p типа) напряжение между базой и эмиттером позволяет управлять намного большим коллекторно-эмиттерным током.

Разницы в принципе работы транзисторов обеих структур нет, но полярность подключения выводов к источнику питания противоположная. Т.к. транзистор имеет симметричную структуру, конструктивно коллектор может быть эмиттером, однако в реальных конструкциях для обеспечения лучшей работы транзистора область коллектора делается большей по размерам.

Принцип работы биполярного транзистора.

Принцип работы биполярного транзистора можно объяснить на примере функциональной схемы:

При подключении к транзистору напряжений U_ЭБ и U_КБ через эмиттерный переход осуществляется инжекция дырок из эмиттера в область базы. Одновременно электроны базы будут проходить в область эмиттера. Следовательно, в эмиттерной цепи потечёт ток I_Э по пути +U_ЭБ → R_Э → Э → Б → -U_ЭБ. Этот ток равен сумме дырочной и электронной составляющих (см. выражение 1)

В транзисторах концентрация носителей заряда в базе значительно меньше, чем в эмиттере. Это приводит к тому, что число дырок, инжектированных из эмиттера в базу, во много раз превышает число электронов, движущихся в противоположном направлении, поэтому ток через эмиттерный переход в основном обусловлен дырками.

Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции γ, который для транзисторов типа p-n-p равен отношению дырочной составляющей эмиттерного тока к общему току эмиттера (см. выражение 2)

В современных транзисторах коэффициент γ мало отличается от единицы (γ≈0,999).

Инжектированные через эмиттерный переход дырки проникают вглубь базы, для которой они являются неосновными носителями. Попав в базу некоторые дырки рекомбинируют с электронами, однако из-за малой концентрации свободных электронов в базе и малой ширины базы абсолютное большинство дырок достигает коллекторного p-n перехода. Вблизи коллектора дырки начинают взаимодействовать с электрическим полем коллекторного перехода. Это поле для дырок является ускоряющим, поэтому они в результате экстракции быстро втягиваются в коллектор и участвуют в создании тока коллектора.

Цепь тока коллектора +U_КБ → -U_ЭБ → +U_ЭБ → R_Э → Э → Б → К → R_К → -U_КБ. Те дырки, которые все же рекомбинируют с электронами в области базы, участвуют в создании тока базы, проходящего по цепи +U_ЭБ → R_Э → Э → Б → -U_ЭБ.

Таким образом ток базы можно записать в следующем виде (см. выражение 3)

Для оценки влияния рекомбинации носителей заряда в базе на усилительные свойства транзистора используется коэффициент переноса носителей в базе δ, который показывает, какая часть инжектированных эмиттером дырок достигает коллекторного перехода (см. выражение 4)

Одним из основных параметров транзистора является коэффициент передачи тока эмиттера, который равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при неизменном напряжении на коллекторном переходе (см. выражение 5)

Коэффициент передачи тока эмиттера может быть также выражен через величины γ и δ (см. выражение 6)

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода I_КБ0, то полный ток коллектора (см. выражение 7)

Таким образом ток коллектора I_К и напряжение эмиттер-база U_ЭБ при определенном значении тока эмиттера I_Э не зависят от напряжения приложенного к коллекторному переходу U_КБ.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления транзистора в схеме с общим эмиттером (ОЭ) (см. выражение 8)

(1)

(2)

(3)

Классификация биполярных транзисторов

В отношении биполярных транзисторов приняты следующие типы классификации:

Активный режим. На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Это режим является основным режимом работы транзистора.

Поскольку напряжение в цепи коллектора значительно превышает напряжение, подведённое к эмиттерному переходу, а ток в цепях эмиттера и коллектора практически равны, следует ожидать, что мощность полезного сигнала на выходе схемы (в коллекторной цепи) может оказаться намного больше, чем во входной (эмиттерной) цепи транзистора.

Режим отсечки. К обоим переходам подводится обратное напряжение. В них протекает лишь незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Режим насыщения. Оба перехода находятся под прямым напряжением. Ток в выходной цепи транзистора максимален и практически не регулируется током входной цепи.

Инверсный режим. К эмиттерному переходу подводится обратное напряжение, а коллекторному – прямое. Эмиттер и коллектор меняются своими ролями. Этот режим, как правило, не соответствует нормальным условиям эксплуатации транзистора.

Основные параметры биполярных транзисторов

P_{к max} – Максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора без теплоотвода;

I_{к max} – Максимально допустимый постоянный ток коллектора;

U_{кэ max} – Максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер;

U_{кб max} – Максимально допустимое напряжение коллектор-база;

h_21э – Статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером;

I_кб0 – Обратный ток коллектора;

f_гр – граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;

U_кэн – напряжение насыщения коллектор-эмиттер

Режимы работы транзистора

В зависимости от полярности напряжений, приложенных к эмиттерному и коллекторному переходам транзистора, различают четыре режима его работы.

Схемы включения транзистора

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигнала, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

В этих схемах источники постоянного напряжения E1, E2 и резистор RН обеспечивают режимы работы транзистора по постоянному току. Входные сигналы переменного тока Uвх изменяют ток транзистора, а соответственно, и ток коллектора. Приращение тока коллектора (или тока эмиттера для схемы ОК) создаёт приращения напряжений на нагрузочных резисторах. Эти напряжения и являются выходными сигналами.

С хема включения транзистора с общей базой (ОБ)

Для схемы с общей базой (см. рисунок) входная характеристика – IЭ = f(UЭБ) при UКБ = const (см. рисунок), она представляет собой ВАХ эмиттерного перехода в прямом смещении.

Увеличение обратного напряжения UКБ, приложенного к коллекторному переходу, вызывает уменьшение ширины базы, что приводит к возрастанию тока эмиттера при неизменном напряжении UЭБ. Поскольку увеличивается градиент концентрации неосновных носителей в базе и снижается вероятность их рекомбинации.

Выходная характеристика для схемы с ОБ – IК = f(UКБ) при IЭ = const (см. рисунок)

В активном режиме работы транзистора (когда коллекторный переход смещён в обратном направлении), вольтамперные характеристики представляют собой почти прямые линии, идущие с очень небольшим наклоном. Это объясняется тем, что коллекторный ток создаётся за счёт диффузии носителей зарядов, проникающих из эмиттера через базу в коллектор и незначительно зависящий от напряжения, приложенного к коллекторному переходу. Даже при UКБ = 0, в коллекторной цепи протекает ток IК = αIЭ, т.е. контактной разности потенциалов коллекторного перехода достаточно для экстракции носителей из базы в коллектор.

При IЭ = 0 выходная характеристика представляет собой характеристику обратно смещённого коллекторного перехода. В области расположенной ниже этой характеристики транзистор работает в режиме отсечки.

При прямом смещении коллекторного перехода появляется прямой ток коллектора, направленный встречно току αIЭ, обусловленному контактной разностью потенциалов коллекторного перехода. Результирующий ток в цепи коллектора уменьшается и при определенном значении напряжения UКБ, когда запирающий слой исчезнет вовсе, изменит свой знак на противоположный.

Схемы включения транзистора

Особенности схемы включения с ОБ

1. Низкое входное сопротивление (единицы…десятки Ом)

2. Температурная стабилизация выше, чем в схеме с ОЭ.

3. Низкий коэффициент передачи тока

4. Коэффициент передачи по напряжению может быть достаточно большим (десятки – сотни единиц), так как определяется, в основном, соотношением между сопротивлением нагрузки и входным сопротивлением

5. Коэффициент передачи по мощности равняется десятки – сотни единиц

С хема включения транзистора с общим эмиттером (ОЭ)

Для схемы с общим эмиттером (см. рисунок) входной характеристикой является зависимость IБ = f(UБЭ) при UКЭ = const (см. рисунок), а выходной – IК = f(UКЭ) при IБ = const (см. рисунок).

При напряжении UКЭ = 0 входная характеристика представляет собой ВАХ двух параллельно включенных переходов в прямом смещении. При повышении напряжения UКЭ вероятность рекомбинации носителей заряда в базе уменьшается, следовательно, уменьшается и ток базы (почти все носители втягиваются в коллектор), что видно из входных характеристик.

В схеме с ОЭ напряжение приложенное к коллекторному переходу, равно UКЭ – UБЭ, поскольку эти напряжения оказываются включенными встречно между точками коллектор-база. Поэтому при напряжении |UКЭ|<|UБЭ| коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении, при этом крутизна выходных характеристик велика (транзистор работает в режиме насыщения). На участке, где |UКЭ|>|UБЭ| крутизна характеристик мала, и они будут проходить почти параллельно оси абсцисс (активный режим работы транзистора). Небольшой рост тока на пологих участках характеристик обусловлен увеличением напряжения UБЭ, необходимым для поддержания тока базы на заданном уровне, поскольку при увеличении напряжения UКЭ ширина базы уменьшается, и ток базы снижается. А также вследствие ударной ионизации обратно смещённого коллекторного перехода.

Особенности схемы включения с ОЭ

1. Входное сопротивление транзистора в схеме с ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Поскольку входным током для схемы с ОЭ является не ток эмиттера, а малый по величине ток базы

2. Возможность получения коэффициента усиления по току порядка нескольких десятков и даже сотен единиц

3. Коэффициент передачи по напряжению в схеме с ОЭ точно такой же, как и в схеме с ОБ – и составляет десятки – сотни единиц

4. Коэффициент передачи по мощности значительно больше, чем в схеме с общей базой (сотни – десятки тысяч единиц)

5. Возможность питания схемы от одного источника напряжения, поскольку на базу и коллектор подаётся питающее напряжение одного знака

6. Недостатком схемы с ОЭ является меньшая температурная стабилизация по сравнению со схемой с ОБ

С хема включения транзистора с общим коллектором (ОК)

В схеме с общим коллектором (см. рисунок) сопротивление нагрузки RН включено во входную цепь, входным током является ток базы IБ, а выходным током является ток эмиттера IЭ.

Схему с ОК часто называют эмиттерным повторителем, потому что, во- первых, нагрузка включена здесь в цепь эмиттера, а во-вторых, выходное напряжение в точности повторяет входное и по величине (KU ОК ≈ 1) и по фазе.

Схема с ОК применяется главным образом для согласования сопротивлений между отдельными каскадами многокаскадного усилителя или между выходом усилителя и низкоомной нагрузкой.

Особенности схемы включения с ОК

1. Коэффициент прямой передачи тока для этой схемы достаточно высокий, поскольку входным током схемы с ОК является ток базы, а выходным ток эмиттера

2. Сравнительно большое значение входного сопротивления

3. Особенностью схемы с ОК (и ее главным недостатком) является то, что она не позволяет получить усиления по напряжению больше единицы

4. Коэффициент передачи по мощности составляет десятки – сотни единиц

Транзистор как активный линейный четырёхполюсник

А ктивными четырёхполюсниками называют устройства, имеющие два входных и два выходных зажима и обладающие способностью усиливать мощность подводимых к ним электрических сигналов.

Для большого класса электронных схем, называемых линейными, токи и напряжения складываются из сравнительно больших постоянных составляющих (I, U) и малых переменных составляющих (ΔI = i, ΔU = u). Переменные составляющие в этих схемах представляют основной интерес. Примером таких схем являются усилители. В пределах малых изменений напряжений и токов статические характеристики транзистора приблизительно являются линейными, поэтому функциональные зависимости переменных составляющих также будут линейными. Для линейных схем характерна работа транзистора в активном режиме.

Когда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не характеристиками, а параметрами. Параметры широко применяются на практике также для контроля качества транзисторов.

Характеристические параметры – величины, определяющие связь между малыми изменениями токов и напряжений в транзисторе. При введении параметров транзистор рассматривают как четырёхполюсник, на входе которого действует напряжение U1 и ток I1, а на выходе – напряжение U2 и ток I2.

Если принять в качестве независимых переменных величины I1 и U2, а в качестве зависимых I2 и U1, то можно записать (см. выражение 11)

Дифференцируя выражение (11) для I1 и U2, по переменным I2 и U1, получим выражение 12

Будем рассматривать приращения токов и напряжений dI1, dI2, dU1 и dU2, входящих в последнее выражение, как амплитуды (или действующие значения) переменных составляющих сигналов i1, i2, u1, u2. Введём обозначения (см. на слайде коэффициенты h)

Коэффициенты h11, h12, h21 и h22, входящие в эти уравнения, называются h- параметрами транзистора. Каждый из этих параметров имеет определенный физический смысл:

h11 – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока (т.е. при U2 = const);

h12 – коэффициент обратной связи по напряжению при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (т.е. при I1 = const);

h21 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току (т.е. при U2 = const);

h22 – выходная проводимость при разомкнутом входе для переменной составляющей тока (т.е. при I1 = const).

Приведённые выше уравнения позволяют представить транзистор в виде эквивалентной схемы (см. рисунок). Такую схему называют двухгенераторной или формальной.

; =

М одель Эберса-Молла

Для анализа работы транзистора в схемах Дж.Д.Эберс и Дж.Л.Молл в 1954 г . предложили простые и удобные модели транзистора, различные варианты которой широко используются на практике. В эти модели входят управляемые источники тока, управляемые токами, учитывающие связь между взаимодействующими p-n переходами в биполярном транзисторе. Эти модели справедливы для всех режимов работы транзистора.

Простейшим вариантом низкочастотной модели Эберса-Молла является модель с идеальными p-n переходами и двумя источниками тока. Прохождение токов БТ в этой модели представлено взаимодействием работы двух р-n переходов, что отражает нормальное и инверсное включение.

I_НАС – ток насыщения

β_F – коэффициент усиления транзистора по прямому току

β_R – коэффициент усиления транзистора по обратному току

U_A – напряжение Эрли