2072

стью p–n-перехода, распределенным сопротивлением базы и индуктивностью выводов, может достигать нескольких десятков гигагерц.

Отличительными качествами туннельных диодов являются также низкий уровень шумов, малое потребление мощности, устойчивость к ядерному излучению, небольшие массы и габариты. Диаметр рабочих температур приборов очень широк (от –2 000 до +100 о С). Эти качества диодов обусловили их широкое применение в различных схемах вычислительных устройств, радиотехнике и прочее.

К основным электрическим параметрам туннельных диодов следует отнести: значения токов I1 и I2 , величины соответствующих им напряжений U1 и U2 (см. рис. 5.16, е), отношение I1I2 , величину эквивалентной емкости p–n-перехода C, величину последовательного сопротивления Rп (сопротивление выводов и объемное сопротивление материала диода) и величину последовательной индуктивности Lп (ее величина определяется конструкцией прибора). Типовыми параметрами для туннельных диодов

нельного диода требуется знать шумовые характеристики прибора, а также ряд других параметров, являющихся производными от перечисленных выше.

Величина тока I1, а также величина эквивалентной емкости C определяются не только типом материалов, использованных для получения p–n-перехода, но также еще площадью и шириной p–n-перехода.

Сложность измерения эквивалентной емкости p–n-перехода, связанная с небольшой (относительно) ее величиной и малым шунтирующим эквивалентную емкость p–n-перехода активным динамическим сопротивлением (за исключением точек I1 и I2 ), не позволяет до настоящего времени точно определять характер зависимости C u и ряд физических параметров прибора, в том числе контактную разность потенциалов . Тем не менее есть основания утверждать, что C u для p–n-перехода туннельного диода

Величины напряжений U1 и U2 определяются физическими свойствами полупроводниковых материалов.

Разновидностью туннельных диодов с несколько меньшей концентрацией примесей являются обращенные диоды.

61

Значение Iп в обращенных диодах так мало, что сопротивление в прямом направлении превышает сопротивление в обратном. Падающий участок характеристики почти отсутствует. В этом случае уровень Ферми находится как раз у края зоны и туннельный эффект возможен лишь при отрицательных напряжениях.

Вольт-амперная характеристика обращенного диода приведена на рис. 5.17, а, а его схематическое изображение – на рис. 5.17, б.

20

GaAs Ge

40

60

GaSb

Рис. 5.17. Вольт-амперная характеристика (а) и условное графическое обозначение (б) обращенного диода

При приложении уже небольшого обратного смещения возможен такой сдвиг, при котором вероятность туннелирования электрона из области p в область n резко возрастает и диод начинает хорошо проводить и в обратном направлении. Этот диод получил название обращенного диода в связи с тем, что при малых напряжениях сопротивление перехода в обратном направлении меньше, чем в прямом.

Ток в обращенных диодах создается основными носителями, поэтому эти диоды могут работать на более высоких частотах, чем обычные полупроводниковые диоды. Инерционность обращенного диода определяется временем перезарядки его емкости. Как правило, время переключения обращенного диода не превышает 1 нс. Обращенные диоды имеют большую крутизну обратной ветви вольт-амперной характеристики, позволяющую работать при малых уровнях мощности и обеспечивающую высокую чувствительность прибора к входным сигналам.

Обращенные диоды используют для детектирования, ограничения и коммутации сигналов малой амплитуды.

62

5.6. Обозначение диодов

Систему обозначений ПП приборов устанавливает ГОСТ 10862-72, согласно которому обозначение диодов содержит четыре элемента.

Первый элемент (буква или цифра) указывает исходный материал: Г или 1 – германий; К или 2 – кремний; А или 3 – арсенид галлия и т.д.

Второй элемент (буква) указывает класс прибора: Д – выпрямительный, детекторный или импульсный диод; С – стабилитрон, стабистор; И – туннельный диод; А – сверхвысокочастотный диод.

Третий элемент (трехзначное число) указывает группу, к которой относится диод по качественным свойствам: назначению, мощности, частоте, и номер разработки.

Четвертый элемент (буква) отражает тип диода внутри группы. Например: КД208А – кремниевый диод, выпрямительный, средней

мощности, номер разработки 08, тип А.

6.ТРАНЗИСТОРЫ

6.1.Биполярные транзисторы и их структура

Биполярным транзистором (БПТ) или просто транзистором называют ПП прибор с двумя p–n-переходами, способный усиливать мощность входных электрических сигналов. Транзистор имеет три вывода и трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами проводимости: p–n–p или n–p–n (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Структура биполярных транзисторов p–n–p или n–p–n-типа (а, б)

иих условное графическое и позиционное обозначение в схемах (в, г);

Э– эмиттер, К – коллектор, Б – база

65

Название «биполярный» обусловлено тем, что в работе транзистора участвуют носители заряда обеих полярностей (электроны и дырки).

Основой транзистора является кристалл кремния или германия с созданными в нем двумя p–n-переходами. Структура такого кристалла p–n–p-типа, изготовленного по сплавной технологии, показана на рис. 6.2.

Бгой. Эта область называется эмиттером, а другая – коллектором. Средняя

область n-типа обладает наименьшей концентрацией примесей (доноров). Эта область называется базой. От

эмиттера, базы, коллектора делаются выводы. Широко применяют также транзисторы типа p–n–p, в которых средняя область обладает дырочной проводимостью, а две другие – электронной.

В соответствии с концентрацией примесей база является высокоомной областью, коллектор – низкоомной, а эмиттер – самой низкоомной. Толщина базы мала (единицы микрометров), площадь p–n-перехода между коллектором и базой в несколько раз больше площади перехода между эмиттером и базой. Первый переход называется коллекторным, второй – эмиттерным.

Для работы транзистора в режиме усиления электрических сигналов к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет прямого напряжения, то в коллекторной цепи протекает обратный ток коллекторного перехода, который обычно много меньше рабочих токов.

В устройствах с транзистором чаще всего создают две цепи. Входная цепь служит для управления транзистором, в нее включают источник входного сигнала. В выходной цепи получают усиленные сигналы, в нее включают нагрузку. Существуют три основные схемы включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором

(рис. 6.3).

66

в

Рис. 6.3. Схемы включения p–n–p-транзистора в режиме усиления малых сигналов: а – с общей базой; б – с общим эмиттером; в – с общим коллектором

6.2. Физические процессы в биполярном транзисторе

Рассмотрим работу транзистора типа n–p–n, включенного по схеме с общим эмиттером, в режиме без нагрузки (Rн = 0) (рис. 6.4).

Полярность источников Е1 и Е2 такова, что на эмиттерном переходе действует прямое, а на коллекторном – обратное напряжения. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода очень мало и требуется небольшое, порядка десятых долей вольта, напряжение E1, чтобы создать ток базы для управления транзистором. Сопротивление коллекторного перехода велико, поэтому напряжение E2 может составлять единицы или десятки вольт. Принцип работы транзистора заключается в том, что малое прямое напряжение, поданное на эмиттерный переход, существенно влияет на ток эмиттера и коллектора. При этом ток коллектора лишь незначительно отличается от тока эмиттера (на величину тока базы). Усиление электрических сигналов с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе, например типа n–p–n, происходят следующим образом (см. рис. 6.4). При прямом напряжении на эмиттерном

67

переходе понижается его потенциальный барьер и электроны инжектируются из эмиттера в область базы, создавая ток эмиттера iэ .

Рис. 6.4. Движение электронов и дырок в транзисторе n–p–n-типа

Так как ширина (10 – 20 мкм) базовой области соизмерима с шириной p–n коллекторного перехода, то электроны, попавшие в базовую область, взаимодействуют с коллекторным переходом, при котором они относятся к неосновным носителям. Большая часть электронов путем экстракции втягивается электрическим полем потенциального барьера в коллекторный переход и диффундирует далее в область коллектора, создавая ток коллектора iк .

Значительно меньшая часть электронов в результате рекомбинации с дырками создает ток в цепи базы iб . Поэтому ток эмиттера и ток коллек-

тора различаются по величине. Коэффициент , показывающий, какая часть тока эмиттера проходит в коллектор, называют коэффициентом передачи транзистора по току. Обычно = 0,95 – 0,99.

Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но так как площадь коллекторного перехода больше, чем эмиттерного, то транзистор в таком инверсном включении будет иметь меньшую допустимую мощность.

68

При повышении напряжения E2 растет ширина коллекторного перехода, и, следовательно, уменьшается толщина базы. Это может вызвать линейное размножение подвижных носителей зарядов, резкое увеличение обратного тока и в конечном счете – пробой, а кроме того, привести к исчезновению базы, т.е. к смыканию областей эмиттера и коллектора. Тогда транзистор перестанет нормально работать. Указанные факторы ограничивают возможности создания высоковольтных транзисторов. Обычно

E2 (40 – 160) В.

Следует также иметь в виду, что через переход «коллектор – база» протекает небольшой, порядка нескольких микроампер, обратный ток iкбо, как в обычном диоде при обратном напряжении. Поэтому ток коллектора складывается из двух составляющих:

Величина 1 называется коэффициентом усиления транзистора по току в схеме с общим эмиттером. При = 0,95 – 0,99 величина может составлять несколько десятков.

Величину iкэо iкбо 1 iкбо называют сквозным током транзистора. Он в несколько десятков раз превышает обратный ток перехода между коллектором и базой iкбо.

Отметим, что величины и iкэо сильно зависят от температуры. Под-

ному переходу в прямом направлении. Это явление отсутствует при закороченных выводах базы и эмиттера. Поэтому весьма опасно обрывать цепь базы, так как при большом сквозном токе iкэо лавинообразно разогревается транзистор и возможен пробой. На практике при испытании транзисторов

69

принято вначале подключать источник напряжения E1, а затем E2. Отключают источники в обратной последовательности.

6.3. Статистические характеристики биполярных транзисторов

Статические характеристики транзисторов снимают на постоянном токе при отсутствии нагрузки. Они отражают зависимости между токами и напряжениями на входе и на выходе в различных схемах включения транзисторов. Их используют для практических расчетов транзисторных усилителей электрических сигналов.

В транзисторах взаимно связаны входные и выходные токи и напряжения, поэтому одним семейством характеристик эти зависимости показать нельзя. Необходимо два семейства характеристик: входных и выходных.

Для каждой из схем включения транзистора существует свое семейство характеристик. Характеристики для схем с общим коллектором (ОК) и с общим эмиттером (ОЭ) совпадают, так как при Rн = 0 эти схемы становятся одинаковыми (см. рис. 6.3).

На рис. 6.5 приведена схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ. На рис. 6.6 показаны выходные, а на рис. 6.7 – входные характеристики для транзистора небольшой мощности.

Рис. 6.5. Схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с ОЭ

Выходная характеристика транзистора, включенного по схеме с ОЭ, представляет собой зависимость тока коллектора Iк от напряжения между коллектором и эмиттером Uкэ при постоянном токе базы Iб = const. Набор таких характеристик, снятых при различных значениях постоянного тока базы, образует семейство выходных характеристик. Их называют также коллекторными. В схеме с ОЭ эти характеристики выходят из нуля при любом значении тока базы. Это объясняется тем, что при Uкэ 0 эмиттер

70