направлении к силе тока, текущего в обратном направлении при той же разности потенциалов, называется коэффициентом выпрямления.

При определенном, предельном значении обратного напряжения, V = Vпроб, наблюдается пробой перехода, т.е. резкое увеличение обратного тока. Тепловой пробой обусловлен повышением температуры диода при протекании тока. Увеличение температуры вызывает генерацию неосновных носителей, что в свою очередь приводит к росту обратного тока и дальнейшему увеличению температуры. Лавинный пробой обусловлен ударной ионизацией полупроводника неосновными носителями, которые могут приобретать очень большую кинетическую энергию в поле перехода, достаточную для генерации новой электроннодырочной пары. Образовавшиеся носители также производят ионизацию, т.е. происходит лавинообразное образование носителей. Этот эффект используется для стабилизации напряжения. Туннельный пробой возникает в том случае, когда при достаточно высоком обратном напряжении заполненные уровни валентной зоны р – области располагаются против незаполненных уровней зоны проводимости в n – области, в результате чего возможно туннелирование электронов из р – области в n – область.

Значение Vпроб уменьшается с ростом концентрации примеси. Для Ge

Εпроб ~ 3 10 7 В/м, для Si : Eпроб = 108 В/м.

4.8.Полупроводниковые триоды (транзисторы). Тиристоры.

Важным элементом полупроводниковой электроники является полупроводниковый триод или транзистор - твердотельный прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов, преобразования энергии источника питания в энергию электромагнитных колебаний и выполнения многих других важных функций.

В основе работы полупроводниковых триодов лежит инжекция носителей тока. Биполярный транзистор состоит из двух близко расположенных друг к другу р–n –переходов. В зависимости от чередования переходов существуют транзисторы p-n-p и n–p–n типов. Центральная часть транзистора называется базой (Б), а прилегающие к базе области с противоположным базе типом проводимости образуют эмиттер (Э) и коллектор (К) (Рис. 34). На рисунке 34 представлена принципиальная схема n – p – n и кривые потенциальной энергии для электронов (n) и дырок (р) в отсутствие внешнего напряжения. При включении прибора в цепь на эмиттерный переход подается внешнее напряжение в прямом направлении, а на коллекторный – в обратном

направлении.(Рисунок 35). Это приводит к понижению потенциального барьера на эмиттерном переходе и повышению – на коллекторном. В результате электроны из эмиттерной области инжектируются (впрыскиваются) через понизившийся потенциальный барьер эмиттерного перехода в базовую область, где они являются неосновными носителями. В результате концентрация электронов у эмиттерного перехода превышает равновесную в exp[eVэ/(kT)] раз, а у коллекторного перехода она практически равна нулю. Поэтому инжектированные в базовую область электроны в результате диффузии достигают коллекторного перехода, практически не рекомбинируя в базе, и в нем ускоряются электрическим полем. Таким образом электронный ток эмиттерного перехода транзистора течет не через базовый его вывод, а через коллектор и далее через сопротивление нагрузки. Ток эмиттера Iэ складывается из

электронной, I nэ ,и дырочной части, I рэ , компонент (I э = I nэ + I рэ ). В n – p

– n транзисторе эффект усиления достигается только за счет электронной

Поскольку плотность тока пропорциональна концентрации носителей, для того чтобы повысить эффективность эмиттера необходимо легировать эмиттер намного сильнее, чем базу ( Nd >> Na ).

Далее инжектированные в базу электроны диффундируют в сторону коллекторного перехода. Вследствие рекомбинации с дырками в базовой области только часть электронов достигает коллектора. Отношение

называется коэффициентом переноса. Здесь а – толщина базы, Ln –

– 3 м, β = 0,999.Это означает, что в реальных транзисторах почти все электроны, инжектированные в базовую р – область, достигают коллектора.

Основным параметром транзистора является коэффициент усиления по току α, который выражает отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока эмиттера при постоянном напряжении на

Согласно проведенному рассмотрению, α < ~ 1, т.е. при работе транзистора в схеме с общей базой усиления по току не происходит.

В то же время, даже небольшое переменное напряжение в эмиттерной цепи существенно изменяет ток, в exp[eVвх/ kT] раз. Этот ток, пройдя через сопротивление нагрузки Rн, если оно выбрано достаточно большим, вызывает появление на нем напряжения, гораздо большего Vвх .

Таким образом, с помощью транзистора можно получить значительное усиление (в несколько тысяч раз) напряжения

Соответственно увеличивается и мощность, снимаемая с нагрузки, W = Jк.Uн. Таким образом с помощью транзистора удается получить значительное усиление (в несколько тысяч раз) напряжения и мощности за счет энергии источника тока Vk,которая должна быть достаточно велика, чтобы поддерживать коллекторный переход под обратным смещением при протекании через него достаточно сильных токов.

Для р- n – p транзистора аналогичным образом описывается движение дырок.

Большое место в схемах автоматики и вычислительной техники занимают приборы с двумя устойчивыми состояниями – с более высоким и менее высоким сопротивлением. К ним относятся прежде всего многослойные полупроводниковые структуры динисторы и тиристоры. Прибор имеет три p-n – перехода (рисунок 36). Крайние переходы называются эмиттерными, а центральный – коллекторным. Средние области, n1 и р2, называемые базовыми, сравнительно слабо легированы. Крайние (эмиттерные) области имеют более высокую концентрацию примесей. При включении прибора в цепь плюс источника напряжения подсоединяют к крайней р1 – области, а минус – к области n2. При этом переходы p1 – n1 и p2 – n2 оказываются подключенными в прямом направлении, а центральный переход n1-p2 – в обратном. Вольт-амперная характеристика этого перехода в случае неуправляемого тиристора (динистора) представлена на рисунке 37.

Так как сопротивление обратно-смещенного коллекторного перехода велико, то практически все приложенное к прибору напряжение падает на этом переходе, а прямое смещение на эмиттерных переходах невелико. В

соответствии с этим мал и ток через прибор – выключенное состояние (кривая 1 на рис. 35).

Ток через обратный n1-p2 - переход переносится неосновными носителями. Часть из них возникает в результате тепловой генерации, а часть – инжектируется в области n1 и р2 через переходы р1 – n1 и р2 –n2.

Таким образом, ток коллекторного перехода Ik складывается из тока термогенерации Iks, тока дырок Ikp, и тока электронов Ikn, инжектированных через эмиттерные переходы и дошедших до коллектора. Согласно формуле (72), ток дырок, инжектированных через переход р1-n1, составляет часть полного тока I1, текущего через этот переход, Ikp = β1γ1Ι1, где γ1 – коэффициент инжекции эмиттерного перехода, β1- коэффициент переноса дырок через область n1. Ток электронов, инжектированных через переход p2-n2, и дошедших до коллектора, равен: Ikn = β2γ2I2.

Полный ток коллектора

Система находится в устойчивом состоянии, когда полные токи через все три p-n перехода равны друг другу, I1 = Ik = I2 = I. Тогда

Динистор изготовляют таким образом, чтобы параметр (β1γ1 + β2γ2) был меньше единицы. Однако по мере увеличения напряжения на динисторе и, следовательно, на коллекторном переходе уменьшаются расстояния а1 и а2, которые должны проходить инжектированные через эмиттерные переходы неосновные носители. Следовательно, согласно формуле (73), растут коэффициенты переноса β1 и β2, что, в соответствии с (79), приводит к увеличению тока и последующему росту коэффициентов инжекции γ. В результате процесс становится неустойчивым, поскольку вблизи коллекторного перехода начинают накапливаться нескомпенсированные носителями противоположного знака избыточные электроны и дырки, которые сужают область объемного заряда этого перехода. Неустойчивый переходный процесс продолжается до тех пор, пока высота потенциального барьера коллекторного перехода не станет