лекции прохоров

Час спаду зворотного струму tсп = t2 – t1 ≈ (0,3 ÷ 0,4) τБ. Час зворотного відновлення tвід= t2 - T/2 = tзп + tcп ≈ τБ.

На дуже високих частотах ωτБ >>1 заряд дірок, введених в базу за позитивний напівперіод, повністю виводиться в зовнішнє коло за негативний напівперіод і діод втрачає випрямні властивості (рис. 2.14).

Частотна характеристика випрямленого струму має спадаючий із зростанням частоти вигляд, як показано на рис. 2.15.

Перезаряд бар'єрної ємності, що затягує в основному фазу спаду струму діода, залежить від значення R, тому із збільшенням R частотний діапазон випрямлених струмів звужується.

2.6 Переходи “метал-напівпровідник”

Переходи “метал-напівпровідник” використовуються для створення напівпровідникових діодів (діодів Шоттки), а також для створення омічних переходів (контактів), що є невід'ємною частиною будь-якого напівпровідникового приладу.

Розглянемо систему, що складається з металу і напівпровідника n-типу електропровідності, для випадку, коли робота виходу електронів з металу АМ більше роботи виходу напівпровідника АН.

41

Якщо метал і напівпровідник з'єднати зовнішнім колом, то по ньому з напівпровідника в метал перетече деяка кількість електронів, встановиться термодинамічна рівновага, енергія Фермі стане постійною у всій системі. В зазорі між металом і напівпровідником і в поверхневому шарі напівпровідника виникне електричне поле, обумовлене тим, що на внутрішній поверхні металу накопитяться електрони, а на поверхні напівпровідника викривається заряд позитивних іонів донорів, що не компенсуються. Виникає контактна різниця потенціалів, величина якої визначиться по формулі UJ = (AМ – AН) / q.

При прийнятому співвідношенні AМ > AН поверхнева область напівпровідника обідняється електронами. Під дією електричного поля електрони йдуть з цієї області і залишають заряд позитивних іонів донорів, що не компенсується. Тому таку область називають областю просторового заряду (ОПЗ) або збідненою областю. При додаванні до переходу “метал-напівпровідник” зовнішньої напруги вона практично вся прикладається до ОПЗ. Це пояснюється тим, що ОПЗ збіднена носіями заряду і її опір великий.

Якщо до металу підключити негативний полюс джерела напруги U, то напруженість електричного поля в ОПЗ збільшиться, різниця потенціалів на ОПЗ зросте до значення (UJ + U) і товщина ОПЗ збільшиться. Таке включення переходу М-Н називають зворотним.

Якщо до металу підключений позитивний полюс джерела напруги U, то поле в ОПЗ переходу зменшиться, висота потенційного бар'єру стане рівною (UJ - U) і товщина ОПЗ скоротиться. Це випадок прямого зміщення переходу.

2.7 Омічний контакт

На основі переходів “метал-напівпровідник” виготовляють омічні контакти до будь-яких напівпровідникових приладів. Опір такого переходу повинен бути малим і практично не повинен залежати від напряму і значення струму в робочому діапазоні струмів. Омічний перехід не повинен інжектувати неосновні носії заряду, мати стабільні електричні і механічні властивості. Метал

42

переходу повинен мати високі електро- і теплопровідністі та температурний коефіцієнт розширення (ТКР), близький до ТКР напівпровідника. Найбільш складно створити хороші омічні контакти до відносно слаболегірованим напівпровідникам (N << 1017 см-3). Наприклад, з кремнієм n-типа електропровідності практично всі метали дають бар'єр Шоттки з відносно великою висотою бар'єру і контакт виходить випрямляючим. Виходом з положення є створення на поверхні n-напівпровідника тонкого шару з концентрацією донорів вище 1019 см-3, на який наноситься метал. Оскільки ступінь легіровання n-шара висока і напівпровідник вироджений, то товщина ОПЗ надзвичайно мала (декілька нанометрів) і носії заряду (електрони) безперешкодно долають бар'єр за рахунок тунельного ефекту.

Важливою характеристикою омічного переходу є питомий опір контакту. Хороший омічний контакт повинен мати ρ < 10-3см-2.

2.8 Класифікація і різновиди напівпровідникових приладів

Напівпровідникові діоди широко застосовуються в пристроях радіоелектроніки, автоматики і обчислювальної техніки, силової (енергетичної) перетворювальної техніки. Не зважаючи на велику різноманітність і широку номенклатуру діодів, що випускаються на даний час, їх можна класифікувати по ряду ознак, наприклад виду електричного переходу (точковий і площинний), фізичні процеси в переході (тунельний, лавинно-пролітний і ін.), характер перетворення енергії сигналу (світлодіод, фотодіод і ін.), метод виготовлення електричного переходу (сплавні, дифузійні, епітаксиальні) і т.п. В довідниках по напівпровідникових приладах звичайно приводиться класифікація за призначенням. При цьому класифікація відображає:

–принцип використання перетворюючих і нелінійних властивостей електричного переходу (випрямні і імпульсні діоди, перетворювальні, варикапи, стабілітрони і т. д.);

–діапазон робочих частот (низькочастотні, високочастотні, НВЧ-діоди,

43

– вихідний матеріал для виготовлення діодної структури (кремнієві, селенові, германієві, арсенід-галлієві діоди і ін.).

2.8.1Випрямні діоди

Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в постійний. Частотний діапазон їх роботи невеликий. Верхня межа їх, як правило, не перевищує 500Гц - 20кГц.

Для характеристики випрямних діодів використовуються наступні параметри:

–максимально допустима зворотна напруга Uзв макс (звичайно Uзв макс ≈ 0,5

÷0,8 Uпроб );

–максимально допустимий прямий струм Iпр макс;

–постійна пряма напруга Uпр при заданому прямому струмі;

–максимально допустимий постійний зворотний струм Iзв макс при прикладенні до нього напруги Uзв макс;

–частота без зниження режимів .

По максимально допустимому випрямленому струму діоди діляться на три групи:

–діоди малої потужності (Iпр < 0,3А);

–діоди середньої потужності (0,3А < Iпр < 10А);

–потужні (силові) діоди (Iпр >10А) .

Іноді в паспорті указують середній випрямлений струм, середній зворотний струм, а також імпульсний прямий струм або його максимально допустиме значення.

2.8.2 Імпульсні діоди

Імпульсний діод - це напівпровідниковий діод, що має малу тривалість перехідних процесів і призначений для використання в імпульсних режимах роботи. Імпульсні діоди використовують як ключові елементи схем, що працюють з сигналами тривалістю аж до наносекундного діапазону.

44

Основними параметрами імпульсних діодів є:

–величина прямої постійної напруги Uпр при протіканні заданого постійного струму;

–максимальне значення зворотної напруги Uзв макс будь-якої форми і періодичності;

–максимальне значення прямого імпульсу Iпр імп макс;

–величина зворотного струму;

–час відновлення зворотного опору tвід , який є інтервалом часу від моменту подачі імпульсу зворотної напруги до моменту, коли зворотний струм діода зменшується до заданого значення (для швидкодійних імпульсних діодів tвід=

0,1÷10 мкс, а для надшвидкодіючих діодів tвід< 0,1 мкс) ;

– час встановлення прямого опору діода tвст, який є інтервалом часу від початку імпульсу прямого струму до моменту, коли напруга на діоді впаде до 1,2 сталого значення.

В даний час використовуються точкові і площинні конструкції імпульсних діодів, технологія їх виготовлення аналогічна технології виготовлення звичайних випрямних діодів.

Якнайменший час перемикання мають діоди з випрямляючим переходом метал-напівпровідник, в яких практично відсутній ефект накопичення неосновних носіїв заряду.

2.8.3 Стабілітрони

Стабілітроном називається напівпровідниковий діод, напруга на якому в області електричного пробою при зворотному включенні слабо залежить від струму в заданому діапазоні і який призначений для стабілізації напруги.

Стабілітрони працюють в режимі електричного пробою. Під дією сильного поля в області p-n-переходу зворотний струм різко зростає при малих змінах прикладеної напруги. Напруга пробою, що є напругою стабілізації, може змінюватися в широких межах - від 3,5 до 400В і вище, залежно від питомого опору кремнію. На рисунку 2.16а) наведена робоча частина ВАХ стабілітрона.

45

Рисунок 2.16

Основні параметри стабілітронів:

–напруга стабілізації Uст ;

–динамічний опір rдин= ∆Uст / ∆Icт ;

–статичний опір rстат= Uст / Icт ;

–температурний коефіцієнт напруги стабілізації при постійному струмі

стабілізації αст = ∆Uст / ( Uст·∆T ) .

Оскільки реальна ВАХ в області пробою має деякий нахил, та напруга стабілізації залежить від струму стабілізації Icт.

Максимальний струм стабілізації I обмежений допустимою потужністю розсіяння і можливістю переходу електричного пробою в тепловій, який є необоротним.

Мінімальний струм стабілізації Icт мін відповідає початку стійкого електричного пробою.

Динамічний опір rдин характеризує якість стабілізації і визначається кутом нахилу ВАХ в області пробою.

Важливим параметром стабілітрона є αст. Залежність αст від напруги стабілізації Uст приведена на рисунку 2.16 б). Як видно з рисунка, для високоволь-

тних стабілітронів αст>0, а для низьковольтних αст< 0. При Uст = 5 ÷7В коефі-

цієнт αст мінімальний. Одним із способів зменшення αст полягає в послідовному з'єднанні переходів з рівними по значенню, але протилежними по знаку температурними коефіцієнтами стабілізації.

46

Різновидом кремнієвих стабілітронів є стабістори. В цих діодах для стабілізації низьких напруг (до 1В) використовується пряма вітка ВАХ p-n-переходу. Температурний коефіцієнт стабілізації стабісторів негативний і приблизно рівний -2 мВ/ К.

2.8.4 Діоди Шотткі

Діод Шоттки (ДШ) - це напівпровідниковий діод, випрямні властивості якого засновані на взаємодії металу і збідненого шару напівпровідника.

Для створення ДШ використовується перехід метал-напівпровідник. Робота цих діодів заснована на перенесенні основних носіїв заряду і характеризується високою швидкодією. Оскільки в них відсутнє характерне для p-n- переходів накопичення неосновних носіїв заряду, ДШ використовують як елементи інтегральних мікросхем, а також як дискретні прилади. Малопотужні ДШ виготовляються на основі кремнію і арсеніду галію n-типа і призначаються для перетворення сигналу НВЧ-діапазону (випрямляння, змішення частот, модуляція) і для імпульсних пристроїв. Силові (потужні) ДШ для силової напівпровідникової електроніки виготовляються на основі кремнію n-типа, мають робочі струми до декількох сот ампер, виключно висока швидкодія (в порівнянні з діодами на основі p-n-переходів), але низькі робочі напруги, що не перевищують декількох десятків вольт.

Зворотні струми ДШ на 3-4 порядки більше зворотних струмів діодів з p- n-переходом, а прямі напруги для ДШ значно нижче. На рисунку 2.17 показані прямі характеристики ДШ (крива 1) в об-

3 БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

3.1 Загальні відомості

Транзистором називають електроперетворювальним напівпровідниковий приладом з декількома електричними переходами, придатний для посилення потужності електричних сигналів і має три виводи. За принципом дії транзистори розділяють на два основні класи: біполярні і польові (уніполярні). В біполярних транзисторах фізичні процеси визначаються рухом носіїв заряду обох знаків - основних і неосновних, що відображене в їх назві. В польових транзисторах використовується рух носіїв одного знака (основних носіїв).

Біполярний транзистор (рис. 3.1) містить три напівпровідникові області з чергуючими типами провідності p-n-p і n-p-n, які називаються відповідно емітером, базою і колектором; ці області розділені між собою p-n-переходами - емітерним 1 і колекторним 2. Взаємодія між переходами забезпечується завдяки тому, що товщина бази багато менше дифузійної довжини неосновних носіїв в базі. До напівпровідникових областей створені омічні контакти і зовнішні виводи. Принцип дії транзисторів типу p-n-p і n-p-n однаковий, відрізняючись лише полярністю напруги, що підводиться.

Рисунок 3.1

48

3.2 Транзисторна структура за відсутності зовнішніх напруг

За відсутності зовнішніх напруг (Uеб = Uкб = 0) поля p-n-переходів створюються лише об'ємними зарядами іонів. Потенційний бар'єр в кожному з переходів встановлюється такої величини, щоб забезпечувалася рівновага дифузійного і дрейфового потоків, що рухаються в протилежних напрямах, забезпечуючи рівність нулю протікаючих через них струмів.

Співвідношення концентрацій основних носіїв заряду в емітерному і колекторі шарах транзистора несуттєве, і на рисунку 3.2 вони прийняті однаковими. Концентрація основних носіїв заряду в базі повинна бути багато менше концентрації основних носіїв заряду в емітері, що досягається вживанням високоомного матеріалу бази. З урахуванням того, що для певної температури добу-

ток p n - величина постійна, повна картина розподілу концентрацій в шарах транзистора матиме вигляд, показаний на рисунку 3.2.

3.3 Транзисторна структура за наявності зовнішніх напруг

Зовнішні напруги підключають до транзистора так, щоб забезпечувався зсув емітерного переходу в прямому напрямі, а переходу колектора - у зворот-

ному напрямі. Це досягається за допомогою двох джерел напруги UЕБ і UКБ

(рис. 3.3).

ϕ

Рисунок 3.3

Оскільки в емітерному переході зовнішня напруга UЕ діє в прямому напрямі, потенційний бар'єр для дірок - основних носіїв зарядів емітерного шару - зменшується і дірки з емітера під дією дифузії у великій кількості переходитимуть (інжектуватимуть) в область бази. Аналогічним чином збільшиться дифузійний потік електронів (основних носіїв заряду області бази) в емітер.

Зурахуванням достатньо малої для зміщеного в прямому напрямі p-

50