книги из ГПНТБ / Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник

диоды в режиме пробоя в качестве стабилизаторов напряжения — стабилитронов. Стабилитроны выполняются из кремния. Выпуска­ емые в настоящее время стабилитроны позволяют стабилизовать напряжения в пределах единиц — сотен вольт.

Если к диоду приложено небольшое напряжение в обратной по­ лярности, то в зоне перехода практически отсутствуют носители тока, в то же время они имеются как в п области, так и в р области.

Iобр, мм

Рис. 30.

Таким образом, образуется плоский конденсатор, где п — р переход играет роль изолятора между двумя проводящими областями. Уве­ личение напряжения приводит к расширению зоны перехода, умень­ шение — к сужению ее, и соответственно уменьшается или увеличи­ вается эквивалентная электрическая емкость п— р перехода. На использовании этого явления созданы электрически управляемые параметрические диоды — варикапы, электрическая емкость которых может изменяться в достаточно широких пределах при изменении величины приложенного напряжения.

Туннельные диоды в отличие от рассмотренных выше диодов, являющихся лишь преобразователями электрического тока, способны усиливать электрические сигналы. На рис. 30 приведены вольт-

70

амперные характеристики выпрямительных диодов, стабилитронов, варикапов и туннельных диодов.

На участке АБ вольт-амперной характеристики туннельного диода дифференциальное сопротивление является отрицательным:

тока и напряжения. При этом полное сопротивление, определяемое как

я - и°

в любом режиме работы является положительным, что свидетель­ ствует о потерях в процессе преобразования энергии.

Для изготовления туннельных диодов используются полупровод­ ники с большим содержанием примесей — до 10 2 1 атомов примеси на см3 . Это приводит к тому, что ширина п — р перехода в туннель­ ных диодах может доходить до 10" 6 см, т. е. на два-три порядка меньше, чем у обычных диодов. Малая ширина перехода и большое содержание примесей приводят к тому, что на га — р переходе дей­ ствует сильное запирающее электрическое поле напряженностью, доходящей до 10е в/см. При этом на п — р переходе наблюдается туннельный эффект, обусловленный волновой природой электронов: чем меньше энергия электрона, тем большей длиной волны он обла­ дает. Это приводит к тому, что электроны малых энергий относи­ тельно легко «огибают» запертый п — р переход. Вероятность тун­ нельного прохождения возрастает с уменьшением ширины перехода и увеличением напряженности электрического запирающего поля.

Туннельные диоды малогабаритны, могут работать при темпера­ турах в несколько сотен градусов, устойчивы к воздействию проникающих излучений.

§ 25. Полевые транзисторы

Работа полевых (канальных, униполярных) транзисторов осно­ вана на электрических эффектах, возникающих на поверхности или в объеме полупроводника вблизи зоны п — р перехода при воздей­ ствии электрического поля.

Наиболее широко используются эффекты: изменения объема п — р перехода при изменении запирающего напряжения; обеднения или обогащения носителями заряда поверхностного слоя полупро­ водника; инверсии типа электропроводности в поверхностном слое.

71

Под воздействием электрического поля в п — р переходе возни­ кает обедненный носителями заряда слой, являющийся практически изолятором. Объем, занимаемый п — р переходом, может изме­ няться в широких пределах путем изменения напряжения, при­ кладываемого к переходу в запирающей полярности. Если электри­ ческая прочность п — р перехода достаточно велика, то, увеличивая напряжение, можно расширить объем, занимаемый

чего перемещения электронов проводимости и дырок станут практи­ чески невозможными.

В настоящее время разработаны многочисленные приборы, осно­ ванные на управлении объемом п — р перехода.

На рис. 31, а, б, в приведены схема устройства, схема включения и выходная характеристика простейшего полевого транзистора, выполненного из пластинки полупроводника с одним п — р пере­ ходом. Если между верхним электродом («стоком») и нижним электро­ дом («истоком») приложить напряжение, то ток будет определяться удельным сопротивлением полупроводника, высотой пластинки и ее поперечным сечением. Наличие плоского п — р перехода, объем которого может изменяться в широких пределах, позволяет изменять эффективное поперечное сечение токопроводящего канала и тем

72

самым изменять величину тока. Управляющий работой п — р пере­

высокое входное сопротивление. Крутизна характеристики полевого транзистора может доходить до нескольких десятков ма/в. Разно­

они отличаются большой экономичностью и простотой конструкции, малогабаритны и надежны. Низкочастотные полевые транзисторы могут работать с токами в десятки ампер при напряжении в не­ сколько сотен вольт.

Если на затвор полевого транзистора подано напряжение в пря­ мой, отпирающей полярности, то его характеристики существенно изменяются: вместо управления напряжением транзистор будет управляться током. При этом эффект изменения объема п — р пере­ хода будет ничтожным, а основное управление будет происходить за счет введения в канал носителей заряда, вследствие чего, изменяя ток затвора, можно в широких пределах изменять электропровод­ ность и соответственно ток в цепи исток — сток. Полевые транзи­ сторы специальной конструкции, работающие с напряжением на затворе в отпирающей полярности, принято называть двухбазовыми диодами или однопереходными транзисторами (ОПТ).

В последние годы разработаны и нашли широкое применение полевые транзисторы с изолированным затвором МОП (металл — окись — полупроводник) или МДП (металл — диэлектрик — полу­ проводник). Устройство МОП-транзистора приведено на рис. 3 1 , д. Прибор выполнен из пластинки кремния с проводимостью р типа, в торцах которой имеются п области — сток и исток. Затвор выпол­ нен в виде тонкой пленки металла, напыленной на тончайший слой изоляции. При подаче напряжения между стоком и истоком (вне зависимости от полярности) ток протекать не будет, если на затворе нет напряжения, поскольку образуется два встречно включенных п — р перехода.

Если на затвор подать положительное напряжение, то в поверх­ ностном слое р кремния будут собираться электроны, образуя ин­ версионный токопроводящий п слой, соединяющий исток и сток. Толщина п слоя и, следовательно, его проводимость пропорци­ ональны напряжению на затворе.

Если в поверхностном слое р кремния непосредственно под затво­ ром образовать диффузионным способом тончайший п слой, то в зави­

изменяя тем самым в широких пределах его электропроводность. Особенностью транзисторов с изолированным затвором является исключительно высокое входное сопротивление — до 101 5 ом. Кру­ тизна характеристики доходит до десятков ма/в, предельные рабочие

частоты — до 1500 Мгц.

73

рами (или просто транзисторами). Транзистор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором имеются две области с одноименной проводимостью, разделенные узкой областью с про­ тивоположной проводимостью. Транзисторы могут иметь структур­ ную схему п — р — п или р — п — р.

Работа биполярного транзистора п — р — п типа (рис. 32, а) происходит следующим образом. Между верхней и нижней областями

прикладывается напряжение. При этом вне зависимости от его поляр­ ности ток протекать не будет, так как транзистор представляет собой два включенных навстречу друг другу диода, один из которых оказывается всегда включенным в запирающем направлении.

Для того чтобы через транзистор протекал ток, необходимо: или открыть запертый п — р переход, или в верхней п области соз­ дать вблизи перехода избыток дырок, или в средней р области создать избыток электронов, которые также беспрепятственно смогут пре­ одолевать запертый п — р переход. Последнее сделать относительно просто. Для этого надо на нижний п— р переход подать напряжение в прямой полярности, нейтрализовав тем самым его запирающее действие. При этом электроны, имеющиеся в нижней п области, начнут диффундировать в р область. Если ширина средней р области мала, то электроны, не успев рекомбинировать с дырками, прибли­ зятся к верхнему п — р переходу и, будучи захвачены его ускоря­ ющим полем, перейдут в верхнюю п область.

Таким образом, протекание тока через транзистор происходит так: нижняя область с п проводимостью (эмиттер) эмиттирует электроны в среднюю область (базу), откуда они собираются полем верхней области (коллектором).

Переход электронов из эмиттера в базу нарушает электрическое равновесие, вследствие чего возникают силы, стремящиеся его вос­ становить. Это приводит к тому, что из внешней цепи взамен ушедших в базу электронов в эмиттерную область вводятся электроны. Для

74

нейтрализации объемного заряда, создаваемого избыточными элек­ тронами в базовой области, в нее втягиваются из внешней батареи дырки. В базовой области одновременно имеются в большом коли­ честве электроны и дырки, которые могут рекомбинировать. Для уменьшения рекомбинации толщина базовой области выполняется обычно не более 1 0 _ 3 с м , в результате чего в базе рекомбинирует примерно 1—2% электронов, а остальные собираются коллектором.

При достаточно большом напряжении на коллекторе величина тока в его цепи определяется концентрацией электронов в области базы, которая, в свою очередь, зависит от концентрации электронов проводимости в эмиттерной области и степени нейтрализации элек­ трического поля перехода эмиттер — база, осуществляемой за счет напряжения базовой батареи. Если напряжение этой батареи равно нулю, то тормозящее поле перехода максимально и в область базы входит очень мало электронов, вследствие чего и ток коллектора мал. Если напряжение базовой батареи достаточно велико, то запира­ ющее поле эмиттерного перехода полностью скомпенсировано, кон­ центрации электронов в эмиттерной и базовой областях практически равны и ток коллектора достигает максимального значения. При этом базовый ток также максимален, так как, чем больше концентра­ ция электронов в базовой области, тем больше число их рекомби­ нирует с дырками и тем больший ток должен отбираться от базовой батареи для восполнения рекомбинирующих дырок. Однако базовой ток во много раз меньше коллекторного тока.

База иногда называется управляющим электродом (по аналогии с управляющей сеткой в вакуумном триоде). Однако это только формальное сходство; в электронной лампе имеет место электро­ статическое управление. При изменении напряжения на управля­ ющей сетке количество электронов, эмиттируемых катодом, практически неизменно и управляющая сетка играет роль клапана, пропускающего только часть электронного потока.

В транзисторе дело обстоит иначе: изменить ток в цепи кол­ лектора можно только изменением концентрации носителей заряда в области базы, что достигается только изменением величины тока,

вколлекторную.

Усовременных транзисторов а -+• 1, вследствие чего коэффициент усиления по току может доходить до нескольких сотен. Работа тран­ зистора р — п — р типа отличается от работы транзистора п — р — п

75

типа лишь тем, что процесс переноса электрического тока осуще-» ствляется дырками, и так как меняется знак носителей тока, меняется и полярность питающего напряжения (рис. 32, а, б).

Усилительные свойства транзистора отображаются с помощью семейства вольт-амперных характеристик.

Наибольший интерес представляют входная и выходная характе­ ристики транзистора. Под входной характеристикой понимается зависимость величины входного тока 1ВХ (потребляемого от источника

Рис. 33.

сигнала или батареи смещения Еб) от величины входного напря­ жения £ / в х при постоянном напряжении на коллекторе:

иногда используются характеристики прямой и обратной передач:

На рис. 33, а приводится входная статическая характеристика транзистора типа ГТ308А для двух значений коллекторного напря­ жения: UK3 — 0 и £ / к э = 2,5 в. Необходимо отметить, что увеличение напряжения на коллекторе свыше некоторого предела UKn (в данном случае 2,5 в) приводит к очень незначительному смещению входной характеристики вправо, с которым практически можно не считаться, и для всех напряжений, больших С7КП, можно пользоваться одной характеристикой, снятой при UK3 = UKn. Зависимость входного

76

тока от входного напряжения в статическом режиме достаточно точно описывается следующим уравнением:

Обращает внимание внешнее сходство коллекторных характе­ ристик транзистора с анодными характеристиками пентода: начиная с некоторого напряжения, на коллекторе ток практически не зависит от изменения коллекторного напряжения и определяется только током базы.

Описание свойств транзистора с помощью входных и выходных статических характеристик не является достаточно полным. Стати­ ческие характеристики снимаются при сравнительно медленных изменениях напряжений и токов на электродах, поэтому частотная зависимость параметров, вызываемая конечной скоростью пере­ мещения носителей зарядов в объеме транзистора, никак не про­ является. Для более полного описания электрических свойств тран­ зисторов применяются методы, основанные на выражении свойств транзистора в виде электрической модели или в виде эквивалентного четырехполюсника.

При повышении частоты рабочего сигнала изменяются все основ­ ные параметры транзисторов, и в первую очередь коэффициент усиления, который с повышением частоты уменьшается до нуля. Это объясняется сравнительно небольшой и весьма различной ско ­ ростью движения отдельных носителей заряда в транзисторе, не­ прямолинейностью траекторий их перемещения и влиянием емкостей эмиттерного (Сэ ) и коллекторного (Ск ) переходов.

Параметры транзисторов сильно зависят от температуры окружа­ ющей среды. Поэтому все транзисторные схемы нуждаются в спе­

С увеличением температуры выходные характеристики пере­ мещаются почти параллельно самим себе. В основном это вызывается

Рассмотренными типами транзисторов не ограничивается все семейство транзисторов, применяемых в современной радиоэлектро­ нике. Простота конструкции, вполне удовлетворительные параметры простейших транзисторов обусловливают их широкое применение >

77

ограничивая применение лучших, но более сложных в изготовлении типов. В частности, разработаны и нашли применение транзисторы с двумя п — р переходами и четырьмя выводами — тетроды. Исполь­ зование лавинных и туннельных эффектов позволило создать лавин­ ные и туннельные транзисторы.

§ 27. Тиристоры

Особенностью тиристоров — приборов с тремя и более п — р переходами является то, что в них происходит лавинный процесс ударной ионизации, вследствие чего их внутреннее сопротивление в некоторых режимах работы становится отрицательным. Наиболее

широко применяются кремниевые тиристоры с тремя п — р пере­ ходами (название дано по аналогии с тиратронами, имеющими подоб­ ные вольт-амперные характеристики). Как и тиратроны, тиристоры являются приборами дискретного управления.

Тиристоры принято различать по числу электродов. В частности, если"имеется два вывода, то прибор называется динистором, три вывода — тринистором, четыре — бинистором.

На рис. 34, а, б, в приводится устройство динистора и его экви­ валентная схема в виде двух соединенных параллельно-последова­ тельно транзисторов.

При подаче небольшого напряжения в любой полярности динистор заперт и ток, протекающий через него, чрезвычайно мал. По мере увеличения напряжения источника питания этот ток увеличи­ вается (участок OA на рис. 34, г). Затем при некотором напряжении происходит пробой запертого п — р перехода и ток резко увели­ чивается.

Эквивалентная схема динистора представляет собой соединенные последовательно-параллельно транзисторы, вследствие чего кол­ лекторный ток каждого транзистора является одновременно и базо­ вым током другого. Это приводит к тому, что если в цепи базы пер­ вого транзистора появится ток, то на базу второго транзистора он

78

попадает усиленным. Это вызывает увеличение тока базы первого транзистора и влечет еще большее увеличение тока базы второго транзистора и т. д. Процесс развивается подобно лавине и заканчи­ вается переводом в насыщение обоих транзисторов, т. е. динистор открывается. Для выключения динистора необходимо уменьшить ток до такой величины, при которой лавинные процессы прекра­ щаются, что достигается или отключением питания, или подачей

включения прибора подачей импульсов запуска положительной полярности. Импульсы запуска открывают запертый п — р переход, вследствие чего при достаточно большом напряжении на коллекторе развивается лавинный процесс и тринистор включается.

В бинисторе (тетродном тиристоре), имеющем выводы от каждого из четырех слоев, возможно управление моментом включения сразу по двум базам, что в значительной степени облегчает запуск и рас­ ширяет область возможного применения прибора в радиосхемах.

Динисторы, тринисторы и бинисторы обладают свойством одно­ сторонней проводимости и могут использоваться как управляемые выпрямители.

В последнее время разработаны новые многослойные приборы, по своим характеристикам подобные тиристорам, но имеющие целый ряд особенностей. В частности, разработаны двунаправленные (сим­ метричные) тиристоры, обладающие двусторонней проводимостью, что позволяет применять их в цепях переменного тока. Разработаны также тиристоры с полной управляемостью (двухоперационные), в которых включение и выключение осуществляются путем подачи управляющих импульсов на одну из баз.

§ 28. Сверхвысокочастотные приборы

Сравнительно медленные перемещения электронов и дырок в полу­ проводниковых приборах приводят к тому, что при очень быстрых изменениях напряжения ток не успевает за ним следовать. Это делает практически невозможной работу большинства рассмотренных выше полупроводниковых приборов на сверхвысоких частотах.

Однако на принципе запаздывания тока можно создать усили­ тельные устройства. Время пролета электронов от катода к аноду полупроводникового диода подбором материалов и его геометри­ ческих размеров может быть сделано в точности равным половине периода высокочастотного напряжения, прикладываемого к диоду в прямом направлении. При этом ток будет отставать от напряжения на 180°: увеличению напряжения будет соответствовать уменьшение тока (и наоборот), вследствие чего диод будет вести себя как отри­ цательное сопротивление. На этом принципе работают лавинно-

79