Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электроника и схемотехника. Учебное пособие для СПО
.pdf
81
туры ведут к уменьшению тока стока. Этот эффект особенно
сильно проявляется при больших токах стока. Однако увеличение температуры ведет к уменьшению толщины p-n-перехода,
что расширяет канал. Последнее вызывает увеличение тока стока, что особенно заметно при малых его значениях. При некоторых значениях тока стока оба фактора компенсируют друг друга, и величина тока стока не зависит от изменения температуры.
5.3. Эквивалентные схемы замещения
Рассмотрим наиболее распространенные схемы замеще-
ния полевых транзисторов. На рис. 5.7, а приведена схема замещения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, а
на рис. 5.7, б — с изолированным затвором.
а)
б)
Рис. 5.7. Эквивалентные схемы полевого транзистора:
а — с управляющим p-n-переходом;
б — с изолированным затвором
R
ЗС СЗС RЗИ СЗ UЗИ
S U
ЗИ
С
ЗИ Ri
З
С
И
U
СИ
И
С
ЗС
СЗ U
ЗИ UСИ
З
С
И
S U
ЗИ
Ri С
ЗИ
И
82
В этих схемах принято, что вывод подложки электрически
соединен с истоком. Такое включение наиболее часто используется при разработке схем на полевом транзисторе. Следует отметить, что входное и выходное сопротивление полевого транзистора носят ярко выраженный ёмкостной характер. Активная
составляющая входного тока для полевого транзистора с управляющим p-n-переходом обусловлена током обратно смещённого
p-n-перехода и весьма мала.
Из принципа действия полевого транзистора вытекают две
основные его особенности: в установившемся режиме работы
входной ток полевого транзистора стремится к нулю; инерционность полевого транзистора в отличие от биполярного обусловлена только процессами перезарядки его входной и выходной
емкостей. Следует отметить, что конструкция полевого транзистора предполагает получение больших значений его входных и
выходных емкостей. Последнее с увеличением частоты входного сигнала приводит к фактическому падению коэффициента
усиления каскада на полевом транзисторе. Действительно, по
постоянному току коэффициент усиления полевых транзисторов
стремится к бесконечности (входной ток стремится к нулю).
При увеличении частоты входного сигнала входной ток полевого транзистора, определяемый его входной емкостью, растет,
что эквивалентно снижению значения коэффициента усиления.
Поэтому принято считать, что в общем случае по быстродействию, усилению и частотным свойствам полевой транзистор,
как правило, не имеет преимуществ перед биполярным транзистором.
Основными преимуществами полевого транзистора являются его большое входное сопротивление по постоянному току
и высокая технологичность. Последнее обуславливает широкое
применение полевых транзисторов при разработке цифровых
интегральных схем.
5.4. Основные параметры полевых транзисторов
В полевых транзисторах, в отличие от биполярных, ток в
канале создается основными носителями заряда: электронами в
n-канальных и дырками в p-канальных. В биполярных транзи-
83
сторах управление выходным током осуществляется изменением входного тока, а у полевых транзисторов - изменением входного напряжения. Поэтому входное сопротивление полевых
транзисторов на несколько порядков выше, чем у биполярных.
Соответственно, входные токи полевых транзисторов на несколько порядков меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому усилительные свойства полевого транзистора, как и у
электровакуумных приборов, оцениваются крутизной передаточной характеристики, а не коэффициентом передачи тока, как
в биполярных транзисторах.
Эффективность управляющего действия затвора оценивается крутизной характеристики передачи, которая показывает
количественное изменение тока стока при изменении напряжения на затворе на 1 вольт:
,
CC
ЗИ ЗИ
dI I
S
dU U
=
(5.11)
при
.
СИ
U const=
Графически крутизна
S
равна наклону касательной в за-
данной точке проходной характеристики.
Вторым важным параметром является внутреннее сопротивление полевого транзистора
i
R
, которое характеризует воз-
действие напряжения сток — исток
CИ
U
на ток стока
C
I
, кото-
рое определяется:
,
СИ СИ
СC
i
dU U
R
dI I
=
(5.12)
при
.
ЗИ
U const=
Физический смысл внутреннего сопротивления
i
R
— это
сопротивление транзистора переменному току.
84
Коэффициент усиления транзистора:
,
СИ СИ
ЗИ ЗИ
dU U
dU U
=
(5.13)
при
.
С
I const=
Перечисленные параметры
S
,
i
R
, называются мало-
сигнальными параметрами полевого транзистора и могут быть
определены по статическим вольт-амперным характеристикам в
заданной рабочей точке. Связь между малосигнальными параметрами представляется в виде:
.
i
SR
=
(5.14)
5.5. Ключевой режим работы
полевого транзистора
Ключевой режим работы транзисторов широко использу-
ется в цифровых устройствах. На рис. 5.8 показана схема ключа
на транзисторе с управляющим p-n-переходом и расположение
рабочих точек на выходной вольт-амперной характеристике.
На вход транзисторного ключа действует импульсный сиг-
нал. Ели входное напряжение
0
вх
U
, транзистор переходит в
линейный режим, при котором ток в стоковой цепи близок к
значению
ПИТ
С
С
нас
Е
I
R
=
, а напряжение сток — исток становится
равным значению насыщения
.
нас
U
В случае, если входное
напряжение становится отрицательным, и при этом
вх
отс
UU
,
транзистор закрывается, и в цепи стока практически отсутствует
ток (
0
отс
I
).
85
а) б)
Рис. 5.8. Ключевой режим работы полевого транзистора:
а — использование выходной ВАХ; б — схема ключа.
Динамические свойства ключа определяются временем
включения
вкл
t
и временем выключением
вык
t
. На рис. 5.9 при-
ведены переходные процессы, сопровождающие процессы
включения и выключения ключа, длительность которых обусловлена перезарядом емкостей транзистора и емкостей, входящих в состав нагрузки.
Рис. 5.9. Переходные процессы
при работе транзисторного ключа
I
С нач
I
отс
U
ЗИ1
=0
U
ЗИ2
< U
ЗИ1
U
ЗИ3
< U
ЗИ2
I
С
0
U
нас
U
СИ EПИТ
ПИТ
C
E
R
+E
ПИТ RС Uвых Uвх
U
вх
i
C
0
0
t t
t
вык tвкл
86
6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
Оптоэлектронный полупроводниковый прибор — это при-
бор, излучающий или преобразующий электромагнитное излучение, чувствительный к этому излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра или использующий подобное излучение для внутреннего взаимодействия его
элементов.
Оптическим диапазоном электромагнитных колебаний, в
котором могут работать оптоэлектронные полупроводниковые
приборы, считается диапазон длин волн от 1 мм до 1 нм.
Оптоэлектронные приборы подразделяют на излучатели и
приемники излучения, оптопары и оптронные интегральные
микросхемы.
6.1. Фотоэлектрические явления
в полупроводниках
Процесс образования дополнительных свободных носите-
лей заряда в полупроводнике под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом.
Внутренний фотоэффект различают на фоторезистивный
и фотогальванический. Фоторезистивный эффект — это изме-
нение электрического сопротивления полупроводника под воздействием оптического излучения, не связанное с нагреванием.
Фоторезистивный эффект возникает в полупроводнике, если
происходит либо собственное поглощение фотонов с образованием новых пар носителей заряда, либо примесное поглощение
с образованием носителей одного знака при возбуждении атомов примеси. В результате растет концентрация носителей заряда и уменьшается сопротивление полупроводника.
Фотогальванический эффект проявляется при освещении
поверхности полупроводника хорошо поглощаемым светом.
Основное поглощение происходит в поверхностном слое, поэтому здесь же возникает избыточная концентрация электронов
и дырок, которые диффундируют вглубь полупроводника
(рис. 6.1, а). Поскольку коэффициент диффузии электронов значительно больше коэффициента диффузии дырок, то электроны
87
опережают дырки, и происходит разделение зарядов — поверхность полупроводника заряжается положительно, а объем —
отрицательно. Таким образом, при освещении полупроводника
возникает электрическое поле, называемое ЭДС Дембера.
а) б)
Рис. 6.1. Фотогальванический эффект:
а — явления диффузии и поглощения;
б) — внутреннее электрическое поле
Возникшее поле (рис. 6.1, б) будет тормозить электроны и
ускорять дырки, поэтому через некоторое время после начала
освещения установится динамическое равновесие в процессе
диффузии носителей заряда. При этом напряженность электрического поля будет пропорциональна градиенту концентрации
носителей заряда.
Рассмотрим процесс образования фотоносителей при об-
лучении полупроводника потоком фотонов. Собственное поглощение в полупроводниках (процесс 1 на рис. 6.1, б) обычно
значительно интенсивнее, чем примесное поглощение (2 и 3 на
рис. 6.1, б), поскольку концентрация примесных атомов мала и
большинство из них уже ионизированы при достаточно низких
температурах, поэтому фотопроводимость полупроводника существует в основном за счет собственных фотоносителей.
Чтобы световой фотон мог создать фотоносители, должны
выполняться следующие энергетические соотношения:
11
22
,
фс
ф с t
h E E
h E E
= −
= −
(6.1)
h v
vp v
n
E
C
E
t Ev
g
E
88
где ф1 и ф2 — энергии фотона в процессах 1 и 2 на рис. 6.1, б,
ЕС, Е, Еt — энергии дна зоны проводимости, потолка валентной
зоны и примесного уровня.
Собственный фотоэффект возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длинной волны, меньшей
некоторого значения:
,
1.23
ГР
сg
hc
E E E
=
−
(6.2)
где с — скорость света; h — постоянная Планка; ЕС, Е
— зна-
чения энергии дна зоны проводимости, потолка валентной зоны
соответственно,
g
Е
— ширина запрещенной зоны в эВ;
ГР
—
длинноволновая граница спектральной чувствительности полупроводника в мкм. Для кремния, германия, арсенида галлия,
сернистого и селенистого кадмия
ГР
принимает значения, со-
ответственно: 1,1; 1,8; 0,9; 0,7; 0,8 мкм.
6.2. Оптоэлектронные излучающие приборы
Основные материалы излучающих оптоэлектронных приборов — GaAs и соединения на GaAlAs, GaAsP — относятся к
прямозонным полупроводникам, в которых разрешены прямые
оптические переходы. Каждый акт рекомбинации таких переходов сопровождается излучением фотона с длиной волны, определяемой соотношением (6.1). Чтобы излучатель работал в области видимого излучения (
= 0,38 ... 0,78 мкм), необходимы
полупроводники с
g
Е
= 1,5 … 3,0 эВ. Это условие исключает
применение германия и кремния для излучающих оптоэлектронных приборов.
В полупроводниках генерация оптического излучения
обычно обеспечивается инжекционной электролюминесценцией. Это генерация оптического излучения в p-n-переходе, включает в себя два этапа: инжекцию носителей и собственно электролюминесценцию. Инжекция обеспечивает создание неравновесных носителей заряда.
89
Светоизлучающие и инфракрасные
излучающие диоды
Светоизлучающий диод — это полупроводниковый излу-
чатель-диод фотонов видимой области спектра, предназначенный для отображения визуальной информации (рис. 6.2, а).
Инфракрасный излучающий диод (ИК-диод) — это полу-
проводниковый излучатель-диод, рабочим оптическим диапазоном которого является ИК-область.
Основой светоизлучающего диода (СИД) является p-n-
переход или гетеропереход. При наличии контакта между однородными полупроводниками с разными типами проводимости
уровень Ферми в равновесном состоянии должен быть общим.
Следствиями этого являются искривление зон и образование
потенциального барьера (рис. 6.2, б).
Дырки из p-слоя диффундируют в область перехода (на
рис. 6.2, б слева направо), но не могут преодолеть потенциальный барьер и возвращаются в p-слой. Дырки n-слоя легко
«всплывают» по потолку валентной зоны в p-слой и образуют
дрейфовый поток справа налево, который уравновешивается
встречным потоком дырок p-слоя, имеющих достаточную энергию, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Аналогично ведут себя и электроны: из p-слоя они свободно «скатываются»
в n-слой, образуя дрейфовый ток, который уравновешивается
встречным потоком электронов n-слоя имеющих достаточную
энергию.
При подключении к СИД источника прямого напряжения
потенциальный барьер понижается, при этом возникают диффузионные токи электронов и дырок, то есть происходит инжекция
неосновных носителей: дырок в n-область и электронов в
p-область. Обычно излучающей является только одна область
(например, p-область), поэтому необходима максимальная инжекция носителей именно в эту область. Для этого в n-область
вводится больше донорной примеси, чем акцепторной в
p-область. Этим и достигается практически односторонняя инжекция носителей из n-эмиттера в p-базу, что приводит к излучению базовой областью.
90
а) б)
Рис. 6.2. Светодиод: а — условное обозначение;
б — зонная диаграмма
Поскольку для СИД используются материалы с широкой
запрещенной зоной, в них значителен рекомбинационный ток,
вызванный процессами рекомбинации в p-n-переходе. Рекомбинация электронов в СИД происходит обычно на центрах, имеющих уровни вблизи середины запрещенной зоны (глубокие центры рекомбинации), и заканчивается выделением тепловой
энергии. Последнее снижает эффективность инжекции электронов, приводящих к излучению.
Полезной составляющей тока, создающей излучательную
рекомбинацию в p-базе, является ток, инжектируемый эмиттером. Количественно эффективность рекомбинации при люминесценции характеризуют внутренним квантовым выходом, то
есть отношением числа генерированных фотонов к числу инжектированных в p-базу за то же время электронов.
Форма излучающего элемента СИД может быть разнообразной. На практике широкое применение нашли знаковые полупроводниковые индикаторы, состоящие из излучающих элементов в виде сегментов и точек. На рис. 6.3 приведено устройство в форме цифрового табло, содержащее четыре семисегментных индикатора с децимальной точкой, каждый из которых
EC E
t
E
v
p - база
n - эмиттер
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]