8. Основы полупроводниковой электроники
8.1 Проводимость материалов [+]
Проводники (металлы): ρ ≈ 10⁻⁸ Ом·м, зоны перекрываются.
Диэлектрики: ширина запрещённой зоны ΔW > 3 эВ.
Полупроводники (Si, Ge, GaAs): ΔW ≈ 0,3–3 эВ (Si 1,12 эВ, Ge 0,67 эВ). Проводимость растёт с температурой.
Собственная проводимость — электронно-дырочные пары при тепловой генерации (носителей поровну). Примесная: донорные примеси (P, As, Sb) → полупроводник n-типа (основные носители — электроны); акцепторные (B, In, Ga) → p-типа (основные — дырки). В полупроводнике существуют дрейфовый и диффузионный токи.
8.2 p-n-переход [+] Диффузия основных носителей через границу создаёт область пространственного заряда (обеднённый слой) и потенциальный барьер (контактную разность потенциалов φк ≈ 0,6–0,7 В для Si).
p-n-переход (электронно-дырочный переход) образуется на границе двух областей полупроводника с разными типами проводимости: p-типа (основные носители — дырки, акцепторная примесь) и n-типа (основные носители — электроны, донорная примесь).
Обедненная область (запирающий слой): Возникает на стыке зон из-за взаимной диффузии электронов и дырок. Здесь рекомбинируют свободные носители, оставляя некомпенсированные ионы примесей.
Внутреннее электрическое поле (\(E_{0}\)): Создается неподвижными положительными ионами доноров в n-области и отрицательными ионами акцепторов в p-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей.
Контактная разность потенциалов (\(\varphi _{0}\)): Высота потенциального барьера, которая определяет электрическое равновесие перехода при отсутствии внешнего напряжения.
структура p-n-перехода
Прямое смещение (+ на p): барьер снижается, ток растёт экспоненциально.
Обратное смещение: барьер растёт, течёт малый ток неосновных носителей I₀ (тепловой ток).
8.3 Диод: ВАХ, ёмкости [+][Л] ВАХ идеального диода: I = I₀(e^{U/φT} − 1), φT = kT/q ≈ 26 мВ при 300 К.
ВАХ диода
Назначение: выпрямление, детектирование, ограничение, коммутация. Пробой: лавинный (ударная ионизация), туннельный (тонкий переход, сильное поле) — обратимы; тепловой — необратим.
Ёмкости [Л][+]:
барьерная Cбар — ёмкость запертого перехода (ОПЗ как диэлектрик), уменьшается с ростом Uобр, используется в варикапах;
диффузионная Cдиф — накопление неосновных носителей при прямом токе, растёт с током.
Модель диода [Л]: параллельно соединены резистор R (ток утечки), конденсатор C (барьерная и диффузионная ёмкости) и управляемый источник тока iy (статическая ВАХ).
модель диода из лекции
8.4 Диод Шоттки [Л] Выпрямляющий переход металл–полупроводник n-типа.
Малое прямое падение напряжения (≈0,3 В вместо 0,7 В), меньше потерь, выше КПД.
Нет инжекции неосновных носителей, нет рассасывания, поэтому высокое быстродействие (доли наносекунды, до десятков ГГц), малая ёмкость (≤0,01 пФ).
Мощные: токи десятки ампер, Uобр до 500 В.
Применение: ВЧ-выпрямители, импульсные источники питания, цифровые схемы.
8.5 Другие диоды [л]
Варикап: ёмкость запертого перехода управляется Uобр. Параметры: Cном, Kc = Cmax/Cmin (для КВ109А Kc = 5,5, C(25 В) = 2,8 пФ, C(3 В) ≈ 15,4 пФ). Применение: электронная настройка контуров.
Варикап (полупроводниковый диод с регулируемой емкостью) всегда включается в схему в обратном направлении (катод к положительному потенциалу, анод — к отрицательному). При изменении величины обратного напряжения меняется ширина p-n-перехода, что позволяет управлять емкостью варикапа.
Резистор \(R_{упр}\) (высокоомный): Предотвращает шунтирование высокочастотного контура источником управляющего напряжения постоянного тока.
Конденсатор \(C_{разв}\) (разделительный): Блокирует прохождение постоянного тока управления в остальные элементы схемы/контура, но свободно пропускает высокочастотный сигнал.
включение варикапа
Светодиод: излучает при прямом токе (инжекционная электролюминесценция), λ = 1,23/(W₂ − W₁) (в мкм при W в эВ). Материал GaAsP, не Si.
Фотодиод: обратный ток растёт с освещённостью (фототок), может работать как фотоЭДС (солнечные батареи).
Оптрон: светодиод + фотодиод, гальваническая развязка (до 500 В и выше).
оптрон
Туннельный диод: вырожденный полупроводник, на ВАХ участок отрицательного дифференциального сопротивления (AB). Параметры: Imax, Imin, U₁ (макс.), U₂ (мин.), U₃. Применение: генераторы СВЧ (условие самовозбуждения RΣ < |−Rд|), быстродействующие ключи. Частота до 10¹¹ Гц.
ВАХ туннельного диода
Лавинно-пролётный диод (ЛПД): работает в режиме лавинного пробоя, из-за времени пролёта носителей ток отстаёт по фазе, возникает отрицательное сопротивление для переменного тока, используется для генерации и усиления СВЧ.
8.6 Маркировка диодов [Л] Пример КС133Б: К (Si) — С (стабилитрон) — 1 (мощность ≤0,3 Вт, Uст < 10 В) — 33 (порядковый номер, здесь Uст = 3,3 В) — Б (группа по параметрам).
Материал: Г/1 Ge, К/2 Si, А/3 GaAs-соединения, И/4 In-соединения.
Подкласс: Д выпрямительные/импульсные, Ц столбы/блоки, В варикапы, И туннельные, А СВЧ, С стабилитроны, Г шумовые, Л излучающие, О оптопары.
Функциональные возможности (напр. для Д: 1 — Iпр ≤ 0,3 А, 2 — 0,3…10 А).
Номер разработки.
Буква — группа (разбраковка по параметрам).
8.7 Выпрямители [+] Однополупериодный:
однополупериодный выпрямитель
Ud = U₂m/π ≈ 0,45U₂, Uобр max = U₂m = √2·U₂, коэффициент пульсаций 1,57. Диод проводит только положительную полуволну.
Двухполупериодный мостовой:
мостовой выпрямитель
Ud = 2U₂m/π ≈ 0,9U₂, Uобр = U₂m, ток каждого диода Iд = Id/2, пульсации 0,67 (частота пульсаций 2f).
Двухполупериодный со средней точкой (два диода, вторичная обмотка с отводом): Ud ≈ 0,9U₂ (U₂ — половина обмотки), Uобр = 2U₂m. Сглаживающий C-фильтр: конденсатор параллельно Rн уменьшает пульсации. Чем больше C·Rн, тем сильнее сглаживание.
8.8 Стабилизаторы напряжения [Л] СН автоматически поддерживает напряжение на нагрузке при изменении напряжения сети, тока нагрузки и температуры.
Параметры:
Коэффициент стабилизации по входному напряжению: kU = (ΔUп/Uп)/(ΔUн/Uн).
По нагрузке: kI = (ΔIн/Iн)/(ΔUн/Uн); либо выходное сопротивление Rвых = ΔUн/ΔIн.
Коэффициент сглаживания пульсаций: k~ = (Uп~/Uп)/(Uн~/Uн).
Температурный коэффициент напряжения (ТКН): kT = ΔUн/ΔT, В/°C.
КПД η = Pн/Pпотр.
Классификация: последовательные (регулирующий элемент РЭ последовательно с нагрузкой) и параллельные (РЭ параллельно нагрузке, плюс балластный резистор); параметрические (нелинейные) и компенсационные.
последовательный и параллельный стабилизаторы
Параметрический стабилизатор:
параметрический стабилизатор на стабилитроне
Стабилитрон работает на участке пробоя с минимальным rдиф = ΔUст/ΔIст. При росте Uп растёт ток стабилитрона, падение на Rд увеличивается, Uн меняется очень мало. Формулы: kU ≈ (Rд/rдиф)·(Uп/Uн), Rвых ≈ rдиф. Типично kU до сотни, Rвых около десятка Ом. Недостатки: низкий КПД, малый Iн (не более (0,5…1)·Iст max). Термокомпенсация: последовательно со стабилитроном включают диод в прямом направлении (ТКН диода отрицательный, стабилитрона положительный) или применяют двуханодные (униполярные) стабилитроны.
Стабилизатор с усилителем тока: добавление транзистора увеличивает допустимый ток нагрузки примерно в h₂₁Э раз. Последовательная схема с эмиттерным повторителем:
последовательный стабилизатор с транзистором
Компенсационный стабилизатор (система с отрицательной обратной связью, структура: источник → регулирующий элемент → нагрузка; выходное напряжение сравнивается с опорным; разность усиливается УПТ и управляет РЭ):
компенсационный стабилизатор
8.9 Биполярный транзистор [Л] Биполярный транзистор состоит из трёх областей полупроводника (эмиттер, база, коллектор) и двух p-n-переходов. Коэффициент передачи тока эмиттера α = Ik / Iэ ≈ 0,95…0,98. Коэффициент передачи тока базы β = Ik / Iб = α / (1 − α) обычно 20…200.
Схемы включения:
с общим эмиттером (ОЭ) — наиболее распространённая (усиление по току и напряжению);
с общей базой (ОБ);
с общим коллектором (ОК, эмиттерный повторитель).
Режимы работы:
активный (усиление);
насыщение (ключ замкнут);
отсечка (ключ разомкнут);
инверсный.
Классы усилителей: A, B, AB, D. В ключевом режиме транзистор работает в насыщении и отсечке.
Биполярный транзистор — это трёхэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, предназначенный для усиления, генерирования и коммутации электрических сигналов.
структура n-p-n и p-n-p транзистора
схема
включения с общим эмиттером
выходные
и входные характеристики транзистора
8.10 Полевые транзисторы [+] Полевые транзисторы управляются электрическим полем (напряжением затвора), ток основных носителей.
Виды:
с управляющим p-n-переходом (JFET);
с изолированным затвором (МОП, MOSFET) — со встроенным и индуцированным каналом.
Основные параметры: крутизна S = dId / dUзи, напряжение отсечки, ток стока насыщения.
Преимущества:
высокое входное сопротивление, малый
уровень шумов, хорошая температурная
стабильность.
Полевой транзистор (FET — Field Effect Transistor) — это полупроводниковый прибор, в котором выходным током управляют с помощью электрического поля (напряжения), а не тока, как в биполярном транзисторе.
условные обозначения полевых транзисторов
выходные
характеристики полевого транзистора
8.11 Операционный усилитель [+] Операционный усилитель (ОУ) — усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и очень большим коэффициентом усиления.
Идеальный ОУ:
коэффициент усиления Ku → ∞;
входное сопротивление Rвх → ∞;
выходное сопротивление Rвых → 0;
полоса пропускания → ∞;
напряжение смещения и токи смещения = 0.
Реальный ОУ имеет конечные значения этих параметров. Основные схемы на ОУ: инвертирующий и неинвертирующий усилители, сумматор, интегратор, дифференциатор, компаратор.
Операционный усилитель (ОУ) представляет собой высокоточный дифференциальный усилитель постоянного тока с очень большим коэффициентом усиления. На схемах он имеет как минимум 5 основных выводов:
Неинвертирующий вход (+): Сигнал, поданный сюда, совпадает по фазе с выходным. В ГОСТ обозначается знаком + или без знака (если инвертирующий помечен кружком).
Инвертирующий вход (-): Сигнал, поданный на этот вход, инвертируется на выходе по фазе на 180°. В ГОСТ обозначается знаком - или кружком инверсии на линии входа.
Выход (OUT): Основной выход усиленного сигнала.
Выводы питания (\(+V_{CC}\) и \(-V_{EE}\)): Двуполярное или однополярное питание (на упрощенных функциональных схемах выводы питания часто опускают).
условное обозначение ОУ