Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Электроника Ч2

.pdf
Скачиваний:
54
Добавлен:
22.03.2015
Размер:
2.56 Mб
Скачать

21

По конструкции p-n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры p-n перехода, определяяющие его площадь, значительно больше, а у точечных меньше длины свободного пробега носителей заряда. Плоскостные диоды используются для выпрямления больших токов, а точечные – малых. Для увеличения напряжения лавинного пробоя применяют выпрямительные столбы, представляющие ряд последовательно включенных диодов.

По технологии изготовления p –n перехода диоды разделяют на сплав-

ные, диффузионные и эпитаксиальные. Сплавные диоды применяют на низ-

ких частотах (до 5 кГц), диффузионные – на частотах до 100 кГц, эпитаксиальные – до нескольких МГц.

Особую группу образуют диоды с переходом металл-полупроводник. В месте контакта металла с полупроводником возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника, который называют запорным. При обратной полярности внешнего напряжения обедненный слой расширяется, его сопротивление увеличивается, а ток через переход уменьшается. Следовательно, такой контакт металла с полупроводником обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют переходами с

барьером Шотки.

22

Важнейшей особенностью диодов с барьером Шотки является отсутствие инжекции собственных носителей. Это значит, что у них отсутствует диффузионная емкость, обусловленная накоплением и рассасыванием собственных носителей. Как следствие, существенно повышается быстродействие перехода при его переключениях с одного направления на другое. По-

этому рабочие частоты диодов с барьером Шотки лежат в пределах 3 15 ГГц.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

18.1.Объясните движение носителей заряда с позиций квантовой механики. В чем заключается суть принципа Паули?

18.2.В чем принципиальное отличие между проводником и диэлектриком с точки зрения квантовой механики?

18.3.Почему вещества четвертой группы таблицы Менделеева называют полупроводниками?

18.4.Назовите отличительные признаки полупроводников и металлов.

18.5.Раскройте суть содержания терминов: генерация, регенерация, время жизни носителей заряда.

18.6.Чем отличаются полупроводники p и n типа?

18.7.Определите, во сколько раз концентрация примесных носителей заряда nn больше концентрации собственных носителей n, если в полупроводник с плотностью атомов n0 = 1022 см-3 и шириной запрещенной зоны ! = 1,0 эВ введена примесь с параметрами С = 1015 см-3, !′ = 0,16 эВ, а температура полупроводника Т = 275º К.

18.8.В сплавном германиевом p – n переходе плотность атомов германия n0 = 4,4·1022 см-3, концентрация акцепторной примеси pp составляет одну стотысячную долю процента, а концентрация донорной примеси nn в 1000 раз больше. Определите величину потенциального барьера 0 при температуре Т = 300ºК, если плотность ионизированных атомов ni = 2,5·1013 см-3.

23

18.9.По условию задачи 18.8 определите величину потенциального барьера 2, диффузионный и прямой ток, если p – n переход находится под прямым напряжением Uпр

=0,15 В, а обратный ток I0 = 1 мкА.

18.10.Вычислите прямое напряжение на p – n переходе, если прямой ток перехода I = 1 мА, обратный I0 = 1 мкА, а температура Т = 300ºК.

18.11.Почему диоды с барьером Шотки имеют высокие допустимые частоты?

ЛЕКЦИЯ 19. ТРАНЗИСТОРЫ.

1.КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы - это полупроводниковые электронные приборы, пред-

назначенные для усиления и преобразования электрических сигналов. Боль-

шое разнообразие транзисторов разделяют по ряду признаков. Чаще других применяют деление по принципу работы, по технологии изготовления, по мощности и по частоте.

По принципу работы все транзисторы разделяются на биполярные, уни-

полярные (полевые), IGBT – транзисторы. В работе биполярных транзисто-

ров используются носители обоих знаков. Именно этот факт послужил основой для их названия. Другой особенностью биполярных транзисторов является способ управления током. Ток транзистора управляется током базы.

Ток униполярных (полевых) транзисторов обусловлен одним типом зарядов – только электронов или только дырок. Величина тока определяется значением поля p –n перехода, включенного в обратном направлении.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором, или IGBT – транзисторы, представляют собой структурную комбинацию биполярных и полевых транзисторов. Они обладают лучшими свойствами своих составных частей.

24

2.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Структурная схема биполярного транзистора приведена на рис. 19.1. Переходы делят монокристалл полупроводника на три области, причем, средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним. Среднюю область называют базой, одну из крайних областей – эмит- тером, а другую – коллектором. В зависимости от типа электропроводимости крайних областей существуют транзисторы р-п-р или п-р-п структуры. На рис. 19.2, а приведено схемное обозначение транзистора р-п-р, а на рис. 19.2, б - транзистора п-р-п типа. В качестве исходного материала транзисторов чаще других используют германий или кремний.

При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1)толщина базы (расстояние между p -n переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2)концентрация примеси в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимов:

в активном режиме - когда на переходе эмиттер – база напряжение прямое, а на переходе база – коллектор – обратное;

25

в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Схема включения транзистора в активный режим работы приведена на рис. 19.3. Элементы Еб, Rб и p-n переход база – эмиттер образуют входную, а элементы Ек, Rк и переход база – коллектор – выходную цепь транзистора. При таком включении эмиттер является общей точкой входной и выходной цепей, а схему рис. 19.3 называют схемой с общим эмиттером. ЭДС Еб является управляющей, а Ек – источником питания.

Внешние источники включают так, чтобы напряжение на переходе база – эмиттер было прямое (плюс источника Еδ подан на базу, минус на эмиттер), а на переходе коллектор – база обратное (плюс источника ЕК подан на коллектор, минус – на эмиттер). Обычно ЕК>> Еδ , поэтому

U Кδ

= U КЭ UδЭ U КЭ .

(19.1)

Rб

Uбэ

I

б

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

Еб

n

p

n

 

 

-

Iк

 

 

-

 

 

 

 

 

 

Uкэ

 

 

 

 

 

Rк

 

 

 

 

-

+

 

 

 

 

Ек

Рис. 19.3. Схема включения

 

транзистора в активный режим работы

Под воздействием прямого напряжения Uбэ начинается усиленная диффузия электронов из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера Iэ. Так как база транзистора выполняется тонкой, основная часть электронов достигает закрытого перехода коллектор – база, не попадая в центры рекомбинации.

26

Эти электроны захватываются ускоряющим полем закрытого перехода с по-

тенциалом ϕ = ϕ 0 + U кб и втягиваются в область коллектора.

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Ек, образуя ток коллектора Iк. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток

коллектора на величину α, т.е.

Iк = α Iэ,

(19.2)

где α = 0,9 ÷ 0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Еб в базу поступают дырки. Поэтому ток ба-

зы представляет собой ток рекомбинации:

I рек = Iб = Iэ Iк = (1 − α )Iэ .

(19.3)

Ток коллектора, определяемый выражением (19.2), зависит от напряжения Uбэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток Iкбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. Поэтому

I к = αI э + I кбо ,

а Iб = (1 − α )I э I кбо .

Выразим ток эмиттера из последнего выражения:

I

э

=

Iб + Iкбо

.

 

 

1 − α

 

 

 

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, приходим к выражению

Iк

=

 

α

Iб +

α

I

 

+ Iкбо

= β Iб + (β + 1)Iкбо = β Iб + Iкэо , (19.4)

 

 

 

кбо

1 − α

1 − α

 

 

 

 

 

 

 

где β - коэффициент передачи тока базы >> 1, Iкэо обратный ток транзистора.

27

Так как Iкэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство:

Iк β Iб .

(19.5)

Выражение (19.5) показывает, что если ток базы изменить на величину

Iб, то ток коллектора изменится на величину β· Iб, т.е. в β раз большую. В

этом и заключается суть усиления.

Косновным параметрам биполярных транзисторов относятся средние

имаксимально допустимые значения токов коллектора и базы, максималь-

ные значения напряжений Uкэ, Uбэ, Uкб, коэффициент передачи тока базы β,

максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 19.4, а и 19.4, б соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависи-

мость тока коллектора от напряжения Uкэ, т.е. Iк = ϕ(Uкэ), снятая при постоянном токе базы Iб = const.

На выходной характеристике можно выделить три характерных участка.

Первый участок лежит в области малых значений Uкэ Uбэ . При таком на-

пряжении переход коллектор - база оказывается открытым. Транзистор работает в режиме насыщения. Ток коллектора резко изменяется с изменением на-

28

пряжения Uкэ . Напряжение, отсекающее крутой участок, лежит в пределах

Uкэн = (0,2 – 1) В. Первый участок используется в импульсной технике, при реализации ключевого режима транзистора.

Большую часть характеристики занимает II, пологий участок. На этом участке ток коллектора почти не зависит от напряжения Uкэ . Его значение практически полностью определяется током базы. Транзистор работает в активном режиме, обеспечивая усиление сигнала. Небольшой наклон пологого участка обусловлен тем, что с ростом Uкэ увеличивается потенциаль-

ный барьер закрытого р-n перехода коллектор - база, расширяется его запирающий слой за счет толщины базы. В более тонкой базе меньше вероят-

ность рекомбинации, поэтому значение β, а значит, и Iк увеличивается.

Резкое увеличение тока Iк на участке III характеристики вызывается явлением электрического пробоя.

При воздействии на участок база – эмиттер малых сигналов, к транзистору, как к нелинейному сопротивлению, можно применить метод анализа с помощью линейных схем замещения (рис. 19.5). Примером малого сигнала может быть напряжение

 

U (t) = U0 + U (t) ,

где U0 напряжение смещения,

U (t ) = U M sin ω t , причем UM << U0,

 

 

h21 Iб

Uбэ

= h12 Uкэ

 

29

В этом случае участок база-эмиттер заменяется (как неуправляемое нелинейное сопротивление) последовательно соединенными ЭДС - Uбэ и сопротивлением h11, а участок коллектор-эмиттер – источником тока. Часть схемы, обведенная пунктиром, представляет собой четырехполюсник, для которого справедлива система уравнений:

 

U

 

= h

i

+ h

U

КЭ ,

 

 

 

бэ

11

б

12

 

(19.6)

 

iK

= h21

iб + h22

U КЭ

 

где h11, h22, h12, h21 – h – параметры.

Значения h – параметров приводятся в справочниках по транзисторам и определяются экспериментально в режимах холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на её выходе, причем, в режиме холостого хода определяют

h12

=

U бэ

 

 

– коэффициент обратной передачи по напряжению;

U кэ

 

 

 

 

h22

=

 

 

iK

 

– выходную проводимость транзистора;

Uкэ

 

 

 

 

 

 

 

а в режиме К3 определяют

h11

=

Uбэ

 

– входное сопротивление транзистора Rбэ ;

 

 

 

iб

 

 

 

 

 

 

 

 

h21

=

iK

 

– коэффициент передачи тока базы β .

 

 

 

 

 

 

iб

 

 

На практике h - параметры используются для расчета усилительных каскадов при воздействии малых сигналов.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется за-

висимость тока базы Iб от напряжения Uбэ при постоянном напряжении

U кэ . При Uкэ = 0 оба перехода в транзисторе работают под прямым напря-

жением. Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная харак-

30

теристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При Uкэ > Uкэн коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (19.3). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного p-n перехода эмиттер – база.

В заключение необходимо отметить, что токи транзистора сильно зависят от температуры окружающей среды. Это общий недостаток полупроводниковых приборов. Причина этого недостатка в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация собственных носителей заряда (пары электрон-дырка). Поэтому ток Iкбо удваивается с увеличением температуры на каждые 8 ÷ 100С. Кроме того, с увеличением температуры центры рекомбинации (дефекты кристаллической решетки) постепенно заполняются и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, а значит, коэффициент передачи тока базы β увеличивается. Таким образом, при нагреве на 20 ÷ 300

С ток Iк = β Iб может измениться на десятки процентов.

Каждый из двух p-n переходов транзистора обладает емкостью: СЭ - емкость p-n перехода база-эмиттер; СК - емкость p-n перехода базаколлектор. Реактивное сопротивление емкости приводит к частотной зависимости комплексных сопротивлений p-n переходов и, как следствие, к частотной зависимости коэффициента передачи тока базы β. График зависимости коэффициента передачи β от частоты приведен на рис. 19.6.

Аналитическое выражение этой зависимости имеет следующий вид:

β (ω ) = h21 (ω ) =

β

0

 

,

1 + j

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

ωβ

 

 

 

 

 

 

 

где β0 = β – коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, ωβ – пре-