Лекции

движением носителей, преодолевающих уменьшенный прямым смещением потенциальный барьер (см. рис. 1.26, з).

Продолжение увеличения прямого смещения Ua приводит к возрастанию прямого тока через туннельный диод, как в обычных диодах, за счет уменьшения высоты потенциального барьера. Туннельный ток при этом отсутствует (см. рис. 1.26, е).

Если приложить напряжение в обратном направлении (т.е. Ub 0), то энергетические уровни слоя р повысятся относительно энергетических уровней слоя n. Уровень Ферми слоя р будет выше УФ слоя n, и часть валентных электронов слоя р будет находиться против свободных уровней зоны проводимости слоя n. При этом возникают условия для туннельного прохождения валентных электронов слоя р в зону проводимости слоя n. В результате этого появляется туннельный ток обратного направления, сильно зависящий от перекрытия зон, т.е. от обратного смещения (рис. 1.26, ж).

Все изложенное иллюстрируется вольт-амперной характеристикой, показанной на рис. 1.26, з. Рабочим участком вольтамперной характеристики является участок в-д, на котором диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Благодаря этому участку туннельный диод может быть использован для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в переключающих схемах.

Туннельные диоды изготавливаются, как правило, из арсенида галлия и из германия. Характеризуются туннельные диоды рядом специфических параметров. Пиковый ток IП – прямой ток в точке максимума вольт-амперной характеристики, величина его составляет от долей до сотен миллиампер. Ток впадины Iв – прямой ток в точке минимума вольт-амперной характеристики. Отношение пикового тока к току впадины для германиевых диодов составляет 3–6, а для диодов из арсенида галлия – 7–10. Напряжение пика UП – прямое напряжение, соответствующее пиковому току, для диодов германиевых оно равно 40 60 мВ, а из арсенида галлия – 100 150 мВ. Напряжение впадины Uв – прямое напряжение, соответствующее току впадины, для германиевых диодов оно составляет250 350 мВ, а для диодов из арсенида галлия – 400 500 мВ.

Напряжение раствора Uрр – прямое напряжение, большее напря-

жения впадины Uв, при котором ток равен пиковому.

Применяются обращенные диоды в радиотехнических устройствах СВЧ-диапазона, в вычислительной технике. Отличаются малым уровнем шумов и относительно малой чувствительностью к проникающей радиации из-за высокой концентрации примесей в прилегающих к р-n-переходу областях.

1.5.12. Варикапы

Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется зависимость емкости от обратного напряжения и которые применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью. Принцип действия варикапов основан на зависимости зарядной (барьерной) емкости р-n-перехода от величины приложенного к нему обратного напряжения (рис. 1.28).

Рис. 1.28

Варикапы широко применяются в схемах АПЧ, амплитудной и частотной модуляции, параметрических усилителях и т.д. Емкость варикапов меняется от единиц пикофарад до сотен и даже тысяч пикофарад. Характеризуются они следующими основными параметрами. Емкость варикапа Cв– емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Коэффициент перекрытия по емкости KC – отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (обычно значение KC составляет несколько единиц). Добротность варикапа QВ – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения (значение от нескольких десятков до нескольких сотен). Как и для других диодов, для варикапов важными являются такие параметры, как максимальное до-

Старение сплавов приводит к ухудшению р-n-переходов и невыпрямляющих контактов.

1.6.БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

1.6.1.Общая характеристика биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех слоев примесного полупроводника с чередующимися типами электропроводности и двумя р-n-перехо- дами, предназначенный для целей усиления и генерирования электрических сигналов.

Изготавливаются они из кристалла примесного полупроводника, который путем введения в него акцепторной и донорной примесей превращается в трехслойную структуру с чередующимися проводимостями типа р-n-р или n-р-n. В структуре р-n-р-типа исходный монокристалл имеет n-проводимость, в два его наружных слоя с помощью той или иной технологии вводятся атомы акцепторной примеси. Причем концентрация этой акцепторной примеси в наружных слоях превышает на два-три порядка концентрацию исходной донорной примеси. В триодах n-р-n-типа картина обратная, т.е. исходный монокристалл обладает р-проводимостью, а в наружные слои вводится донорная примесь, определяющая их n-проводимость.

Один из наружных слоев, обладающий наибольшей концентрацией примеси, называется эмиттером, он инжектирует заряды, являющиеся основными носителями тока. Другой наружный слой называется коллектором, он принимает заряды, инжектированные эмиттером. Промежуточный слой с наименьшей концентрацией примеси называется базой, он выполняет функции управления потоком зарядов, т.е. электрическим током через транзистор. В триоде типа р-n-р ток в базе создается в основном дырками, инжектированными эмиттером, а в триоде n-р-n-типа – электронами.

Закономерности, определяющие движение дырок в триодах р-n-р-типа и электронов в триодах n-р-n-типа, в основном одинаковы, за исключением противоположных полярностей напряжения на

1.6.3. Процессы, происходящие в транзисторе при наличии внешних источников напряжения

Рассмотрим ситуацию, которая сложится, если сообщим эмиттеру с помощью источника UЭ положительный потенциал, а коллектору с помощью источника UK – отрицательный потенциал по отношению к базе. Высота каждого из потенциальных барьеров в этом случае изменяется (рис. 1.30) и становится равной соответственно Э 0 UЭ и K 0 UK . В эмиттерном переходе вслед-

ствие уменьшения тормозящего действия диффузионного поля увеличиваются диффузионные составляющие потоков основных носителей: дырок из эмиттера в базу – дырочный ток Iэp и электронов

из базы в эмиттер – электронный ток Iэn . Эти две составляющие определяют ток эмиттерного перехода (эмиттерный ток):

Концентрация электронов в базе на 2–3 порядка ниже, чем концентрация дырок в эмиттере, поэтому Iэn Iэp и составляет от

него лишь доли процента. Весьма важным показателем эмиттерного перехода является коэффициент инжекции (эффективность эмиттера), показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока составляет его дырочная составляющая:

Iэ

Всовременных транзисторах =(0,977 0,995), достигается этот эффект повышением концентрации примеси в эмиттере по сравнению с базой.

Вбазе дырки продолжают диффундировать к коллектору за счет градиента концентраций дырок по ширине базы. Действительно, при переходе от эмиттера к базе граничная концентрация дырок в базе оп-

ределяется известным выражением pn Э pn eUЭ T , где UЭ 0 и pn Э pn ( T весьма мало). При движении со стороны коллектора граничная концентрация дырок в базе определяется анало-

69

Чтобы увеличить Iкp при Iэp const, стремятся уменьшить

Iбp . Для определения части дырок, прошедших из эмиттера в кол-

лектор, вводят коэффициент переноса дырок в базе , который равен отношению дырочной составляющей коллекторного тока Iкp к

дырочной составляющей эмиттерного тока Iэp:

Iэp

В реальных приборах 0,96 0,996 , что достигается соз-

данием возможно, тонкой базы и увеличением скорости прохождения ее дырками.

Отношение же дырочной составляющей коллекторного тока Iкp к полному току эмиттера с учетом выражений (1.29) и (1.31)

определяется коэффициентом передачи по току:

Полный коллекторный ток IК , помимо Iкp, имеет еще не-

управляемую составляющую, обусловленную протеканием обратного тока коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении источником UК . Создается этот ток дрейфом неосновных носителей базы и коллектора. Так как концентрации неосновных носителей зависят от температуры, величина обратного тока тоже зависит от нее (зависимость от обратного напряжения очень невелика, т.к. этот ток быстро достигает значения тока насыщения). Поэтому этот ток получил название «теплового» тока и обозначается обычно IK 0 . Большую роль в формировании IK0 играют неосновные носители базы, т.к. их концентрация выше концентрации неосновных носителей коллектора (см. рис.1.31). В результате полный ток коллектора определяется выражением

На рисунке 1.32 приведена диаграмма составляющих токов в транзисторе. Уже по ранее известному выражению ток эмиттера

т.к. IБ IЭ IК IЭ 0 IЭ IK0 1 0 IЭ IK0.

1.6.4.Схемы включения транзисторов

Взависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК), как это показано на рисунке 1.33.