Часть 3

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

ОГЛАВЛЕНИЕ ТРЕТЬЕЙ ЧАСТИ

7.1. Общие сведения о полупроводниках 26

7.2. Вольт - амперная характеристика p-n-перехода 31

7.3. Классификация и основные параметры полупроводниковых диодов 37

7.4. Диодные ограничители 47

7.5. Выпрямители на диодах 63

7.6. Стабилизаторы напряжения на диодах 74

ГЛАВА 8 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 85

8.1. Классификация и принцип действия биполярных транзисторов 85

8.2. Эквивалентные представления биполярных транзисторов для статического режима 91

8.3. Эквивалентные представления биполярных транзисторов для режима малого переменного сигнала 98

8.4. Частотные свойства биполярных транзисторов 109

8.5. Статические характеристики, номинальные и предельные параметры биполярных транзисторов при различных схемах включения 112

8.6. Составной биполярный транзистор 125

ГЛАВА 9 ТИРИСТОРЫ 132

9.1. Классификация тиристоров 132

9.2. Диодные тиристоры 135

9.3. Триодные тиристоры 145

ГЛАВА 10 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 148

10.1. Классификация и основные особенности полевых транзисторов 148

10.2. Характеристики и параметры полевых транзисторов с управляющим pn-переходом 154

10.3. Характеристики и параметры МДП-транзисторов 167

10.4. Типовые схемы включения полевых транзисторов и их параметры 175

10.5. Сравнение полевых и биполярных транзисторов 181

ГЛАВА 11 ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 184

11.1. Классификация оптоэлектронных приборов 184

11.2. Полупроводниковые излучатели 188

11.3. Полупроводниковые приемники излучения 204

11.3.1. Фоторезисторы 205

11.3.2. Фотодиоды 208

11.3.3. Фототранзисторы 218

11.3.4. Фототиристоры 220

11.4. Оптроны 221

ГЛАВА 7 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

7.1. Общие сведения о полупроводниках

Электроника – отрасль науки и техники, изучающая:

- физические явления и процессы в полупроводниковых приборах;

- электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов;

- свойства устройств и систем, основанных на применении полупроводниковых приборов.

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Удельная электропроводность проводников 10⁴ . . . 10³ См/м, полупроводников – 10². . . 10^-8 См/м, диэлектриков - < 10^-8См/м. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – Ge (германий) и Si (кремний).

Чистые полупроводники имеют монокристаллическую структуру и кристаллическую решетку алмазного типа: каждый атом окружен четырьмя атомами, находящимися в вершинах правильного тетраэдра (рис. 7.1а).

а	б	в
Рис. 7.1

Атомы удерживаются в узлах решетки за счет валентных электронов. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Такая связь между атомами называется ковалентной. Каждый атом указанных выше веществ на наружной оболочке имеет четыре валентных электрона. Поэтому каждый атом образует четыре ковалентных связи с четырьмя ближайшими от него атомами. В результате внешняя орбита каждого из атомов имеет восемь электронов и становится полностью заполненной. Кристаллическая решетка, в которой каждый электрон внешней орбиты связан ковалентными связями с остальными атомами вещества, является идеальной. В таком кристалле все валентные электроны прочно связаны между собой и свободных электронов, которые могли бы участвовать в переносе зарядов, нет. Такую кристаллическую решетку имеют все химически чистые беспримесные полупроводники при температуре абсолютного нуля. В этих условиях полупроводники обладают свойствами идеальных изоляторов.

Для снижения высокого удельного сопротивления чистых полупроводников в них вводят примеси. Такой процесс называется легированием, а получающиеся полупроводниковые материалы – легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодической системы элементов Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна из связей оказывается только с одним электроном (рис. 7.1б). Такие полупроводники обладают дырочной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место, не занятое электроном. Дырке присваивается положительный заряд. Такие полупроводники чаще называют полупроводниками p-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним (рис. 7.1в). Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются электроны. Они называются полупроводниками n-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называется донорной.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную (p-типа), а другой – электронную (n-типа) электропроводность. Эта область называется электронно-дырочным или чаще p-n-переходом.

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.

Электронно-дырочные переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов. В диодах и полевых транзисторах используется по одному p-n-переходу, в биполярных транзисторах – два p-n-перехода, в тиристорах – три p-n-перехода. Поэтому очень важным является понимание физических явлений и электрических свойств p-n-перехода.

Предположим, что p-n-переход образован электрическим контактом полу проводников p- и n-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 7.2а).

На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок. Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, возникает диффузионный ток электронов из n-области в p-область. Из-за того, что концентрация дырок в p-области выше, чем в n-области, возникает диффузионный ток дырок из p-области в n-область. В результате диффузии основных носителей заряда в граничном слое происходит рекомбинация, т.е. воссоединение электронов и дырок.

Рис. 7.2

Приграничная p-область приобретает некомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами. Приграничная n-область приобретает некомпенсированный положительный заряд, обусловленный положительными ионами.

Распределение концентрации дырок p(x) и электронов n(x) показано на рис. 7.2б. В граничном слое образуется электрическое поле Е_внутр, направленное из n-области в p-область. Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Любой электрон, проходящий из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в n-область. Аналогично относительно дырок.

Электрическое поле Е_внутр является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Если электроны p-области вследствие, например, хаотического теплового движения попадут в зону p-n-перехода, то внутренне поле обеспечит их быстрый переход через приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n-переход дырки из n-области. Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n-перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток направлен встречно диффузионному току основных носителей заряда.

Если к полупроводнику не прикладывается внешнее напряжение, то результирующий ток через p-n-переход отсутствует:

.

Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов (рис. 7.2в). Эта разность потенциалов препятствует перемещению основных носителей заряда, т.е. создает потенциальный барьер. Для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер электрон должен обладать энергией, где- заряд электрона. Толщина слоя, в котором действует внутреннее электрическое поле, мала и определяет толщинуp-n-перехода (м). Однако сопротивление этого слоя велико, поскольку он обеднен основными носителями заряда. Поэтому его часто называют запирающим. При одинаковых концентрациях носителей зарядов вp-области и n-области полупроводника толщина p-n-перехода образуется из двух равных частей и(рис. 7.2а).

В общем случае справедливо соотношение

, (7.1)

где - концентрация акцепторов,- концентрация доноров.

Контактная разность потенциалов и толщина p-n-перехода зависят от концентрации доноров и акцепторов:

; (7.2)

, (7.3)

где - постоянная Больцмана,- абсолютная температура (К^о), - концентрация свободных электронов,- диэлектрическая проницаемость.

Очевидно, что увеличение концентрации доноров и акцепторов приводит к увеличению контактной разности потенциалов и уменьшению толщины p-n-перехода.