uch_posobie_2014_ver_11

Движение электрических зарядов через p–n-переход при отсутствии внешнего электрического поля носит характер диффузии электронов и дырок навстречу друг другу и их рекомбинацию: электроны проникают в p- область и заполняют дырки, дырки диффундируют в n-область и компенсируют электроны. Приграничная зона лишается значительной части подвижных зарядов и потому называется обедненной. Удельное сопротивление полупроводника в пределах обедненной зоны из-за уменьшения концентрации подвижных зарядов больше, чем в объемах полупроводников, удаленных от перехода. Поэтому обедненную зону представляют, как сопротивление и одновременно как емкость, включенные параллельно. Применительно к емкости обедненный зарядами слой считается «диэлектрической прокладкой», а удаленные от перехода участки полупроводника с большой концентрацией подвижных зарядов –

«металлическими обкладками». Если допустить, что границы обедненной зоны – резкие, то можно ввести параметр «ширина обедненной зоны» d: чем шире зона, т. е. чем больше значение d, тем больше сопротивление и меньше емкость p–n- перехода.

С обеих сторон границы областей с разными примесями образуются противоположные по знаку пространственные заряды (рис. 2.1, б). Распределение потенциалов демонстрирует рис. 2.1, в. Пространственные заряды создают электрическое поле напряженностью Е, которое противодействует дальнейшей взаимной

диффузии электронов и дырок. Это поле называют диффузионным (Едиф), так как причиной его возникновения является взаимная диффузия электронов и дырок, или барьерным. Второе название связано с тем, что на участке между пространствен-

11

ными зарядами формируется разность потенциалов ∆ = Едиф d (потенциальный барьер), что поясняет рис. 2.1, г. Емкость обедненной зоны также часто называют барьерной (Сбар), а сопротивление этого участка полупроводника – сопротивлени-

ем p–n-перехода (Rпер).

Если к переходу приложить внешнее напряжение (или, что то же самое – внешнее электрическое поле) напряженностью Евнеш, то результат будет зависеть прежде всего от того, будут ли внутреннее диффузионное и внешнее поля сонаправлены или противоположны по направлению, а также от значения Евнеш. Если «плюс» внешнего поля приложить к p-области полупроводника, а «минус» – к n-области, то это стимулирует движение электронов и дырок через переход, диффузионное поле будет в значительной степени ослаблено внешним, потенциальный барьер понизится. Обедненная зона сузится, ее сопротивление станет малым. Барьерную емкость, значение которой увеличится, можно не учитывать, так как малое Rпер ее зашунтирует. Такое включение электронно-дырочного перехода называется прямым, а переход – открытым (отпертым).

При противоположном включении внешнего электрического поля электроны и дырки «отойдут» от границы в глубь своих областей, ширина обедненной зоны расширится, сопротивление перехода увеличится. Включе-

ние электронно-дырочного перехода, при котором Евнеш складывается с Едиф, называется обратным, а переход – закрытым (запертым).

Полностью закрыть p–n-переход (т. е. добиться полного прекращения электрического тока через него) нельзя из-за того, что для тока неосновных носителей полярность внешнего электрического поля, препятствующая движению основных носителей заряда, наоборот, является стимулирующей. Принципиальная невозможность запереть электронно-дырочный переход является главным недостатком полупроводниковых элементов.

2.3. Полупроводниковый диод

Диод – электронный элемент с двумя электродами. Полупроводниковые диоды являются первыми элементами электроники с использованием полупроводников, первые образцы подобных диодов появились на рубеже 20-х и 30-х годов прошлого столетия.

Внутренняя структура полупроводникового диода представляет собой электронно-дырочный переход. Области полупроводника подключены к

12

электродам, один из которых носит название «анод», а другой – «катод». В электрических схемах анод обозначают треугольником, а катод – черточкой, перпендикулярной к подводящим проводам (рис. 2.2). В электронике полупроводниковые диоды применяются чаще всего как элементы с односторонней проводимостью. Реже используют нелинейную зависимость их сопротивления от приложенного между анодом и катодом напряжения.

Особые случаи представляют собой стабилитроны и варикапы – с точки зрения физических процессов эти элементы

относятся к диодам (и даже в справочной литературе размещаются вместе с остальными диодами). С другой стороны, стабилитроны и варикапы в схемах обозначают иначе, нежели собственно диоды.

На рис. 2.3, а приведена вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода – зависимость протекающего через диод тока от приложенного напряжения.

При приложении к аноду положительного напряжения UАК относительно катода электронно-дырочный переход внутри диода включен в прямом направлении, и через него течет ток основных носителей IА. В этом случае о диоде говорят, что он открыт.

Соотношение тока и напряжения для открытого диода описывает формула IА = k(UАК)3/2. Значение коэффициента k позволяет учитывать особенности диодов различных типов и марок. Иногда зависимость тока от напряжения аппроксимируют логарифмической формулой (см. 6.8, 6.9). При применении обеих аппроксимаций очевидно, что сопротивление открытого диода RД = ∆UАК/∆IА непостоянно. График зависимости RД от приложенного к диоду напряжения при-

13

веден на рис. 2.3, б.

При приложении к аноду отрицательного напряжения по отношению к катоду электронно-дырочный переход внутри диода закрывается, а включение диода называют обратным. Через полупроводниковый диод течет ток не-

основных носителей («обратный» ток – Iо). Сопротивление диода значительно, но не бесконечно из-за наличия этого тока. При очень больших запирающих напряжениях Uпр возможен пробой диода – электроны форсируют элек- тронно-дырочный переход, сильно разгоняясь при получении энергии от электрического поля, приобретают большую кинетическую энергию. Если эта энергия оказывается достаточной, чтобы при столкновении электрона с атомами кристаллической решетки полупроводника выбить с орбит дополнительные электроны, то возникает лавина свободных электронов и ток через переход резко увеличивается. В обычном диоде увеличение тока ведет к разогреву полупроводникового материала, его оплавлению – диод гибнет.

Однако существуют диоды, для которых пробой – рабочее состояние. Такие диоды называют стабилитронами. Стабилитрон включают в схему так, чтобы он практически никогда не был открыт. На рис. 2.4 изображена схема защиты от перенапряжения на основе стабилитрона. Защищаемый объект

обозначен как «нагрузка» (Rн). Стабилитрон VD включен параллельно ему, а последовательно с нагрузкой и стабилитроном включено «гасящее» сопро-

тивление (Rг).

Схема обеспечивает непревышение на нагрузке напряжения

пробоя стабилитрона (Uпр). Если

входное напряжение (Uвх) меньше этого значения, то стабилитрон закрыт, пробоя нет, через него течет маленький ток и на гасящем сопротивлении почти не падает напряжение. Это значит, что напряжение на

нагрузке равно входному. При Uвх > Uпр в стабилитроне возникает обратимый пробой, напряжение на нем, а значит и на нагрузке, становиться равным

14

Uпр, мощный ток пробоя (Iпр) создает на гасящем сопротивлении падение

напряжения, равное ∆Uг = RгIпр = Uвх − Uпр.

Третий вид полупроводниковых диодов – варикапы. Название элемента восходит к латинскому «вариативный» – изменчивый и к немецкому названию емкости Die Kapazität. «Прозрачный намек» на функцию элемента содержится и в его условном обозначении в схемах – гибриде диода и конденсатора.

Варикап – это переменная емкость, значение которой управляется приложенным к элементу напряжением. Варикап, как диод и стабилитрон, содержит в своем составе электронно-дырочный переход, при этом изменяющаяся емкость элемента есть не что иное, как барьерная емкость этого перехода. Разумеется, сопротивление перехода при этом должно быть значительным, дабы не шунтировать емкость – поэтому при использовании варикапов следует подавать на анод элемента отрицательное напряжение относительно катода. Емкости варикапов невелики, достигают десятков пикофарад. Зависимость емкости варикапа от модуля приложенного к нему напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (ВФХ). Пример ВФХ приведен на рис. 2.5.

Как правило, ВФХ удается достаточ- Рис. 2.5 но точно описать гиперболической зависи-

мостью.

2.4. Биполярный транзистор

Транзистор – электронный элемент с тремя электродами. Наличие именно трех электродов должно было стимулировать закрепление иного названия – полупроводниковый триод. Такое название действительно существовало (сокращенно – ППТ), однако затем уступило место современному термину. Слово «транзистор» объединяет два класса элементов с очень различающимися физическими принципами, свойствами, историей разработки и даже терминологией.

Первый из рассматриваемых класс транзисторов – биполярные. Все биполярные транзисторы представляют собой трехслойные полупроводни-

15

ковые структуры с двумя электронно-дырочными переходами. Крайние слои имеют одинаковую проводимость, средний слой – противоположную. Таким образом, возможны два варианта чередования слоев и, соответственно, два типа биполярных транзисторов – n–p–n- и p–n–p-типы. Применение обоих типов транзисторов на практике различается только полярностью питающих напряжений.

Все три слоя полупроводника в транзисторе имеют выводы. Один из крайних слоев – тот, который является источником зарядов, образующих электрический ток, называется эмиттером. Средний слой носит название «база», а второй крайний слой – «коллектор» (по смыслу – «собиратель» зарядов). Работа транзистора зависит от того, электроны или дырки являются основными носителями заряда, а также от распределения потенциалов эмиттера, базы и коллектора ( Э, Б и К).

В качестве примера будем рассматривать n–p–n-транзистор: в этом случае как на коллектор, так и на базу следует подавать питающее напряжение положительной полярности (относительно эмиттера) и объяснение принципа действия схем становится проще. При этом включения транзисторов p–n–p-типа ничем, кроме полярности питающих напряжений, не отличаются от включений n–р–n-транзисторов.

Рассмотрим три варианта распределения потенциалов электродов:

1) Э < Б < К: при таком распределении потенциалов электроны из эмиттера под действием положительного потенциала базы проходят через открытый переход эмиттер–база (образуя ток эмиттера – IЭ), частично рекомбинируют в базе с дырками. Однако большинство электронов проходит сквозь базу и устремляется в коллектор, потенциал которого еще более положительный. Переход база–коллектор для электронов коллектора закрыт, но этот факт не препятствует электронам из эмиттера. База обычно имеет малую толщину, дырок в ней немного и возможности рекомбинации сильно ограничены. Подток дырок к зоне рекомбинации, а значит, и базовый ток (IБ) невелики – основная часть IЭ превращается в коллекторный ток (IК).

Меняя потенциал базы, можно регулировать интенсивность процесса прохождения электронов через переход эмиттер–база, а значит, и значение IК. Таким образом, транзистор представляет собой управляемый напряжением между базой и эмиттером источник тока. Описанный режим носит название линейного и используется в усилителях (см. гл. 5);

16

2)Э > Б < К: при таком распределении потенциалов электродов закрыты оба электронно-дырочных перехода транзистора и ток через него практически не течет. Исключение составляет небольшой ток неосновных носителей, в данном случае дырок: для этих положительно заряженных частиц минус на базе является не тормозящим фактором, а стимулирующим их движение. Транзистор практически неуправляем, представляет собой большое сопротивление. Описанный режим называется режимом отсечки и используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов и ряде других электронных схем;

3)Э < Б > К: в этом случае в транзисторе открыты оба электроннодырочных перехода, через него течет максимально возможный ток. Транзистор неуправляем и представляет собой малое сопротивление. Описанный режим называется режимом насыщения и вместе с режимом отсечки используется в ограничителях, электронных ключах, генераторах импульсов.

Теоретически возможен четвертый режим, при котором распределение

потенциалов электродов имеет вид: Э > Б > К; однако при этом просто меняются местами эмиттер и коллектор.

Линейный режим занимает среднее положение между режимами отсечки и насыщения. Когда перед транзисторной электронной схемой ставят задачу воспроизведения формы многоуровнего сигнала (например, его усиление), то выход за пределы линейной зоны недопустим. Напротив, при формировании двухуровневых сигналов (например, прямоугольных импульсов) необходимо как можно быстрее перевести транзистор из отсечки в насыщение и обратно.

Более подробному рассмотрению принципа действия и свойств биполярных транзисторов посвящена гл. 5 «Транзисторные усилители», а также пп. 10.4, 10.5, 10.7, 10.9 и 10.10, в которых рассмотрены транзисторные генераторы прямоугольных и пилообразных импульсов.

2.5. Полевой транзистор

Полевые (другое название – канальные) транзисторы существенно отличаются от биполярных по принципу действия. У двух из трех модификаций этих элементов отсутствует электронно-дырочный переход. Электроды полевых транзисторов имеют названия исток, затвор и сток, исток и сток соединяет канал, по которому течет электрический ток. Затвор своим электри-

17

ческим полем, как правило, без гальванической связи с каналом воздействует на сечение (ширину) канала и тем самым на значение тока в нем.

Несмотря на существенное различие в физике процессов, допустима аналогия электродов полевого и биполярного транзисторов. Так, исток является аналогом эмиттера, сток – коллектора. Управляющий электрод – затвор является аналогом базы.

Принцип действия полевых транзисторов поясняет рис. 2.6.

Рис. 2.6

Допустим, что исток и сток изготовлены из n-полупроводника: для того чтобы между этими электродами потек ток (очевидно, что он будет представлять собой передвижение электронов), необходимо на сток подать «плюс» относительно истока. Однако это не единственное условие, которое требуется выполнить, – для прохождения электронов требуется создать канал из того же n-полупроводника. Интенсивность тока по каналу практически линейно зависит от его сечения, поэтому регулировать значение тока можно, меняя ширину канала.

Сечением канала управляют с помощью напряжения, подаваемого на затвор. Как правило, между затвором и каналом размещают слой диэлектрика (часто – оксида). Поскольку сам электрод «затвор» представляет собой слой металлизации, то в транзисторе образуется чередование слоев металл– диэлектрик–полупроводник (МДП-структура). Если диэлектриком является оксид, то такую структуру называют МОП-структурой. По аббревиатуре слоистой структуры данную группу полевых транзисторов называют МОПтранзисторами.

Наличие слоя диэлектрика между затвором и каналом исключает гальваническую связь между управляющим электродом и объектом управления, характерную для биполярных транзисторов (где база не имеет гальванической развязки с эмиттером и коллектором). Управление током через канал со

18

стороны затвора осуществляется электрическим полем. Ток затвора практически равен нулю, а входное сопротивление (между затвором и истоком) полевого транзистора имеет огромное значение. По этим параметрам полевые транзисторы существенно превосходят биполярные.

Канал конструктивно может быть сформирован по-разному. Если в структуре полевого транзистора он изготовлен в качестве слоя (транзистор со встроенным каналом), то при нулевом напряжении на затворе ток между истоком и стоком течет (ВАХ полевого транзистора на рис. 2.7, график 2). Полевые транзисторы такого типа называются транзисторами со встроенным каналом.

Рис. 2.7

Однако в некоторых модификациях транзисторов при нулевом напряжении на затворе канала нет, а между истоком и стоком находится зона чистого полупроводника. Чтобы в этой зоне создать (индуцировать) канал, надо «отогнать» нежелательные носители заряда в глубь ее. Например, если по каналу должны двигаться электроны, необходимо удалить из него дырки, подав на затвор положительный потенциал. Транзисторы, в которых используется указанный механизм, называются транзисторами с индуцированным каналом (ВАХ транзистора с индуцированным каналом на рис. 2.7, график 3).

Как видно из рассмотрения, в полевых транзисторах электроннодырочный переход не используется. Однако это верно только для МОПтранзисторов. Для регулировки сечения канала можно соединить затвор с каналом запертым p–n–переходом. При изменении напряжения затвора степень закрытия этого перехода, а значит ширина его обедненной зоны будет меняться. Конструктивно транзисторы рассматриваемого типа изготавливают так, чтобы обедненная зона «вторгалась» в канал. Тогда при ее расширении канал сужается, и наоборот. Полевые транзисторы с электронно-дырочным переходом имеют относительно меньшее входное сопротивление, чем МОП-

19

транзисторы, что является их очевидным недостатком (ВАХ транзистора приведена на рис. 2.7, график 1).

2.6. Тиристоры и динисторы

Тиристоры и динисторы относятся к группе четырехслойных полупроводниковых элементов со структурой p–n–p–n или n–p–n–p. Таким образом, в каждом из элементов имеется по три электронно-дырочных перехода. Внешние выводы в тиристорах соединены с тремя слоями полупроводника – крайними и одним внутренним, в динисторах внешних выводов только два и подача сигнала на внутренние слои невозможна. Электроды, соединенные с крайними полупроводниковыми слоями, у тиристора и динистора имеют те же названия, что и у диода – анод и катод. Электрод, соединенный с одним из внутренних слоев тиристора, называется управляющим электродом (УЭ): если УЭ присоединен к внутреннему слою, примыкающему к аноду, говорят, что тиристор «имеет управление по аноду», а если к слою, соседнему с катодом, – «управление по катоду».

На рис. 2.8 приведены условные обозначения тиристоров и динистора в принципиальных электрических схемах. В отличие от транзисторов, ток через которые можно плавно регулировать напряжением, подаваемым на базу или затвор (в линейном режиме), тиристор и динистор являются переключающими элементами с двумя состояниями – открытым и закрытым. При этом физические процессы при открывании закрытого тиристора (динистора) и закрывании открытого коренным образом отличаются.

Рис. 2.8

20