1. Электрофизические свойства полупроводников.

Полупроводниками называют кристаллические или аморфные вещества, занимающие по удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

=

=

=

Наиболее широкое применение в развитии электронной техники получили германий, кремний, селен, а также полупроводниковые соединения типа арсенид галлия, карбид кремния, сульфид кадмия и др.

Важнейшим признаком полупроводниковых материалов является зависимость их электрических свойств (электропроводности) от внешних условий:

- температуры;

- освещенности,

- давления,

- внешних электрических полей и т.п.

Для полупроводников характерно кристаллическое строение, т.е. закономерное и упорядоченное расположение их атомов в пространстве на одинаковом расстоянии друг от друга – образование кристаллической решетки твердого тела.

2. Виды проводимости полупроводников.

3. Электронно-дырочный переход.

Возьмем контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью n - типа, а другой - с дырочной р – типа.

Рис. 1.5. Образование электронно-дырочного перехода:

а – пластина германия с двумя типами проводимости,

б – возникновение пространственного заряда на границе двух полупроводников,

в – распределение плотности пространственного заряда на границе двух полупроводников германия n и р типов,

г – распределение потенциала на границе двух полупроводников

Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике n – типа будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупроводника р – типа в первый полупроводник n – типа.

В тонком пограничном слое полупроводника n – типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р – типа – отрицательный заряд (рис. 1.5 б)

Между этими слоями возникает разность потенциалов (рис. 1.5 г) – «потенциальный барьер» и образуется электрическое поле перехода напряженностью En. Это поле препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный основными носителями зарядов и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим слоем.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или рn – переходом.

Вследствие теплового движения в электрическое поле перехода попадают неосновные носители зарядов (электроны из р – области, дырки из n - области).

Движение неосновных носителей заряда называют тепловым или дрейфовым током и направлено встречно диффузионному току основных носителей зарядов. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через переход равен нулю.

R_пер → ∞

I_пер = 0

Приложим к рn – переходу внешнее напряжение. Минус источника к полупроводнику n – типа, а плюс источника к полупроводнику р – типа (рис. 1.6.в)

В этом случае электрическое поле источника Е_В и рn – перехода Е_П будут направлены в разные стороны. Электрическое поле источника скомпенсирует поле перехода Е рез=Ев-Еn.

Действие запирающего слоя ослабится, потенциальный барьер понизится, увеличится число свободных электронов, проникающих из n области в р область и дырок – в обратном направлении т. е. произойдет увеличение тока через электронно-дырочный переход, уменьшится его сопротивление.

Такое включение рn – перехода (и источника) называется прямым (рис.1.6 в)

R_пр → мало

I_пер ≠ 0 (за счет основных носителей заряда)

(за счет основных носителей заряда)

Рис. 1.6. Прохождение тока через рn – переход:

а – общий вид,

б – обратное включение рn – перехода,

в – прямое включение рn – перехода

4. Вольт-амперная характеристика рn – перехода

5. Классификация полупроводниковых приборов.

Прибор с двумя выводами, содержащий один электронно-дырочный переход называется полупроводниковым диодом.

Его условия обозначены

Прямое включение диода

Обратное включение

Классификация полупроводниковых диодов.

		выпрямительные,
		кремниевые стабилитроны,
		фотодиоды,
		светодиоды,
По назначению		туннельные,
		импульсные,
		лавинно – пролетные,
		варикапы,
		диоды Ганка.

германиевые, (1 или Г)

По материалу кремниевые, (2или К)

изготовления на основе соединения галлия. (3 или А)

на основе соединений индия (4 или И)

По способу получения точечные,

электронно-дырочного перехода плоскостные.

низкой частоты (НЧ), (1,4, 7)

По частоте средней частоты (СЧ), (2, 5, 8)

высокой частоты (ВЧ). (3,6, 9)

малой мощности, (1, 2, 3,)

По мощности средней мощности, ( 4, 5, 6)

большей мощности. (7, 8, 9)

6. Устройство выпрямительных и опорных диодов.

Выпрямительный полупроводниковый диод - диод, предназначенный для выпрямления переменного тока.

Обычно к диоду прикладывается прямое напряжение не более 1В (рис.1.7)

Если же приложить к диоду прямое напряжение больше допустимого, то возникает недопустимо большой прямой ток, что вызывает нагрев полупроводника и подводящих проводов, это приводит к разрушению диода.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нём возникает незначительный обратный ток (рис.1.7), обусловленный движением не основных носителей заряда через pn-переход.

При повышении температуры количество не основных носителей заряда в pn-переходе увеличивается, обратный ток возрастает.

В случае приложения к диоду большого обратного напряжения произойдет лавинный пробой pn-перехода и его разрушение.

Диод теряет свое основное свойство - одностороннюю проводимость.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: максимально допустимый прямой ток Iпр_max; максимально допустимое обратное напряжение диода Uобр _max.

Тип диода	Параметры
	Максимально допустимый прямой ток I пр max, A	Максимально допустимое обратное напряжение Uобр max, В	Обратный ток Iобр, мкА
Точечный	0,01-0,1	25-150	0,1-100
Выпрямительный маломощный	0,1-1,0	200-1000	10-200
Выпрямительный мощный	1-2000	200-4000	1000-5000
Выпрямительный импульсный	0,01-0,5	10-100	01-50

Сопоставление параметров различных выпрямительных диодов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1Значение параметров выпрямительных диодов

Для получения более высокого обратного напряжения диоды включают последовательно (подходящими являются диоды с идентичными параметрами).В настоящее время выпускаются диодные столбы, в которых подключены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение таких столбов лежит в пределах 2-40кВ. Для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно.

Кремневые стабилитроны (опорные диоды)

Стабилитроны предназначены для стабилизации постоянного напряжения.

Стабилитроны отличаются от силовых диодов повышенной концентрацией носителей зарядов, благодаря чему напряженность электрического поля перехода возрастает настолько, что при сравнительно небольшом обратном напряжении возникает лавинный пробой перехода и ток через переход резко возрастает, а напряжение на стабилитроне остается почти неизмененным.

Лавинный пробой не вызывает разрушения электронно-дырочного перехода, так как с уменьшением обратного напряжения прекращается размножение носителей заряда и ток через переход уменьшается.

Значит нормальным режимом работы стабилитрона является работа при обратном напряжении, соответствующему обратимому электрическому пробою р-n перехода.

Явление обратимого пробоя наблюдается как у кремниевых, так и германиевых диодов. Однако в качестве материала для стабилитронов используется кремний, обладающий более высокой температурной стабильностью. Основной характеристикой стабилитрона является его вольтамперная характеристика.

Рис.1.9. а) Вольтамперная характеристика и условное обозначение стабилитрона в схеме,

б)схема включения кремниевого стабилитрона..

В прямом направлении вольтамперная характеристика стабилитрона практически не отличается от прямой ветви любого кремниевого диода.

Обратная ветвь ее имеет вид прямой, проходящей почти параллельно оси токов. При изменении тока в широких пределах падение напряжения на приборе практически не изменяется. Избыток напряжения (Uвх-Uст) гасится по балластном резисторе R_б, а напряжение Uст (нагрузка подключена параллельно стабилитрону), остается неизменным.

Uст=Uвх-(Iст+Iн)*R_б

Если при изменении входного напряжения Uвх ток стабилизации Iст не выходит за пределы I ст min-Iст max, то напряжение стабилизации меняется  Uст на малую величину.

Полупроводниковые стабилитроны выпускаются на напряжение от 0.1 до 190В при токах от 0.1мА до 2А. Дифференциальное сопротивление колеблется от 0.1 до 500(Ом).

Параллельное соединение полупроводниковых стабилитронов не допускается, т. к. практически невозможно подобрать диода с одинаковыми параметрами.

Последовательно соединяют любое число стабилитронов. Тогда напряжение стабилизации будет равно сумме напряжений стабилизации отдельных стабилитронов.

Допустимая величина обратного тока через стабилитрон ограничивается допустимой мощностью рассеяния.

Превышение предельно допустимого тока приводит к перегреву рn – перехода и его тепловому пробою.

7. Устройство и принцип работы биполярного транзистора.

Трехэлектродный полупроводниковый прибор, с двумя рn – переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний.

В них используются заряды носителей обоих полярностей, поэтому они называются биполярными.

Основным элементом плоскостного биполярного транзистора является кристалл германия или кремния, в котором созданы три области. Две крайние всегда обладают проводимостью одного типа, средняя – другой.

Транзисторы, у которых крайние области электронной проводимости называются транзисторами n–р–n–типа, а крайние области с дырочной проводимостью транзисторами р–n–р–типа.

Физические процессы, происходящие в этих транзисторах аналогичные, и отличаются полярностью включения источников, а так же тем, что в транзисторе

n–p–n–типа электрический ток создается в основном электронами, а в р–n–р–типа – дырками.

Области получили название:

эмиттер – область испускающая (эмитирующая) носители заряда,

коллектор – область, собирающая носители заряда,

база – средняя область, управляющая.

К каждой из областей припаяны: выводы при помощи, которых прибор включается в схему (рис.1.10)

Принцип работы транзистора.

а) n–р– n, б) р– n– р

Транзистор представляет собой, по существу, два полупроводниковых диода, имеющих одну общую базу.

К переходу эмиттер – база (эмиттерный) прикладывается напряжение в прямом включении, а к переходу коллектор – база (коллекторный) – в обратном

8. Схемы включения биполярного транзистора.

К транзистору, который имеет три вывода, подключается входная и выходная цепи, поэтому один из электродов является общим для входной и выходной цепи.

Различают схемы включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Эти схемы имеют разные свойства, но принцип усиления электрических колебаний в них одинаков.

Рис.1.11 Схемы включения транзистора

а) n–р–n, (ОБ, ОЭ, ОК) б) р–n–р (ОБ, ОЭ, ОК)

Схема с общей базой.

Усилительный каскад, собранный по этой схеме обладает малым входным (единицы Ом – прямое включение рn - перехода) и большим выходным (сотни кОм обратное включение рn - перехода) сопротивлением. Малое входное сопротивление является его недостатком, т.к. оно оказывает шунтирующее действие в многокаскадных усилителях, что снижает коэффициент усиления по напряжению и мощности.

Это ограничивает применение данной схемы в усилительных каскадах.

(т.к. Iэ=I_К+I_Б)

h _21Б называется коэффициентом передачи по току.

Эта схема дает усиления по напряжению до 1000 и такое же усиление по мощности.

Схема с общим эмиттером.

В этой схеме входным током является малый ток базы – I_Б, поэтому его входное сопротивление значительно выше (сотни Ом), чем входное сопротивление в схеме с общей базой (единицы Ом). Выходное сопротивление достаточно велико (десятки кОм).

Важнейшим достоинством этой схемы является большое усиление по току.

Коэффициент усиления по напряжению имеет примерно ту же величину, что и в схеме с общей базой.

Коэффициент усиления по мощности Кр=Кu*Кi значительно выше, чем в схеме с общей базой, т.к h_21э>h_21Б и составляет несколько тысяч.

Формулы пересчета.

Схема с общим коллектором.

Входное сопротивление схемы очень велико (десятки и сотни кОм). Поэтому каскад имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (Кu=0.9-0.95) и применяется для согласования сопротивлений между каскадами усилителя или между выходом усилителя и низкоомной нагрузкой (Его часто называют коллекторным повторителем).

Сравнительные свойства различных схем включения транзистора приведены в таблице 1.2

9. Характеристики биполярных транзисторов.

Характеристики биполярных транзисторов.

В транзисторах всегда взаимосвязаны четыре величины: входные и выходные токи и напряжения.

Используются два семейства статистических характеристик транзистора.

Входные статические характеристики Выходные статические характеристики

Iвх=f (Uвх), при Uвых=const Iвых=f (Uвых), при Iвх=const

Эти зависимости для различных схем включения будут разные.

Схема с общей базой.

Входные характеристики Iэ=f (Uэ-_Б),при Uк-_Б=const,

Выходные характеристики Iк=f (Uк-_Б) , при Iэ=const.

Рис. 1.12 Статические характеристики транзисторов в схеме с 0Б:

а) – входное, б) – выходные.

Схема с общим эмиттером.

Входные характеристики I_Б=f (U_Бэ), при Uкэ=const

Выходные характеристики Iк=f (Uкэ), при U_Б=const

Рис. 1.13 Статические характеристики транзисторов в схеме с 0Э:

а) – входные, б) – выходные.

Достоинства и недостатки транзисторов

по сравнению с электровакуумными приборами.

10. Устройство и принцип работы полевого транзистора.

Полевой транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным к управляющему электроду.

В устройствах промышленной электроники применяются две разновидности полевых транзисторов с рn-переходом (канальные или полярные транзисторы),

с изолированным затвором (МДП или МОП транзисторы).

Принцип работы, характеристики и параметры обоих разновидностей аналогичны.

Название и назначение электродов в транзисторах приведены в таблице 1.3.

Таблица 1.3.

	Биполярный транзистор	Полевой транзистор	Назначение электродов
Название электродов	Эмиттер Коллектор База	Исток Сток Затвор	Испускающий заряды Собирающий заряды Управляющий электрод

Принцип работы.

Полевые транзисторы с рn – переходом.

11. Схемы включения полевого транзистора.

Рис. 1.14 Схематическое изображение конструкции и схема включения полевого транзистора с рn – переходом.

Слой полупроводника n-типа (р-типа) между истоком и стоком, ограниченный с двух сторон электронно-дырочным переходом называется каналом.

Принцип работы транзисторов n и р – каналов аналогичен и отличается полярностью подводимых напряжений.

При неизмененном значении Ес и сопротивлении нагрузки Rн выходной ток стока (Ic) зависит от эффективной площади поперечного сечения канала, которая определяется величиной и полярностью напряжения управления, поданного между затвором и истоком (Ез-и).

При увеличении отрицательного потенциала на затворе увеличивается толщина рn – перехода и уменьшается сечение токопроводящего канала.

Сопротивление между истоком и стоком увеличивается, ток стока (Ic) уменьшается. Подключив последовательно с источником Ез-и источник переменного напряжения Uвх, можно менять ток (Ic) в канале по закону изменения входного напряжения. При определенной величине нагрузки Rн можно добиться повышения уровня выходного напряжения по сравнению со входным напряжением т.е. усилить сигнал.

Эти транзисторы работают при одной полярности входного напряжения: n-канал при минусе на затворе, р-канал при плюсе на затворе.

Условные обозначения полевого транзистора.

c n – каналом с р – каналом

Полевые транзисторы с изолированным затвором.

Канал n-типа

Кремний p-типа

(подложка)

Рис. 1.15 Схематическое изображение конструкции полевого транзистора с изолированным затвором.

12. Устройство и принцип работы тиристора.