Лекция 12

Классификация полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы:

- полупроводниковые резисторы;

- полупроводниковые диоды;

- полупроводниковые фотоэлектрические приборы;

- биполярные транзисторы;

- полевые транзисторы;

- тиристоры;

- комбинированные полупроводниковые приборы;

- полупроводниковые микросхемы.

12.1 Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковым резисторам называют полупроводниковый прибор с двумя выводами, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от напряжения, температуры, освещенности и других физических величин.

В полупроводниковых резисторах применяют полупроводник равномерно легированный примесями. Классифицируют полупроводниковые резисторы следующим образом:

Электрические характеристики линейных резисторов и варисторов практически не зависят от влияния окружающей среды. Для остальных групп полупроводниковых резисторов характерна существенная зависимость их электрических характеристик от внешних влияний и поэтому они используются в качестве первичных преобразователей неэлектрических величин.

Сопротивление линейных резисторов остаётся практически постоянным в широком диапазоне изменения напряжений и токов и их применяют в интегральных микросхемах (ИМС).

Варистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения (материал – карбид кремния).

Рисунок 12.1 - Вольт-амперная характеристика варистора

Полупроводниковые терморезисторы в зависимости от изменения сопротивления при изменении температуры бывают двух типов:

-сопротивление терморезистора с ростом температуры снижается (термистор);

-сопротивление терморезистора с ростом температуры возрастает (позистор).

Материалом для термисторов служат оксиды металлов и смеси оксидов.

Терморезисторы применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, пожарной сигнализации.

Рисунок 12.2 - Примерный вид градуировочных характеристик терморезисторов

Фоторезистор – полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от освещенности.

Тензорезистор – полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций.

Рисунок 12.3 - Деформационная характеристика тензорезистора

12.2 Полупроводниковые диоды

Диод - это полупроводниковый прибор с одним «p–n» переходом и двумя выводами, в котором используются свойство «р-n» перехода проводить ток в одном направлении. Все полупроводниковые диоды подразделяются на два класса: точечные и плоскостные.

Рисунок 12.4 - Вольт-амперная характеристика точечного диода

Стабилитрон – диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока, и который служит для стабилизации напряжения.

Рисунок 12.5 - Вольт-амперная характеристика стабилитрона

Туннельный диод – диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт – амперной характеристики при прямом напряжении участка с отрицательным значением производной тока по напряжению (дифференциальной проводимостью).

Рисунок 12.6 - Вольт-амперная характеристика туннельного (1) и

обращённого (2) диода

Туннельный диод применяется в генераторах высокочастотных колебаний.

Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости

«p–n» перехода от обратного напряжения. Варикап предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью (С = 10 – 500 пФ и ).

Рисунок 12.7 - Зависимость ёмкости варикапа от обратного напряжения

Обращенные диоды – разновидность туннельных диодов, у которых нет пика на характеристики (вольт-амперная характеристика 2 на рисунке 12.6).

В фотодиоде в результате освещения «p–n» перехода повышается обратный ток. В полупроводниковом фотоэлементе при освещении «p–n» перехода возникает обратное напряжение. У светодиода в режиме прямого тока в зоне «p–n» перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Магнитодиод – это диод, изменяющий свою вольт – амперную характеристику под действием магнитного поля.

Тензодиод – диод, изменяющий свою вольт – амперную характеристику под действием механических деформаций.

12.3 Биполярные транзисторы

Это электропреобразовательный прибор, состоящий из трёх областей с чередующимися типами электропроводности, предназначенный для усиления мощности.

Рисунок 12.8 - Структурная схема биполярных транзисторов p-n-p (а) и n-p-n (б) типов

Классифицируются биполярные транзисторы следующим образом:

Для расчёта устройств с биполярными транзисторами используют так называемые h – параметры: h_11Э – входное сопротивление биполярного транзистора; h_12Э – безразмерный коэффициент внутренней области сопротивления по напряжению;

h_21Э – безразмерный коэффициент передачи по току; h_22Э – имеет размерность проводимости и характеризует выходную проводимость биполярного транзистора.

Существуют ограничения по электрическим характеристикам для биполярного транзистора:

Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми усилительными приборами универсального назначения и применяются в усилителях, генераторах, логических и усилительных устройствах, как радиотехнических, так и силовых.

Рисунок 12.9 - Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора

Силовые биполярные транзисторы с изолированным затвором IGВТ на принципиальных электрических схемах обозначаются следующим образом.

Кроме транзисторов IGBT в настоящее время разработаны и используются более совершенные биполярные транзисторы с изолированным затвором, например, MOSFET и BIMOSFET.

12.4 Полевые транзисторы

Это электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Они предназначены для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Каналом называют центральную область полевого транзистора. Исток – это электрод, из которого в канал входят основные носители; сток – электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала называется затвором. Полевые транзисторы изготавливают из кремния и подразделяют на транзисторы с p – каналом и n – каналом. Их классификация и условное графическое изображение представлены ниже.

Полевой транзистор с управляющим переходом – полевой транзистор, у которого затвор электрически отделён от канала закрытым «р – n» - переходом. Структурная схема и схема включения полевого транзистора с n – каналом и управляющим «p – n» - переходом изображены ниже.

Рисунок 12.10 - Устройство (а) и схема включения полевого транзистора с затвором

в виде «p – n» перехода (б)

Рисунок 12.11 - Вольт-амперные характеристики полевого транзистора

Полевой транзистор с изолированным затвором – это полевой транзистор, затвор которого электрически отделён от канала слоем диэлектрика. Обычно в качестве диэлектрика используется оксид кремния, а «p – n» переход отсутствует. Такие полевые транзисторы часто называют МДП-транзисторами (металл – диэлектрик – полупроводник) или МОП – транзисторами (металл – оксид – полупроводник). Вольт – амперные характеристики аналогичны транзисторам с затвором в виде «p – n» перехода. Изолированный затвор позволяет работать в области U_зи > 0.

Основными характеристиками полевого транзистора являются крутизна характеристики передачи

при U_си = соnst

и дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения

при U_зи = сonst

Межэлектродные ёмкости полевого транзистора между затвором и стоком, а также между затвором и истоком обычно ≤ 1 ÷ 20 пФ.

Полевые транзисторы с коротким каналом (1 – 3 мкм) являются высокочастотными приборами и могут работать на частотах до 100 МГц.

12.5 Тиристоры

Это полупроводниковый прибор с тремя (или более) «p – n» переходами, вольт – амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, используемый для переключения. Простейшими тиристорами с двумя выводами является диодный тиристор (динистор). Триодный тиристор (тринистор) имеет третий (управляющий) электрод. Как диодный, так и триодный тиристоры имеют четырехслойную структуру с тремя p – n переходами П₁, П₂, П₃. Ниже приведена классификация тиристоров.

1, 2, 3 – выводы катода, управляющего электрода и анода соответственно

Рисунок 12.12 - Устройство триодного тиристора

Питающее напряжение подаётся на тиристоры таким образом, что переходы П₁ и П₃ оказываются открытыми, а переход П₂ – закрытым. Когда U_ил > U_пр происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда, ток в переходе П₂ быстро нарастает, U_R возрастает, а напряжение на тиристоре снижается до 0,5 ÷ 1,0 В.

Такой пробой не вызывает разрушения П₂ перехода и при уменьшении тока восстанавливается высокое сопротивление перехода (за τ = 10 ÷ 30 мс).

Рисунок 12.13 - Вольт-амперные характеристики триодного тиристора

Напряжение U_вкл может быть снижено введением неосновных носителей в любой из слоев, что прилегают к переходу П_2. Эти добавочные носители вводят в слой P₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. Как снижается пробивное напряжение показано петлей на кривой рисунка.

Ток управляющего электрода I_у.вкл является важной характеристикой тиристора. Во избежание пробоя тиристора в обратном направлении, что может вывести тиристор из строя из – за теплового пробоя необходимо, чтобы U_обр ≤ U_обр.max.

В симметричных диодных и триодных тиристорах обратная ветвь характеристики совпадает с прямой. Это достигается встречно – параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур или применением пятислойных структур с четырьмя «p – n» переходами.

В настоящее время изготавливают тиристоры на токи до 3000 А и напряжение включения до 10000 В. Тиристоры как управляемые переключатели, обладающие выпрямительными свойствами, нашли широкое применение в управляемых выпрямителях, инверторах, коммутационной аппаратуре.

12.6 Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема (ИМС) – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неразделимое целое.

Полупроводниковая ИМС – схема, все элементы и межэлементные соединения которой выполнены в объеме и на поверхности полупроводника.

Гибридная ИМС – интегральная микросхема, пассивные элементы которой выполнены посредством нанесения различных пленок на поверхности диэлектрической подложки из стекла, керамики, ситалла или сапфира, а активные элементы – бескорпусные полупроводниковые приборы.

12.6.1 Гибридные ИМС

Они состоят из двух типов различных элементов: тонкопленочных резисторов, конденсаторов, соединительных проводников и навесных транзисторов, дросселей, конденсаторов большой мощности. Пленочные элементы изготавливают:

- резисторы из хрома, нихрома (обладает высокой стабильностью характеристик), тантала;

- конденсаторы из меди, серебра, алюминия или золота с подслоем хрома, титана, молибдена для прочного соединения; в качестве диэлектриков применяют силикат алюминия, титанат бария, двуокись титана, окиси бериллия, кремния;

- медные соединительные проводники покрывают слоем никеля или золотом от коррозии.

12.6.2 Полупроводниковые ИМС

Эти ИМС обычно состоят из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Здесь необходимые полупроводниковые структуры образуются следующим образом:

- транзисторы представляют собой обычно трехслойные структуры «n – p –n» типа;

- в качестве диодов используют либо двухслойные структуры с одним «p – n» переходом, либо транзисторы в диодном включении;

- роль конденсаторов выполняют «p – n» переходы, закрытые обратным постоянным напряжением; с = 50 – 200 пФ;

- резисторы представляют собой участки легированного полупроводника с двумя выводами;

- дроссели в полупроводниковых ИМС создать практически очень трудно, поэтому схемы проектируют без применения индуктивных элементов;

- изоляцию отдельных элементов осуществляет одним из двух способов (закрытым «p – n» переходом, или пленкой SiO₂).

Полупроводниковые ИМС, как и гибридные, помещают в металлический или пластмассовый корпус; потребляемая ими от источников питания мощность около 0,5 -2,0 Вт и менее.

12.7 Индикаторные приборы

При взаимодействии оператора с электронными системами возникает задача представления информации о работе системы и о значениях контролируемых величин. Эту информацию, передаваемую в виде электрических сигналов, представляют в видимой форме с помощью преобразовательных устройств визуального отображения информации.

Основу устройств отображения информации составляют индикаторные приборы, которые удобно классифицировать по физическим явлениям, на которых основан их принцип действия:

1. Накальные индикаторы, в которых используются свечение разогретой электрическим током металлической нити накаливания.

2. Электролюминесцентные индикаторы, в которых применяются свечение некоторых кристаллических веществ под воздействием электрического поля.

3. Электронно-лучевые и вакуумно-люминесцентные индикаторы, основанные на свечение люминофора при бомбардировке электронами.

4. Газоразрядные индикаторы, в которых используется свечение газа при электрическом разряде.

5. Полупроводниковые индикаторы, в которых применяется излучение квантов света при рекомбинации не основных носителей заряда в p-n переходе;

6. Жидкокристаллические индикаторы, основанные на изменении оптических свойств жидких кристаллов при воздействии электрического поля.

Накальные индикаторы в настоящее время практически не применяют.

12.7.1 Электролюминесцентные индикаторы

Электролюминесцентное излучение возникает в результате приложения электрического поля к люминофорному материалу. Свечение связано с возбуждением люминофоров потоком электронов высокой энергии. Для этого необходимо, чтобы напряжённость электрического поля составляла (0,1 – 1,0)·10⁴ В/м. Интенсивность излучения зависит от напряжённости электрического поля и его частоты, если применяется поле переменного тока.

Самым распространённым люминофором является сульфид цинка (ZnS) легированный медью, марганцем и некоторыми другими элементами. Наиболее часто применяют электролюминесцентные индикаторы (ЭЛИ) на основе порошкообразных люминофоров, возбуждаемых постоянным электрическим полем и на основе тонких плёнок, возбуждаемых переменным электрическим полем.

Конструктивно тонкоплёночные ЭЛИ представляют собой сложную слоистую структуру, которая создаётся на подложке методами вакуумного напыления.

Рисунок 12.15 - Структурная схема тонкоплёночного электролюминесцентного

индикатора

Тонкий слой люминофора (размеры на рисунке даны в мкм) размещается между слоями диэлектрика, на которые напылены электроды. Таким образом, элемент ЭЛИ представляет собой конденсатор. После приложения переменного напряжения, превышающего пороговое значение, люминофор начинает светиться.

Обычно тонкоплёночные ЭЛИ конструируют в виде панелей с матричной формой управляющих электродов. Переменное питающее напряжение прикладывается к координатным управляющим электродам с помощью высоковольтных ключей. При этом обеспечивается свечение пиксела, который расположен на пересечении активной пары электродов. Изменяя напряжение и частоту управляющего напряжения, можно изменять яркость ЭЛИ и цвет его свечения.