8. Диоды. Выпрямительные диоды. Устройство, вах. Применение.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

На рис.4.1,а приведена характеристика диода с одинаковым масштабом по осям прямого (прямая ветвь) и обратного (обратная ветвь) смещений. Реальная характеристика (сплошная линия) отличается от теоретической (пунктирная кривая). На прямой ветви при боль­ших токах заметным оказывается уже падение напряжения I_aR_обл на омических сопротивлениях областей и общее напряжение U_a на переходе будет больше напряжения , приложенного к переходу, на величину I_aR_обл: .

На обратной ветви характеристики отличие более существенно. Во-первых, обратный ток I_обр больше I₀ и, как правило, не­сколько возрастает с ростом U_обр. Одной из причин этого явля­ются токи утечки на поверхности кристалла, другой – наличие тока термогенерации, который не учитывался идеальной вольт-амперной ха­рактеристикой

Во-вторых, при больших обратных напряжениях возникает пробой р-п перехода, обусловливающий резкий рост обратного тока.

Параметры диода, характеризующие прямую ветвь (точка А, рис.4.1,б):

1. I_пр – длительно допустимый постоянный прямой ток;

2. U_a – прямое падение напряжения на диоде при постоянном прямом токе;

3. – дифференциальное сопротивление диода. Оно может быть определено из вольт-амперной характеристики по приращениям:

,

а также из теоретической характеристики (3.7):

. (4.1)

для диодов используется значительно реже, чем I_пр и U_a.

Параметры диода, характеризующие обратную ветвь (точка В):

1. U_обр.max – допустимое обратное напряжение на диоде, при котором не происходит пробоя даже в наихудших условиях. Оно задается с достаточным запасом по отношению к U_проб:

, (4.2)

где m – коэффициент запаса. В зависимости от типа диода коэффи­циент запаса находится в пределах 0,4–0,7 /4,5/.

2. I_обр – постоянный обратный ток, протекающий через диод при постоянном обратном напряжении U_обр.max.

Необходимо отметить, что приведенные выше параметры определе­ны по статической вольт-амперной характеристике, снятой при посто­янном токе. Для некоторых типов диодов набор параметров и способ их задания отличаются от приведенных, на что будет указано при рассмотрении некоторых разновидностей диодов.

9. Биполярный бездрейфовый транзистор. Устройство, принцип действия. Уравнения Iк.

Устройство. Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, ос­нову которого составляют два взаимодействующих р-п перехода, образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень узкой областью взаимодействия, называемой базой. Транзис­тор является одним из самых распространенных полупроводниковых приборов. Он широко используется и как усилительный, и как пе­реключающий элемент, т.е. является универсальным элементом электронных схем.

а б

Рис. 5.1

Принцип действия. Каждый из р-п переходов транзистора может быть смешен в прямом либо обратном направлениях. В зависи­мости от полярности смещений двух переходов возможны четыре ре­жима транзистора. Однако основным является активный (усилительный) режим, при котором эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

Рис. 5.3

Инжекция. Через эмиттерный переход, смещенный в прямом на­правлении, имеет место только поток дырок из эмиттера в базу - инжекция дырок в базу.

Диффузия в базе. В равновесии база нейтральна по всей ширине и электрического поля в базе нет. Потенциал по всей ши­рине базы одинаков, и на диаграмме он принят равным нулю, поэ­тому транзистор называется бездрейфовым. Инжектированные дырки в базе являются неосновными носителями. Концентрация равновес­ных неосновных носителей Р_n в базе невелика и инжектированные дырки значительно увеличивают концентрацию неосновных носите­лей - дырок - в базе на границе с эмиттерным переходом, т.е. имеет место процесс возмущения неосновных носителей.

Появляется градиент концентрации дырок в базе и начинает­ся диффузия инжектированных дырок от эмиттерного перехода в глубь базы, в сторону коллекторного перехода. Повышенная кон­центрация дырок в базе у эмиттерного перехода поддерживается за счет непрерывной инжекции из эмиттера. В процессе диффузии боль­шая часть инжектированных дырок достигает границы коллекторного перехода. Движение инжектированных дырок через базу имеет слож­ный направленно-хаотический вид, т.е. дырки, как подвижные час­тицы, совершают тепловые хаотические движения, на которые на­кладывается направленное смещение под действием сил диффузии. В целях улучшения направленного движения дырок в базе (от эмит­тера к коллектору) в ней создают электрическое поле, под дейст­вием которого дырки направленно перемещаются (дрейфуют) к кол­лектору.

Экстракция дырок, ток коллектора. Коллекторный переход смещен в обратном направлении и его собственный обратный ток равен тепловому току I_K0. Однако инжектированные дырки, оказав­шиеся в базе, на границе коллекторного перехода подхватываются полем коллекторного перехода и выбрасываются в область коллекто­ра, где они являются основными носителями. Этот процесс называют экстракцией. В результате этого коллекторный ток увеличивается сверх I_K0 величина тока коллек­торного перехода, смещенного в обратном направлении, определяет­ся величиной тока близко расположенного эмиттерного перехода, т.е. ток коллектора управляется током эмиттера. В этом заключа­ется взаимодействие переходов, и в этом - сущность транзистора. Все остальные потоки и процессы носят сопутствующий характер.

Рекомбинация. Ток базы. Часть инжектированных дырок в про­цессе диффузии в базе встречается с электронами и рекомбинирует. Рекомбинирующие дырки не достигают коллекторного перехода и не участвуют в управлении коллекторным током. Вместо рекомбинированных электронов в базу втекают электроны из внешней цепи по базовому выводу, образуя ток базы. Величина тока базы I_Б опре­деляется интенсивностью рекомбинации в объеме базы (направление токов во внешних выводах соответствует принятому в электротех­нике направлению движения положительных зарядов).

Из рассмотрения принципа действия транзистора следует, что ток коллектора составляет лишь часть тока эмиттера (i_Э развет­вляется на два тока: I_K и I_Б):

Отношение тока коллектора к току эмиттера:

называют коэффициентом передачи тока. Коэффициент  отражает эффективность взаимодействия р-п переходов в транзисторе и ко­личественно равен доле инжектированных эмиттером дырок, достиг­ших коллекторного перехода. Равенства (5.1 и 5.2) являются ос­новными для транзистора и выполняются при любых режимах тран­зистора, т.к. они отражают основные процессы в транзисторе. Из этих равенств вытекает и условие для тока базы:

Рост тока коллектора с ростом напряжения обус­ловлен модуляцией толщины базы (эффектом Эрли). Модуляция тол­щины базы - уменьшение толщины базы при увеличении напряжения на коллекторном переходе, смещенного в обратном направлении. Ширина коллекторного перехода увеличивается при увеличении U_КБ. Расширение коллекторного пе­рехода идет в основном в сторону базы и уменьшает ее толщину. Уменьшение вызывает ряд дополнительных явлений, одним из кото­рых является увеличение, в соответствии с (5.5), коэффициента  рост тока коллектора (наклон характеристик) при увеличении U_КБ.

Величина α при этом считается не изменяющейся. Усредняя r_K , можно харак­теризовать семейство выходных характеристик ОБ достаточно стро­гим соотношением /3/:

(5.12)

Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обус­ловливает больший наклон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодействия с эмиттерным переходом: приращения то­ка коллектора проходят через эмиттерный переход, вызывают пони­жение потенциального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и экстракцию. Результирующее приращение будет больше первоначального в (I +) раз (точно также, как I_K0 увеличива­ется до I^*_Ко = (1+)I_Ко).

С учетом наклона характеристик и усредняя r^*_К, выходные характеристики ОЭ могут быть описаны более строгим соотношением (подобным (5.12) для ОБ):

где – усредненное значение сопротивления коллекторного перехода.

Минимальное значение тока I_K, равное I_K0, получается при токе базы, равном -I_K0, следовательно, при изменении тока базы от 0 до -I_K0 транзистор в схеме ОЭ управляется обратным током базы (эмиттерный переход при этом остается смещенным в прямом направлении вследствие смещения входной характеристики), однако этот диапазон токов мал (между характеристиками с I_K = I_K0 и I_K = I^*_Ко) и практическое значение его весьма незначительно. На практике последним членом в (5.14) также иногда пренебрега­ют (но здесь это пренебрежение дает большую ошибку, чем в ОБ, поэтому не всегда может быть принято) и используют упрощенное соотношение (5.9).

Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от направления между базой и эмиттером U_БЭ при посто­янном выходном напряжении U_КЭ:

На рис.5.6,б приведены входные характеристики того же транзис­тора. По виду они аналогичны входным характеристикам ОБ (см. рис.5.5,б). Входное напряжение ОЭ по величине равно входному напряжению ОБ, лишь полярность его противоположная (U_БЭ = -U_ЭБ). Однако входной ток ОЭ (I_Б) в (1+ ) меньше тока I_Э. При уве­личении напряжения U_КЭ входная характеристика смещается в сторо­ну оси напряжений. Одной из причин этого смещения также является модуляция толщины базы. Ток I_Б напряжение U_БЭ для транзистора р-п-р отрицательны.

(5.3)