Вопросы и задачи для самопроверки:

1. Что такое диод и почему он считается нелинейным компонентом?

2. С какой целью используют выпрямительные диоды?

3. Чем отличаются вольтамперные характеристики идеальных p-n переходов и реальных диодов?

4. Какими параметрами характеризуются выпрямительные диоды?

5. Определите напряжение на выходе в схемах с кремниевым диодом.

1) 2) 3) 4)

Е=5В,R=10кОм Е=10В, R=1кОм Е=15В, Е=16В,

R₁=R₂=10кОм R₁=10кОм, R₂=1кОм

6. Нарисуйте зависимость напряжения на выходе от времени, если на вход подано синусоидальное напряжение.

1 ) 2) 3)

Е=Е₀sinωt, Е₀=5В, Е=Е₀sinωt, Е₀=10В, Е=Е₀sinωt, Е₀=15В,

R=1кОм R₁=1кОм, R₂=3кОм R₁=R₂=10кОм

7. С какой целью на выходе выпрямительного устройства включают конденсатор?

8. Через какие сопротивления будет заряжаться и разряжаться конденсатор, включённый на выходе выпрямительного устройства, при входном синусоидальном напряжении.

9. Что такое стабилитрон?

10. Что такое управляемый лавинный пробой p-n перехода?

11. При каких условиях возникает управляемый пробой стабилитрона, основанного на туннельном эффекте?

12. Нарисуйте вольтамперную характеристику стабилитрона.

13. Поясните принцип работы стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне.

14. Что такое варикап?

15. Как зависит емкость варикапа от приложенного к нему напряжения?

16. Почему варикапы используются только при одной полярности напряжения, приложенному к нему?

17. С какой целью могут быть использованы варикапы?

2.5. Биполярные транзисторы.

Все ранее рассмотренные нами цепи, состоящие из резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, диодов были пассивными, т.е. такими в которых входной электрический сигнал уменьшался на выходе. Это существенно ограничивает область применения таких цепей. Однако на основе полупроводниковых материалов могут быть изготовлены активные приборы, т.е. такие приборы, которые позволяют получать на выходе цепи электрические сигналы по мощности большие, чем входные. Наиболее распространёнными такими активными компонентами являются транзисторы. Рассмотрим устройство и принцип действия кремниевого биполярного транзистора n-p-n типа. При его изготовлении обеспечивается последовательное соединение трёх областей примесных полупроводников, как это показано на рис.2.22а.

Рис.2.22.Условное изображение структуры биполярного транзистора n-p-n типа а), его упрощённая эквивалентная схема для большого сигнала б), условное обозначение в электрических схемах в).

Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она эмитирует электроны), правая n-область называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является общей для эмиттерной и коллекторных областей полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером, коллектором и базой транзистора.

Как видно на рис.2.22а, биполярный транзистор представляет собой соединение двух p-n переходов, левый из которых называется эмиттерным, а правый – коллекторным. При воздействии на транзистор больших по величине сигналов р-n переходы транзистора при расчётах могут быть заменены двумя встречно включёнными диодами. Упрощенная эквивалентная схема в этом случае представлена на рис.2.22б, а на рис.2.22в представлено изображение биполярного транзистора в электрических схемах.

Приведённая на рис.2.22б упрощённая эквивалентная схема транзистора, состоящая из двух диодов, отнюдь не означает, что транзистор можно изготовить, соединив встречно два диода. Такая структура из двух диодов не будет обладать свойствами активного прибора. Изобретение американским учёным Шокли и его коллегами в 1948 году биполярного транзистора (это изобретение по многим опросам уверено входит в пятёрку самых выдающихся изобретений ХХ века) состояло в том, что два p-n перехода удалось соединить в один прибор при выполнении одновременно двух условий:

1. Проводимость эмиттерной области получилась существенно больше проводимости базовой области, т.е. концентрация электронов в эмиттерной зоне была много больше концентрации дырок в базовой зоне.

2. Толщина базовой области, т.е. расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами транзисторов удалось сделать достаточно малым (в современных биполярных транзисторах оно порядка 1 мкм).

Совпадение двух названных условий позволило создать биполярный транзистор – активный прибор, обеспечивающий получение на выходе электрического сигнала большего по мощности, чем входной.

Убедимся в этом. Для того, чтобы транзистор мог усиливать электрический сигнал, т.е. работать в активном режиме, эмиттерный переход транзистора нужно сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Это можно сделать, в частности, при включении транзистора по схеме с общей базой (рис.2.23). При этом источник Е_Э смешает эмиттерный переход в прямом направлении, а источник Е_К смещает коллекторный переход в обратном направлении. Эти два источника включены последовательно, причём их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой.

Рис.2.23. Включение транзистора по схеме с общей базой.

При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдёт эмиттерный ток I_Э. Этот ток будет состоять из потока электронов из эмиттерной области в базовую I_n и потока дырок из базовой области в эмиттерную I_p: I_Э=I_n+I_p. Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости слоя базы, т.е. количество основных зарядов в эмиттерной области – электронов будет много больше количества основных зарядов в базовой области – дырок, можно пренебречь током дырок I_p и считать, что I_ЭI_n.

Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своём движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника Е_К заставит их пройти сквозь р-n переход. Возникнет коллекторный ток I_К (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, т.к. коллекторный р-n переход закрыт с помощью источника Е_К). Меньшая часть электронов, попадающих в базу, не дойдёт до коллектора, т.к. электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок).

По первому закону Кирхгофа эмиттерный ток будет равен сумме коллекторного и базового токов:

I_Э=I_К+I_Б,

где I_Б – это ток дырок, которые будут рекомбинировать в базе с электронами. Следовательно, в образовании токов в транзисторе используются заряды обоих знаков, как отрицательные - электроны, так и положительные - дырки. По этой причине транзистор называется биполярным.

Положим, что I_К=αI_Э, где α – коэффициент передачи эмиттерного тока из цепи эмиттера в цепь коллектора. Из-за того, что эмитерный ток больше, чем поток электронов через эмиттерный переход, а электроны, проходящие через область базы, рекомбинируют в базе с дырками α‹1. Тогда из закона Кирхгофа следует, что I_К/α=I_К+I_Б и I_К=I_βα/(1-α)=βI_Б, где β=α/(1-α) - коэффициент усиления базового тока, т.к. при α›0,5, β›1.

Таким образом, если транзистор включить так, чтобы входным током был бы ток базы, коллекторный (выходной) ток получится в β раз больше (у современных транзисторов – элементов микросхем β≈100). Одной из схем, в которой входным током является ток базы, может быть схема включения транзистора с общим эмиттером (рис.2.24). Её отличие от схемы с общей базой состоит в том, что источник коллекторного напряжения присоединяется к коллектору и эмиттеру, а эмиттер подключается к общей шине питания источников Е_Б и Е_К.

Рис.2.24. Включение транзистора по схеме с общим эмиттером.

На рисунке 2.22 и 2.23 приведены условные изображения структуры n-p-n транзистора. Современные транзисторы имеют значительно отличающуюся внутреннюю структуру. На рис. 2.25 приведена упрощенная внутренняя структура современного биполярного n-p-n транзистора.

Рис.2.25. Упрощенная внутренняя структура современного n-p-n транзистора.

Транзистор изготавливается в приповерхностном слое полупроводника с помощью целого ряда технологических операций. Сначала на полупроводник p-типа, являющийся подложкой, с помощью специальной операции – эпитаксии наносится слой полупроводника n-типа. Затем с помощью локальной диффузии из газовой среды в полупроводник n-типа вводится акцепторная примесь так, чтобы концентрация акцепторной примеси оказалась много больше, чем концентрация донорной примеси в n-полупроводнике. В этом случае полупроводник n-типа превращается в полупроводник p-типа. Акцепторную примесь вводят так, чтобы окружить полупроводник n-типа c четырех сторон полупроводником p-типа. При этом образуется n-карман, окруженный с пяти сторон полупроводником p-типа(4 боковые стенки, а снизу p-подложка). Полученный n-карман является областью коллектора. Затем с помощью другой локальной диффузии в n-карман снова вводится акцепторная примесь и образуется p-полупроводник – область базы. В образовавшуюся область базы опять с помощью локальной диффузии вводят донорную примесь, таким образом, чтобы образовалась новая область n-полупроводника – эммитерная область, причем расстояние между областями коллектора и эммитера должно быть малым (~1 мкм). Образовавшийся в приповерхностном слое полупроводника n-p-n транзистор защищают от влияния внешней среды окислом кремния SiO₂. Для соединения областей эммитера, базы и коллектора с внешним корпусом в пленке SiO₂ с помощью локального травления делают отверстия, через которые на поверхность кристалла напыляют металлические пленки. Эти металлические пленки соединяются с контактными площадками на краю полупроводникового кристалла. К контактным площадкам привариваются тонкие металлические проводки, которые другими концами привариваются к внешним выводам корпуса. Так образуются выводы транзистора: эмиттер, база, коллектор.

Следует отметить, что при такой кратко описанной технологии проводимость слоя эмиттера получается существенно выше, чем проводимость слоя базы. Это является одним из условий, при котором α → 1, а β получается близкой к 100.

В современной электронике используют и другой тип биполярных транзисторов: p-n-p. В этом случае эмиттерная и коллекторная области представляют собой примесные полупроводники р-типа, а базовая область полупроводник n-типа. В схемах изображение транзистора p-n-p типа отличается от изображения транзистора n-p-n типа направлением стрелки в эмиттерном выводе (рис.2.26).

Рис.2.26. Изображение транзистора p-n-p типа.

Для того, чтобы p-n-p транзистор усиливал сигналы, полярности приложенных к переходу напряжений должны быть по сравнению с транзистором n-p-n типа изменены на противоположные.