Глава 2. полупроводниковые диоды и транзисторы

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним электрическим пе­реходом и двумя выводами. Они применяются для выпрям­ления переменного тока, детектирования переменных ко­лебаний, преобразования СВЧ колебаний в колебания промежуточной частоты, стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и т. д. По назначению полупро­водниковые диоды делятся на выпрямительные, высоко­частотные, варикапы, стабилитроны и др.

Выпрямительные диоды.Выпрямительные полупро­водниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Основу современных выпрямительных диодов состав­ляет электронно-дырочный переход (ЭДП), который по­лучают методом сплавления или диффузии. В качестве материала применяется германий или кремний.

Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используются ЭДП с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1—2 А/мм².

Такие диоды называют плоскостными. Конструкция плоскостного полупроводникового диода малой мощности приведена на рис. 2.1, а. Для улучшения отвода тепла в диодах средней ибольшой мощности к их корпусу приваривается винт, с помощью которого диоды крепятся к специальному радиатору или шасси (рис. 2.1, б).

Основной характеристикой выпрямительного диода является еговольт-амперная характеристика (ВАХ). Вид ВАХ зависит от материала полупроводника и темпе­ратуры (рис. 2.2, а и б).

Основными параметрами выпрямительных полупро­водниковых диодов являются:

постоянное прямое напряжение U_np при заданном пря­мом токе ;

максимально допустимое обратное напряжение U_{o6p max}, при котором диод еще может нормально работать дли­тельное время;

постоянный обратный ток , протекающий через диод при обратном напряжении, равном U_{o6p max};

средний выпрямленный ток , который может дли­тельно проходить через диод при допустимой темпера­туре его нагрева;

максимально допустимая мощность , рассеивае­мая диодом, прикоторой обеспечивается заданная на­дежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные ( ), средней мощности ( ) и большой мощности ( ). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

Маломощные выпрямительные элементы, представляю­щие собой последовательно соединенные выпрямительные полупроводниковые диоды, называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, в которых выпрямительные диоды соединяются по опреде­ленной (например, мостовой) схеме.

Выпрямительные полупроводниковые диоды способны работать на частотах 50... 10⁵ Гц (силовые диоды — на частотах 50 Гц), т. е. являются низкочастотными.

Высокочастотные диоды.К высокочастотным относятся полупроводниковые диоды, способные работать на час­тотах до 300 МГц. Диоды, работающие на частотах свыше 300 МГц, называют сверхвысокочастотными (СВЧ).

С ростом частоты увеличивается шунтирование диф­ференциального сопротивления обратно смещенного ЭДП зарядной емкостью. Это приводит к уменьшению обрат­ного сопротивления и ухудшению выпрямительных свойств диода. Так как значение зарядной емкости пропорцио­нально площади ЭДП, то для ее уменьшения необходимо уменьшать площадь ЭДП.

Малую площадь перехода имеют микросплавные дио­ды, но их. недостатком является накопление в базе не­основных носителей заряда, инжектируемых в нее при пря­мом включении диода. Это ограничивает быстродействие (частотный диапазон) микросплавных диодов.

Лучшим быстродействием обладают и, следовательно, более высокочастотными являются точечные диоды, спо­собные работать в диапазоне СВЧ. В их конструкции металлическая пружинка диаметром около 0,1 мм острием прижимается к кристаллу полупроводника. Материал пружинки подбирается таким, чтобы работа выхода элект­ронов из него была больше, чем из полупроводника. При этом на границе металл-полупроводник образуется запи­рающий слой, называемый барьером Шоттки — по имени немецкого ученого, исследовавшего это явление. Диоды, работа которых основана на использовании свойств барье­ра Шоттки, называются диодами Шоттки. В них электриче­ский ток переносится основными носителями заряда, вследствие чего отсутствуют явления инжекции и на­копления неосновных носителей заряда.

Высокочастотные и СВЧ диоды применяются для выпрямления высокочастотных колебаний (выпрямитель­ные), детектирования (детекторные), управления уровнем мощности (переключательные), умножения частоты (умножительные) и других нелинейных преобразований электрических сигналов.

Варикапы.Варикапами называют полупроводни­ковые диоды, действие которых основано на использо­вании зависимости емкости от обратного напряжения. Варикапы используются в качестве элемента с электри­чески управляемой емкостью.

Характер зависимости показан на рис. 2.3, а. Эту зависимость называют вольт-фарадной характеристикой варикапа. Основными параметрами

варика­пов являются:

номинальная емкость измеренная при заданном об­ратном напряжении ;

коэффициент перекрытия емкости Кс, определяемый отношением емкостей варикапа при двух значениях об­ратного напряжения;

максимально допустимое обратное напряжение ;

добротность Q_B определяемая как отношение реактив­ного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.

Полупроводниковые стабилитроны.Полупровод­никовым стабилитроном называют полупроводни­ковый диод, напряжение на котором сохраняется с опре­деленной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.

ВАХ стабилитрона показана на рис. 2.4, а, а услов­ное обозначение — на рис. 2.4, б.

Если ЭДП создать с двух сторон кремниевой пластины, то получится стабилитрон с симметричной ВАХ — сим­метричный стабилитрон (рис. 2.4, в).

Рабочим участком стабилитрона является участок электрического пробоя. При изменении тока, протекаю­щего через стабилитрон, от значения до значения . напряжение на нем мало отличается от значения На этом свойстве основано использование стабили­тронов.

Принцип работы стабилизатора напряжения на крем­ниевом стабилитроне (рис. 2.4, г) заключается в том, что при изменении напряжения U_ВХ изменяется ток, протекаю­щий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке R практически не меняется.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

напряжение стабилизации U_ст;

минимальный и максимальный токи ста­билизации;

максимально допустимая рассеиваемая мощность

дифференциальное сопротивление на участке стабили­зации ;

температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

У современных стабилитронов напряжение стабилиза­ции лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабили­зации от 1 мА до 2 А. Для стабилизации напряжений менее 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором. У стабисторов В. Путем последовательного соединения стабилитро­нов (или стабисторов) можно получить любое требуе­мое напряжение стабилизации.

Дифференциальное сопротивление на участке стаби­лизации примерно постоянно и для большинства стаби­литронов составляет 0,5...200 Ом. Температурный ко­эффициент напряжения может быть положительным (у стабилитронов с ) и отрицательным (у стаби­литронов с U_CT < 6 В) и для большинства стабилитронов находится в пределах (— 0,5... + 0,2) %/°С.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором (БТ) или просто транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими ЭДП и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Электронно-дырочные переходы образуются между тремя областями полупроводника с различными типами электропроводности. В соответствии с порядком чередо­вания р- и n-областей БТ подразделяются на транзисторы типа р— п — р и транзисторы типа п—р — п (рис. 2.5).

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область — эмиттером (Э), а другая — коллекто­ром (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе. У БТ типа п — р — п база имеет электропроводность р-типа, а эмиттер и коллектор — n-типа.

ЭДП, образованный между эмиттером и базой, на­зывают эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным.

Режимы работы транзистора.В зависимости от спо­соба подключения эмиттерного и коллекторного ЭДП к источникам питания биполярный транзистор может работать в одном из четырех режимов: отсечки, насы­щения, активном и инверсном.

Эмиттерный и коллекторный ЭДП в режиме отсечки (рис. 2.6, а) смещаются в обратном, а в режиме насы­щения (рис. 2.6, 6) — в прямом направлениях. Кол­лекторный ток в этих режимах практически не зависит от напряжения и тока эмиттера.

Режимы отсечки и насыщения используются при ра­боте БТ в импульсных и ключевых устройствах.

При работе транзистора в активном режиме его эмит-терный переход смещается в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. 2.6, в).

Под действием прямого напряжения 11эь в эмиттерной цепи протекает ток , создающий токи коллектора и базы , так что

Коллекторный ток содержит две составляющие: управляемую , пропорциональную току эмит­тера, и неуправляемую , создаваемую дрейфом не­основных носителей через обратно смещенный кол­лекторный переход. Коэффициент пропорциональности называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера. Для большинства современных БТ и более.

Ток базы включает в себя рекомбинационную со­ставляющую , обусловленную электронами, посту­пающими в базу для компенсации положительного за­ряда рекомбинирующих в базе дырок, и неуправляемую составляющую коллекторного тока , так что

При использовании БТ в качестве усилительного элемента один из выводов должен быть общим для вход-ной и выходной цепей. В схеме, приведенной на рис. 2.6, в, общим электродом является база. Такую схему включе­ния БТ называют схемой с общей базой (ОБ) и обычно изображают так, как показано на рис. 2.7, а. Кроме схемы ОБ, на практике также применяются схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).

В схеме ОЭ (рис. 2.7, б) связь между выходным и входным токами определяется уравнением

Коэффициент называется статическим коэффициент-том передачи тока базы. Он связан с коэффициентом соотношением

При значения находятся в пределах 19...99.

Составляющая представляет собой обратный (неуправляемый) ток коллектора в схеме ОЭ. Этот ток связан с обратным током в схеме

ОБ соотношением

Из соотношения (2.4) следует, что обратный ток кол­лектора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Это означает, что изменение температуры в схеме ОЭ в большей степени влияет на изменение токов (а значит, и на изменение статических характеристик и параметров), чем в схеме ОБ. Это один из недостатков включения БТ по схеме ОЭ.

При включении БТ по схеме ОК. (рис. 2.7, в) связь между выходным и входным токами определяется соотношением

Из сравнения выражений (2.2) и (2.5) следует, что зависимости между входными и выходными токами БТ в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы. Это позволяет для расчета схем ОЭ и ОК использовать одинаковые характеристики и параметры.

Инверсный режим отличается от активного противо­положной полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному ЭДП.

Статические характеристики.Статические характери­стики выражают сложные связи между токами и напря

жениями электродов транзистора и зависят от способа его включения.

На рис. 2.8, а показано семейство входных характе­ристик БТ типа n — р — n, включенного по схеме ОЭ, кото­рые выражают зависимость при . При входная характеристика представляет собой

прямую ветвь ВАХ эмиттерного ЭДП. При положитель­ном напряжении коллектора входная характеристика смещается вправо.

Выходные характеристики (рис. 2.8, б) отражают за­висимость при . Крутой участок характеристик соответствует режиму насыщения, а поло­гий — активному режиму. Зависимость между коллектор­ным и базовым токами на пологом участке определяется выражением (2.2).

Малосигнальные параметры статического режима.При работе транзистора в усилительном режиме его свойства определяются малосигнальными параметрами, для которых транзистор можно считать линейным эле­ментом. На практике наибольшее применение получили малосигнальные гибридные или h-параметры. Токи и напряжения при малых амплитудах переменных состав­ляющих в системе h-параметров связаны следующими соотношениями:

— входное сопротивление;

— коэффициент обратной связи по напряжению

- коэффициент прямой передачи по току;

- выходная проводимость.

Параметры и измеряются в режиме короткого замыкания выходной цепи, а параметры и — в ре­жиме холостого хода входной цепи. Эти режимы легко реализуются. Значения h-параметров зависят от способа включения транзистора и на низких частотах могут быть определены по статическим характеристикам. При этом амплитуды малых токов и напряжений заменяются при-ращениями. Так, например, при включении транзистора по схеме с ОЭ формулы для параметров и , опре­деляемых по входным характеристикам в точке А (рис. 2.8, а), записываются в виде:

Параметры и определяются по выходным (рис. 2.8, б) характеристикам по формулам:

Аналогично определяются -параметры при включе­нии транзистора по схеме с ОБ.

Малосигнальные параметры и соответственно называются коэффициентами передачи тока эмиттера и тока базы. Они характеризуют усилительные свойства транзистора по току для переменных сигналов, а их зна­чения зависят от режима работы транзистора и от частоты усиливаемых сигналов. Так, с увеличением частоты уменьшается модуль коэффициента передачи тока базы

. Частота, на которой уменьшается в раза по сравнению с его значением на низкой частоте, называется предельной частотой передачи тока базы и обозначается . Частота, на которой умень­шается до 1, называется граничной частотой БТ и обозна­чается . По значению граничной частоты транзисторы подразделяются на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который имеет три и более перехода и может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Тиристоры с двумя выводами называют диодными или динисторами, а с тремя выводами — триодными или тринисторами.

Динисторы.Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимися типами электропроводности , между которыми образуются три ЭДП. Крайние ЭДП являются эмиттер-ными, а средний — коллекторным. Область называют эмиттером или анодом, область — катодом.

Подключение анода динистора к положительному по­люсу внешнего источника , а катода — к отрицатель­ному соответствует прямому включению динистора. При обратной полярности напряжения источника имеет место обратное включение.

При прямом включении динистор можно представить в виде комбинации двух транзисторов р — n — р и n — р — n (рис. 2.9, а) с коэффициентами передачи эмиттерного тока и .

Ток , протекающий через динистор, содержит дыроч­ную инжекционную составляющую транзистора , электронную инжекционную составляю­щую транзистора и обратный ток кол­лекторного перехода, т. е.

откуда

Пока , динистор закрыт. При в динисторе развиваются процессы, приводящие к лавинообразному увеличению инжекционных составляющих тока и переключению коллекторного перехода в прямое направление. При этом сопротивление дини- стора резко уменьшается и падение напряжения на нем не превышает 1—2 В. Остальное напряжение источника падает на ограничительном резисторе (рис. 2.9, б).

При обратном включении динистора через него про- текает небольшой обратный ток.

Тринисторы.Тринистор отличается от динистора на- личнем дополнительного управляющего вывода от базо-вой области (рис. 2.10, а). Вывод может быть сделан от любой базы. Источник подключенный к этому выводу, создаёт

ток управления , который складывается с основным током. В результате переключение тринистора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем значении U_a (рис. 2.10, б).

В пятислойных структурах путем соответствующего выполнения крайних областей можно получить симметричную ВАХ (рис. 2.10, в). Такой тиристор называют симметричным. Он может быть диодным (диак) или триодным (триак).

Выключение тиристора осуществляется уменьшением (или прерыванием) анодного тока или изменением полярности анодного напряжения.

Рассмотренные тиристоры называются незапираемыми. Существуют также запираемые тиристоры, которые из открытого состояния в закрытое могут быть переведены изменением тока управляющего электрода. Они отли­чаются от незапираемых конструкцией.

Параметры тиристоров. Основными параметрами ти­ристоров являются:

напряжение включения ;

отпирающий ток управления ;

ток выключения ;

остаточное напряжение U_np;

время включения t_вкл;

время выключения ;

время задержки t₃;

максимальные скорости нарастания прямого напря­жения (du/dt)_max и прямого тока (di/dl)_max.

Тиристоры широко применяются в управляемых вы­прямителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное (инверторах), стабилизаторах напряжения,

в качестве бесконтактных переключателей, в электропри­водах, устройствах автоматики, телемеханики, вычисли­тельной техники и т. д.

Условные графические обозначения тиристоров по­казаны на рис. 2.11.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) — это полупроводни­ковый прибор, усилительные свойства которого обуслов­лены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал, и который управ­ляется электрическим полем.

Управляющий электрод, изолированный от канала, называют затвором. По способу изоляции затвора по­левые транзисторы делятся на три типа:

1) с управляющим р — n-переходом, или с р — т-за­твором;

2) с металлополупроводниковым затвором, или с затвором Шоттки;

3) с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с р— n-затвором.В полевом транзисторе с р— n-затвором (рис. 2.12) канал n-типа изолирован от подложки и затвора р—n-пере-

ходами, которые вследствие выполнения условия обра­зуются, в основном, в канале. При толщина кана­ла наибольшая, и его сопротивление минимальное. Если на затвор подать по отношению к источнику отрицательное напряжение , то р — n-переходы расширятся, тол­щина канала уменьшится, а его сопротивление возрастет. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения , то силой тока I_с, протекаю­щего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления канала с помощью напряжения, подавае­мого на затвор. На этом принципе и основана работа ПТ с р — n-затвором.

Основными статическими характеристиками ПТ с р — n-затвором являются передаточные (сток-затворные) и выходные (стоковые) характеристики (рис. 2.13).

Напряжение затвора, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока уменьшается до десятых долей микроампера, называют напряжением отсечки и обозна­чают .

Ток стока при U_3И = 0 называют начальным током стока.

Выходные характеристики содержат крутую, или оми­ческую, и пологую области. Пологая область называется также областью насыщения или областью перекрытия канала.

Ток стока, протекая через канал, создает на его рас­пределенном сопротивлении падение напряжения, которое увеличивает обратные напряжения канал-затвор и ка­нал-подложка, что приводит к уменьшению толщины канала. Наибольшего значения обратные напряжения достигают у границы со стоком, и в этой области сужение канала оказывается максимальным (рис. 2.12). При некотором значении напряжения происходит смыка­ние обоих р— n-переходов в области стока и перекрытие канала. Такое напряжение стока называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения ( ). При подаче на затвор обратного напряжения происходит до­полнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения .

Полевые транзисторы с затвором Шоттки.В ПТс за­твором Шоттки управление сопротивлением канала осу­ществляется изменением под действием напряжения за­твора толщины выпрямляющего перехода, образованного на границе между металлом и полупроводником. По сравнению с р — n-переходом выпрямляющий переход металл — полупроводник позволяет существенно умень­шить длину канала: до 0,5...1 мкм. При этом значительно уменьшаются и размеры всей структуры ПТ, вследствие чего ПТ с барьером Шоттки способны работать на более высоких частотах — до 50...80 ГГц.

Полевые транзисторы с изолированным затвором.Эти транзисторы имеют структуру металл — диэлект­рик — полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика исполь­зуется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом p-типа (рис. 2.14) области стока и истока р-типа образуют с n-областью подложки два встречно

включенных ЭДП, и при подключении к ним источника любой по­лярности ток в цепи будет отсутствовать. Если же на затвор относительно истока и подложки подать отрица­тельное напряжение, то при достаточном значении этого напряжения в приповерхностном слое полупроводника, расположенном под затвором, произойдет инверсия типа электропроводности и р-области стока и истока окажутся соединенными каналом р-типа. Такое напряжение затвора называют пороговым и обозначают . С увеличением отрицательного напряжения затвора увеличивается глу­бина проникновения инверсионного слоя в полупроводник, что соответствует увеличению толщины канала и умень­шению его сопротивления.

Передаточные и выходные характеристики МДП-тран-зистора с индуцированным каналом р-типа представлены на рис. 2.15. Падение напряжения на сопротивлении канала уменьшает напряжение между затвором

и каналом и толщину канала. Наибольшее сужение канала будет у стока, где напряжение оказывается наименьшим .

В МДП-транзисторах со встроенным каналом между областями стока и истока уже в стадии изготовления создается тонкий приповерхностный слой (канал) с та­ким же типом электропроводности, какую имеют сток и исток. Поэтому в таких транзисторах ток стока , называемый начальным, протекает и при .

Статические выходные и передаточные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа пока­заны на рис. 2.16.

Дифференциальные параметры ПТ.Кроме рассмотрен­ных выше параметров, свойства ПТ характеризуются дифференциальными параметрами: крутизной передаточ­ной характеристики, или крутизной ПТ; дифференци­альным сопротивлением и статическим коэффициентом усиления.

Крутизна ПТ при характе­ризует усилительные свойства транзистора и для мало­мощных транзисторов обычно составляет несколько мА/В.

Дифференциальное сопротивление при представляет собой сопротивление канала ПТ переменному току.

Крутизну ПТ можно определить по статическим вы­ходным или передаточным характеристикам (рис. 2.16) на основании выражения

а дифференциальное сопротивление — по выходным ха­рактеристикам в соответствии с выражением

Статический коэффициент усиления при обычно рассчитывается по формуле .

Условные графические обозначения полевых тран­зисторов показаны на рис. 2.17.

Полевые транзисторы используются в усилителях с большим входным сопротивлением, ключевых и логи­ческих устройствах, а также в управляемых аттенюато­рах в качестве элемента, сопротивление которого изме­няется под действием управляющего напряжения.