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 Unp при заданном прямом токе ;
максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max, при котором диод еще может нормально работать длительное время;
постоянный обратный ток , протекающий через диод при обратном напряжении, равном Uo6p 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 QB 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 UВХ 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 Uст;
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 UCT < 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 Ua (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 Unp;
время включения tвкл;
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 Iс, 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 U3И = 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.