Вопрос 3 – Основные виды полупроводниковых диодов: выпрямительный, стабилитрон, варикап. Их характеристики и параметры.

Прямое включение

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.6, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Рис.2.6. Электронно-дырочный переход

при прямом напряжении

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами Е_ки Е_пр. Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, то есть высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-п-переход из п- и р-областей

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Применение термина «инжекция» необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются свободные электроны в вакууме или разреженном газе. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областьюили эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областьюили базой.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_np < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (единицы — десятки Ом).

Энергетическая диаграмма р-п-перехода при прямом смещении (рис. 2.8) строится и в этом случае, начиная с уровня Ферми, но в р-области его следует опустить на величину приложенного напряжения U. В каждой из областей относительное положение энергетических уровней не изменится.

Рис. 2.8. Энергетическая диаграмма при прямом включении p‑n-перехода

2.2.6. Обратное включение р-n-перехода

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным — к области р (рис. 2.9, а). Под действием такого обратного напряжения и_обр через переход протекает очень небольшой обратный ток i_o6p, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов.

Рис. 2.9. Электронно-дырочный переход

при обратном напряжении

На рис. 2.9, а это показывают одинаковые направления векторов Е_к и Е_обр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна и_к + и_обр (рис. 2.9, б). Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, то есть i_диф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на р-п-переход из п- и р-областей.

Выведение неосновных носителей через р-п-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда(слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).

Таким образом, обратный ток i_o6p представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико.

Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает,

и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.

Рис. 2.10. Энергетическая диаграмма при обратном

включении p-n-перехода

Вопрос 2 – Теоретическая и реальная вольт-амперные характеристики р-п перехода. Пробой р-п перехода

Теоретическая вольт-амперная характеристика

р-n-перехода

Вольт-амперная характеристика представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p-n-перехода от величины и полярности напряжения, прикладываемого к нему. Этна зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения вольт-амперной характеристике. Для облегчения расчетов обычно выбирают упрощенную модель реального p-n-перехода, то есть идеальный p-n-перехода.

p-n-переход считается идеальным при следующих условиях:

1) в обедненном слое нет генерации, рекомбинации и рассеяния носителей; носители проходят через обедненный слой мгновенно, то есть токи носителей одного знака на обеих границах одинаковы;

2) вне обедненного слоя нет электрического поля, здесь носители движутся только вследствие диффузии; сопротивление нейтральных областей пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением обедненного слоя; уровень инжекции низкий;

3) границы p-n-перехода плоские, носители движутся только в направлении перпендикулярном этим границам, краевые эффекты не учитываются, то есть p-n-переход плоскопараллелен, бесконечной протяженности;

4) внешние области за границами p-n-перехода электрически нейтральны, заряд инжектированных неосновных носителей быстро нейтрализуется основными носителями, поступающими из внешней цепи. Толщина нейтральных областей много больше диффузионной длины неосновных носителей в этих областях.

ВАХ p-n-перехода, описываемая соотношением (2.33), приведена на рис. 2.13.

Рис. 2.13. Вольт-амперная характеристика идеального

p-n-перехода

Как следует из соотношения (2.33) и рис. 2.13, вольт-амперная характеристика идеального p-n-перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n-перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n-перехода – дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.

2.2.8. Вольт-амперная характеристика реального

р-n-перехода

При выводе теоретической вольт-амперной характеристики учитывались только явления инжекции и экстракции носителей и их диффузия в нейтральных областях, прилегающих к р-n-переходу.

Реальная (экспериментальная) статическая вольт-амперная характеристика р-n-перехода отличается от теоретической из-за того, что при выводе теоретической вольт-амперной характеристики не учитывался ряд факторов, таких, как

- наличие омического сопротивления эмиттерной и базовой областей кристалла, а также контактов и выводов;

- протекание процессов генерации и рекомбинации носителей в переходе;

- наличие токов утечки по поверхности кристалла;

- возникновение различных видов пробоя перехода при больших обратных напряжениях и др.

Рис. 2.16. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода:

----- - идеальная; ^_______ -реальная

Вольт-амперную характеристику р-п-перехода при прямом включении можно условно разделить на 3 участка в соответствии с величиной протекающего тока:

1 - область малых токов. На этом участке реальная характеристика расположена ниже идеальной, рост тока замедлен из-за рекомбинации дырок и электронов в реальном р-п-

перехода;

2 – область средних токов. На этом участке реальная и идеальная характеристики совпадают;

3 - область больших токов. На этом участке реальная характеристика расположена ниже идеальной, так как существенно увеличивается падение напряжения в объеме полупроводника.

Реальный обратный ток через р-п-переход намного превышает тепловой ток теоретической вольт-амперной характеристики и характеризуется суммой токов:

- тепловой ток;

- ток термогенерации в обратно смещенном переходе;

- ток утечки.

При большом обратном напряжении - напряжение пробоя, величина которого зависит от концентрации примесей в полупроводнике и температуры, наступает пробой р-п-перехода. Различают электрический пробой (участок 4) и тепловой пробой (участок 5).

Пробой р-п-перехода

При повышении обратного смещения, приложенного к переходу, можно обнаружить явление, при котором небольшое изменение напряжения приводит к резкому возрастанию тока. Если при этом величина тока не ограничена добавочным сопротивлением, то р-п-переход может быть нарушен. Это явление называется пробоем электронно-дырочного перехода. Резкое увеличение дифференциальной проводимости р-п-перехода при достижении обратным напряжением критического значения называется пробоем р-п-перехода. Различают три основных механизма пробоя:

1) лавинный, связанный с лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот пробой характерен для р-п-переходов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя составляет десятки или сотни вольт;

2)туннельный,обусловленный туннельным эффектом. Сущность последнего состоит в том, что при поле напряженностью более 10⁵ В/см, действующем в р-п-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт;

3) тепловой пробой возникает из-за нарушение устойчивости теплового режима р-п-перехода. Это означает, что количество теплоты, выделяющейся в переходе от нагрева его обратным током, превышает количество теплоты, отводимой от перехода. В результате температура перехода возрастает, сопротивление его уменьшается и ток увеличивается, что приводит к перегреву перехода и его тепловому разрушению.

Лавинный и туннельныйпробой- два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу. Электрический пробой является обратимым, то есть при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушения структуры вещества). Поэтому работа р-п-перехода в режиме электрического пробоя допустима. Тепловой пробой необратим, так как он сопровождается разрушением структуры вещества в месте р-п-перехода.

Лавинный пробой электронно-дырочного перехода обусловлен эффектом лавинного размножения носителей заряда в электрическом поле обратно-смещенного перехода. Лавинное размножение носителей при обратном напряжении на р-п-перехода происходит в результате ударной ионизации атомов полупроводника. Носители заряда получают энергию от электрического поля и расходуют ее на генерацию новых пар и взаимодействие с решеткой. При лавинном размножении происходит увеличение токов электронов и дырок в М раз, где М – коэффициент размножения. Условие лавинного пробоя для большинства электронно-дырочных переходов записывается в виде

, (2.49)

Вольт-амперные характеристики р-п-перехода на участке лавинного пробоя имеют следующий вид (рис. 2.18): для лавинного пробоя характерен рост обратного тока при практически неизменном напряжении. Напряжение лавинного пробоя с повышением температуры увеличивается (рис. 2.18). С ростом температуры увеличивается число столкновений носителей с атомами решетки, а средняя длина свободного пробега уменьшается. Носители набирают меньшую скорость, интенсивность ударной ионизации уменьшается, и ток умножения носителей заряда падает.

Рис. 2.18. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

при лавинном пробое для разных температур

Туннельный пробой, или зиннеровский эффект, основан на механизме туннельного прохождения тока через электронно-дырочный переход.

Туннельный пробой происходит в очень тонких p-n-переходах, что возможно при очень высокой концентрации примесей (порядка 10¹⁹ см^-3), когда ширина перехода становится малой (порядка 0,01 – 0.02 мкм) и при небольших значениях обратного напряжения (несколько вольт), когда возникает большой градиент электрического поля. Высокое значение напряженности электрического поля, воздействуя на атомы кристаллической решетки, повышает энергию валентных

электронов и приводит к их туннельному «просачиванию» сквозь «тонкий» энергетический барьер (рис. 2.20) из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области. Причем «просачивание» происходит без изменения энергии носителей заряда.

р п р п

Е_F

Е_с Е_F

Е_с

Е_v

Е_v

Рис. 2.20. Зонная диаграмма тонкого p-n-перехода:

а – отсутствие напряжения; б - при обратном напряжении

Для туннельного пробоя также характерен резкий рост обратного тока при практически неизменном обратном напряжении. Возрастание туннельного тока в области пробоя происходит при некоторой критической напряженности электрического поля.

Величина напряжения пробоя зависит от температуры перехода (рис. 2.21), причем для туннельного механизма пробоя рост температуры уменьшает напряжение пробоя в отличие от лавинного. С повышением температуры у большинства полупроводников ширина запрещенной зоны уменьшается. Следовательно, при этом уменьшается и толщина потенциального барьера при той же напряженности электрического поля, что приводит к увеличению вероятности туннелирования носителей сквозь потенциальный барьер. Поэтому пробивное напряжение при туннельном пробое уменьшается с увеличением температуры.

Рис. 2.21. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

при туннельном пробое для разных температур

Тепловой пробой- это пробой, при котором увеличение тока происходит за счет разогрева перехода. Тепловой пробой имеет место в р-п-переходах с плохим теплоотводом, поскольку при этом в электронно-дырочном переходе выделяется больше тепла, чем отводится. Мощность рассеяния в переходе Р_рас = J_обр×U_обр, где J_обр и U_обр – соответственно обратный ток и напряжение. Отводимая от перехода мощность Р_отв = (Т_П – Т_К)/R_Т, где Т_П – температура перехода; Т_К – температура корпуса; R_Т – тепловое сопротивление на участке р-п-переход – корпус. Условие теплового пробоя: .

Вольт-амперная характеристика р-п-перехода в области теплового пробоя имеет вид, приведенный на рис. 2.22.

Рис. 2.22. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

при тепловом пробое для разных температур

С ростом тока напряжение на р-п-переходе сначала возростает, а затем начинает уменьшаться. На кривой может быть два экстремума максимум и минимум. Между ними находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, то есть с уменьшением напряжения ток увеличивается. Этот участок объясняется тем, что с увеличением выделяемой мощности увеличивается температура, а, следовательно, увеличивается ток и выделяемая мощность. С увеличением температуры напряжение пробоя уменьшается, так как увеличивается обратный ток насыщения.

Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Вольт-амперная характеристика такого диода, приведенная на рис. 4.4, а, имеет ярко выраженную нелинейность и описывается уравнением

. (4.2)

В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю:

. (4.3)

Рис. 4.4. Выпрямительный диод:

а – вольт-амперная характеристика;

б - конструкция корпуса

В качестве полупроводниковых материалов для выпрямительных диодов используют германий и кремний. В выпрямительных диодах используются плоскостные несимметричные p-n-переходы, причем для германиевых диодов они создаются главным образом сплавным способом, а для кремниевых – сплавным и диффузионным. Для выпрямительных диодов характерно, что они имеют малые сопротивления в проводящем состоянии, поэтому позволяют пропускать большие токи. Так как площадь p-n-перехода большая, то барьерная емкость этих диодов будет большой, достигая значений десятков пикофарад.

Вольт-амперные характеристики германиевых и кремниевых диодов одинаковой конструкции различаются между собой. На рис. 4.5 для сравнения показаны характеристики германиевого (рис. 4.5, а) и кремниевого (рис. 4.5, б) диодов, имеющих одинаковую конструкцию и предназначенных для работы в одном и том же диапазоне токов и напряжений. Поскольку ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия, то обратный ток кремниевых диодов значительно меньше. Кроме того, обратная ветвь характеристики кремниевых диодов не имеет явно выраженного участка насыщения, что обусловлено генерацией носителей зарядов в р-п-переходе и токами утечки по поверхности кристалла.

Рис. 4.5. Вольт-амперные характеристики выпрямительных диодов

На характеристики диодов существенное влияние оказывает температура окружающей среды. С ростом температуры становится интенсивнее генерация носителей зарядов и увеличиваются обратный и прямой токи диода.

Для приближенной оценки можно считать, что с увеличением температуры на 10 °С обратный ток германиевых диодов возрастает в два, а кремниевых – в два с половиной раза.

Полупроводниковые выпрямительные диоды обычно характеризуются следующими основными параметрами:

- постоянный обратный ток I_обр (мкА; мА) при некоторой величине постоянного обратного напряжения U_обр;

- постоянное прямое напряжение при постоянном прямом токе I_пр (мА; А).

. (4.4)

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

.

Варикапы

Варикап– это полупроводниковый диод, который используется в качестве электрически управляемой емкости.

В варикапах используется свойство барьерной емкости обратно-смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Барьерная емкость p-n-перехода равна емкости плоского конденсатора:

,

Основные параметры варикапа: номинальная (начальная) емкость С_ном; добротность Q_в, коэффициент перекрытия по емкости К_с и температурный коэффициент емкости (ТКЕ) a_Св.

Номинальная емкость варикапа С_ном – барьерная емкость p-n-перехода при заданном напряжении смещения и составляет от долей пФ до сотен пФ.

Коэффициент перекрытия по емкости К_с – отношение емкости варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений:

.

Добротность Q_в – отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала Х_с к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения.

Как правило, варикапы работают в диапазоне высоких и сверхвысоких частот (f > 1 МГц), для которых

,

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) a_Св – отношение относительного изменения емкости к вызывающему его абсолютному изменению температуры окружающей среды, т.е., другими словами относительное изменение емкости при изменении температуры окружающей среды на 1 градус:

. (4.13)

Для кремниевых варикапов с резким p-n-переходом ТКЕ имеет значение порядка 5·10^–4 град^–1 при |U| = 4 В. С усилением зависимости емкости варикапа от напряжения, а также при понижении U_мин ТКЕ возрастает и при U = 1 В может достигать 5·10^–3 град^–1.

Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок обусловливается электрическим пробоем p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рис. 4.9, а. Подобной вольт-амперной характеристикой обладают сплавные диоды с базой, изготовленной из низкоомного полупроводникового материала.

Рис. 4.9. Вольт-амперная характеристика (а)

и конструкция корпуса (б) стабилитрона

Основными электрическими параметрами стабилитрона являются (в скобках даны их типовые значения):

- напряжение стабилизации U_ст – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – сотни вольт);

- ток стабилизации I_ст – номинальное значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации (несколько мА – несколько А);

- разброс величины напряжения стабилизации DU_cт при протекании заданного тока стабилизации (несколько единиц процента);

- дифференциальное или динамическое сопротивление r_ст, которое определяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как

. (4.14)

Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Величина r_ст колеблется в пределах от 1 до 1000 Ом;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКU_ст – относительное изменение напряжения стабилизации DU_ст / U_ст к изменению температуры окружающей среды на DТ, т.е. при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока стабилизации (плюс - минус сотые – тысячные доли процента на градус):

, [%/град]. (4.15)

Кроме того, для стабилитронов существуют следующие предельно-допустимые параметры:

- максимально-допустимый ток стабилизации в диапазоне температур I_{ст. макс} (десятки мА – единицы А);

- минимальный ток стабилизации в диапазоне температур I_{ст. мин} (от 1 – 3 мА);

- максимально-допустимая мощность в диапазоне окружающей температуры Р_макс (от нескольких милливатт до нескольких ватт);

- полное тепловое сопротивление стабилитрона R_Тn-с, т.е. тепловое сопротивление переход–среда:

[^oC/Вт], (4.16)

где Т_с, Т_n – температура среды и перехода соответственно. Разброс по R_Тn-с составляет от десятков до сотен градусов на ватт.

Схемы включения транзистора

Различают три схемы включения транзистора в зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входного и выходного сигналов (рис. 5.4): с общей базой (ОБ); с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Первый закон Кирхгофа применительно к транзистору дает равенство

, (5.1)

то есть ток эмиттера в транзисторе распределяется между базой и коллектором.

В этих схемах источники постоянного напряжения и резисторы нагрузки обеспечивают режимы работы транзисторов по постоянному току.

Рис. 5.4. Основные схемы включения транзисторов

Для схем с ОБ входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. Так как эмиттерный переход находится в открытом состоянии, то входное сопротивление схемы – сопротивление эмиттер–база (R_вх = U_вх / I_вх) будет малым (единицы – десятки Ом).

Для схемы с ОЭ входным током является базовый ток, а выходным током коллекторный. Входное сопротивление в этой схеме будет примерно на два порядка больше, чем в схеме с ОБ:

.

Для схемы с ОК входным током является ток базы, а выходным током служит ток эмиттера. Тогда коэффициент усиления по току К_I = DI_э/[DI_э(1–a)] = 1/(1–a) будет наибольший. Входное сопротивление транзисторов в схеме с ОК

В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция

Транзисторов

Рис. 5.9. Схема трехполюсника, включенного как четырехполюсник

Наиболее распространенными системами статических вольт-амперных характеристик биполярных транзисторов являются:

- семейство входных характеристик I₁ = f(U₁) при U₂ = const;

- семейство выходных характеристик I₂ = f(U₂) при I₂ = const.

Рис. 5.10. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик p-n-p-транзистора в схеме с ОБ

Рис. 5.11. Семейство входных (а) и выходных (б) характеристик p-n-p-транзистора в схеме с ОЭ

Дифференциальные параметры

биполярных транзисторов в схеме с общей базой

Основными величинами, характеризующими параметры биполярного транзистора, являются коэффициент передачи тока эмиттера α, сопротивление эмиттерного (r_э) и коллекторного (r_к) переходов, а также коэффициент обратной связи эмиттер – коллектор μ_эк.

Дифференциальным коэффициентом передачи тока эмиттера называется отношение приращения тока коллектора к вызвавшему его приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе:

. (5.23)

Коэффициент передачи эмиттерного тока a характеризует изменение коллекторного тока J_к при вызвавшем его изменении эмиттерного тока J_э. Ток коллектора обусловлен дырками, дошедшими от эмиттерного перехода до коллекторного.

, (5.24)

где – коэффициент инжекции, или эффективность эмиттера, – коэффициент переноса.

Сопротивление эмиттерного перехода определяется как отношение изменения напряжения на эмиттере к изменению тока эмиттера при постоянном токе коллектора:

. (5.25)

Сопротивление коллекторного перехода определяется как отношение изменения напряжения на коллекторе к изменению тока коллектора при постоянном токе эмиттера:

. (5.26)

Коэффициентом обратной связи называется отношение приращения напряжения на эмиттере к приращению напряжения на коллекторе при постоянном токе через эмиттер:

. (5.27)

МДП-транзисторы

Ко второй группе полевых транзисторов относятся приборы с изолированным затвором, так называемые МДП-транзисторы. У МДП-транзисторов в отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом металлический затвор изолирован от полупроводника слоем диэлектрика и имеется дополнительный вывод от кристалла, на котором выполнен прибор, называемый подложкой (рис. 7.5).

МДП-транзисторы по способу образования канала подразделяются на транзисторы со встроенным каналом (канал создается при изготовлении) и с индуцированным каналом

(канал возникает под действием напряжения, приложенного к управляющим электродам).

Существенным преимуществом МДП-транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений более 10⁴ МОм вместо более 10 МОм у транзисторов с управляющим p-n-переходом.

Рис. 7.5. МДП-транзистор с каналом p-типа:

а – планарный транзистор со встроенным каналом; б - геометрические размеры канала; в – планарный транзистор с индуцированным каналом; 1 – диэлектрик; 2 – канал

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл – диэлектрик – полупроводник (МДП) является эффект поля. Напомним, что эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника.

МДП-транзисторы могут быть с р- и n-каналами. Условные графические обозначения МДП-транзисторов показаны на рис. 7.7. Стрелка, направленная во внутрь круга, указывает на n-тип канала; стрелка из круга - на канал p-типа.

г

в

б

а

Рис. 7.7. Условные графические обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом (а, б) и с индуцированным каналом (в, г)

Основные параметры МДП-транзисторов и их ориентировочные значения следующие:

а) крутизна характеристики. Крутизна переходной характеристики S характеризуется изменением тока стока при единичном увеличении напряжения на затворе при постоянном напряжении на стоке и определяется как

при U_СИ = const. (7.3)

Обычно S = 0,1 - 500 мА/В;

б) внутреннее сопротивление R_i характеризует изменение напряжения в выходной цепи, необходимое для единичного увеличения тока стока при неизменном напряжении на затворе и определяется как

; (7.4)

в) коэффициент усиления μ характеризуется изменением напряжения в выходной цепи при единичном изменении напряжения во входной и неизменном токе стока и определяется как

. (7.5)

г) начальный ток стока I_{С нач} – ток стока при нулевом напряжение U_ЗИ у транзисторов со встроенным каналом I_{С нач} = 0,1 - 100 мА; с индуцированным каналом I_{С нач} = 0,01 - 0,5 мкА;

д) напряжение отсечки U_{ЗИ отс} = 0,2 - 10 В;

е) пороговое напряжение U_{ЗИ пор} = 1 - 6 В;

ж) сопротивление сток–исток в открытом состоянии R_{СИ отк} = 2 - 300 Ом;

з) максимальный ток стока I_{С мах} = 10 мА - 0,3 А;

и) максимальная частота усиления f_мах – частота, на которой коэффициент усиления по мощности К_P равен единице; f_мах – десятки – сотни МГц.

Эффективность светодиода

Эффективность светодиода h представляет собой его КПД и связана с внешним квантовым выходом элект-ролюминесценции h_е соотношением

(3.1)

где — энергия фотона, соответствующая максимуму спектра излучения, U_раб — приложенное внешнее напряжение.

Рассмотрим сначала светодиод в виде прямоугольного параллелепипеда с плоским р-п-переходом, как показано на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схематическое изображение плоского светодиода

Спонтанное излучение генерируется в активной области вблизи р-п-перехода и испускается изотропно во все направления. Значение внешнего квантового выхода h_е будет определяться внутренним квантовым выходом люминесценции h_i, коэффициентом инжекции h_I и оптической эффективностью вывода света h_o:

h_{е =}h_ih_Ih_o. (3.2)

Проанализируем вклад в общую эффективность каждого из входящих в (3.2) сомножителей.

1. Внутренний квантовый выходлюминесценции h_i определяется соотношением вероятностей излучательной и безызлучательной рекомбинации и зависит от особенностей зонной структуры полупроводника, типа легирующих примесей и их концентрации, а также от степени совершенства материала.

2. Коэффициент инжекции h_I. Как правило, излучательная рекомбинация преобладает в одной из областей (р или п), прилегающих к р-п-переходу. Поэтому р-п-переход в светодиоде должен обеспечить преимущественную инжекцию неосновных носителей заряда в ту область, где h_i максимален.

3. Коэффициент вывода света h_о. Он определяется процессами распространения света в активном материале, его отражением и поглощением на границах раздела, в том числе процессами полного внутреннего отражения. Величина h_о представляет собой оптическую эффективность вывода наружу излучения, генерируемого в активной области светодиода. Для оцен

Полупроводниковые лазеры