Внешнего электрического поля

Наибольший практический интерес представляет случай, когда равновесие p-n перехода нарушается подачей внешнего напряжения.

Если внешнее напряжение приложено минусом к p области и плюсом к n области (рис. 18.5, а), то оно совпадает с контактной разностью потенциалов ∆j₀. Это приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое, увеличению сопротивления этого слоя и росту потенциального барьера до значения

∆φ₁ = ∆j₀ + U_обр. (18.8)

Диффузия основных носителей через p-n переход уменьшается, а при определенном значении U_обр может полностью прекратиться. Такое напряжение называется обратным. Обратным называют и включение p-n перехода. При обратном включении поле p-n перехода втягивает все подошедшие к нему собственные носители, и через переход протекает только обратный ток I_о. Так как число собственных носителей (дырок в n области и электронов в p области) мало, то величина обратного тока I_о значительно (на несколько порядков) меньше диффузионного и зависит только от температуры.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к р области и минусом к n области (рис. 18.6, а), то оно направлено встречно контактной разности потенциалов ∆j₀, поэтому высота потенциального барьера уменьшается до значения ∆φ₂ = ∆φ₀ – U_пр (рис. 18.6, б). Такое напряжение называют прямым, а при подаче его на переход говорят, что переход включен (смещен) в прямом направлении.

В результате снижения контактной разности потенциалов в переходе запирающий слой обогащается подвижными носителями, сопротивление его уменьшается. Это приводит к увеличению диффузионного тока, причем, значение тока связано с напряжением на переходе экспоненциальной зависимостью

, (18.9)

где U – напряжение на p-n переходе.

Обратный ток по - прежнему не зависит от приложенного напряжения, определяется только количеством собственных носителей и протекает в противоположном направлении. Результирующий ток называется прямым током p-n перехода и определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов:

. (18.10)

Таким образом, p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Чем больше прямое напряжение U_пр, прикладываемое к переходу, тем ниже потенциальный барьер, тем меньше сопротивление перехода, тем больше ток основных носителей через переход. Зависимость тока p-n перехода от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой. Вольт - амперная характеристика, построенная по (18.10), приведена на рис. 18.7. Так как тепловой потенциал φ_Т при температуре 300 К равен 25мВ, то уже при U = 0,1В можно считать, что

.

Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов ∆φ₀, т. е. измеряется долями вольта. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n перехода. Пробой возникает при достаточно большом (десятки вольт) обратном напряжении U_m за счет лавинного размножения собственных носителей и называется лавинным пробоем. Если ток лавинного пробоя не ограничен, то при некотором его значении I_{t пр} происходит тепловой пробой. Тепловой пробой разрушает p-n переход.

Вольт – амперная характеристика позволяет определить статическое сопротивление R_ст p-n перехода в любой заданной точке. Например, для точки А значение R_ст = U₁/I₁. Дифференциальное сопротивление R_диф можно определить, воспользовавшись выражением (18.10). Для этого сначала определим дифференциальную проводимость:

,

а затем сопротивление:

(18.11)

Полупроводниковый p-n переход обладает емкостью. Емкость перехода зависит от значения и полярности приложенного напряжения. При обратном напряжении емкость называется барьерной и определяется выражением

, (18.12)

где С(0) – значение емкости при U=0.

При прямом напряжении большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от прямого тока и времени жизни собственных носителей

(18.13)

График зависимости емкости p-n перехода от приложенного напряжения приведен на рис. 18.8.

Наличие емкости приводит к комплексному характеру сопротивления p-n перехода и к зависимости его параметров (в частности, прямого и обратного токов) от частоты.

5. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ТИПЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p –n переходом и двумя выводами для включения в схему. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 18.9, а. На рис. 18.9, б приведена структурная схема диода. Электрод диода, подключенный к p области называют анодом, а электрод, подключенный к n области, – катодом.

Для правильного выбора и применения диодов используют систему

количественных оценок их свойств – параметров. К числу основных параметров относятся

– максимально допустимый средний прямой ток;

– максимальный обратный ток;

– падение напряжения U_пр на диоде при некотором значении прямого тока;

– импульсное обратное напряжение и др.

Большое разнообразие диодов классифицируют по ряду признаков: по функциональному назначению, по конструкции p –n перехода, по технологии изготовления, по предельно допустимой мощности и частоте.

По функциональному назначению все диоды можно разделить на выпрямительные и специальные. В специальных диодах используются различные свойства p-n переходов: явление пробоя (стабилитроны), управляемую емкость перехода (варикапы и варакторы), фотоэффект (фотодиоды), фотонную рекомбинацию носителей зарядов (светодиоды) и др. Условные графические обозначения специальных диодов приведены на рис. 18.10.

В зависимости от частоты и формы применяемого напряжения диоды разделяют на низкочастотные, высокочастотные и импульсные.

По конструкции p-n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У плоскостных диодов линейные размеры p-n перехода, определяяющие его площадь, значительно больше, а у точечных меньше длины свободного пробега носителей заряда. Плоскостные диоды используются для выпрямления больших токов, а точечные – малых. Для увеличения напряжения лавинного пробоя применяют выпрямительные столбы, представляющие ряд последовательно включенных диодов.

По технологии изготовления p –n перехода диоды разделяют на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Сплавные диоды применяют на низких частотах (до 5 кГц), диффузионные – на частотах до 100 кГц, эпитаксиальные – до нескольких МГц.

Особую группу образуют диоды с переходом металл-полупроводник. В месте контакта металла с полупроводником возникает обедненный носителями заряда слой полупроводника, который называют запорным. При обратной полярности внешнего напряжения обедненный слой расширяется, его сопротивление увеличивается, а ток через переход уменьшается. Следовательно, такой контакт металла с полупроводником обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Выпрямляющие контакты металл-полупроводник называют переходами с барьером Шотки.

Важнейшей особенностью диодов с барьером Шотки является отсутствие инжекции собственных носителей. Это значит, что у них отсутствует диффузионная емкость, обусловленная накоплением и рассасыванием собственных носителей. Как следствие, существенно повышается быстродействие перехода при его переключениях с одного направления на другое. Поэтому рабочие частоты диодов с барьером Шотки лежат в пределах 3¸15 ГГц.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

18.1. Объясните движение носителей заряда с позиций квантовой механики. В чем заключается суть принципа Паули?

18.2. В чем принципиальное отличие между проводником и диэлектриком с точки зрения квантовой механики?

18.3. Почему вещества четвертой группы таблицы Менделеева называют полупроводниками?

18.4. Назовите отличительные признаки полупроводников и металлов.

18.5. Раскройте суть содержания терминов: генерация, регенерация, время жизни носителей заряда.

18.6. Чем отличаются полупроводники p и n типа?

18.7. Определите, во сколько раз концентрация примесных носителей заряда n_n больше концентрации собственных носителей n, если в полупроводник с плотностью атомов n₀ = 10²² см^-3 и шириной запрещенной зоны ∆ = 1,0 эВ введена примесь с параметрами С = 10¹⁵ см^-3, ∆′ = 0,16 эВ, а температура полупроводника Т = 275º К.

18.8. В сплавном германиевом p – n переходе плотность атомов германия n₀ = 4,4·10²² см^-3, концентрация акцепторной примеси p_p составляет одну стотысячную долю процента, а концентрация донорной примеси n_n в 1000 раз больше. Определите величину потенциального барьера ∆φ₀ при температуре Т = 300ºК, если плотность ионизированных атомов n_i = 2,5·10¹³ см^-3.

18.9. По условию задачи 18.8 определите величину потенциального барьера ∆φ₂, диффузионный и прямой ток, если p – n переход находится под прямым напряжением U_пр = 0,15 В, а обратный ток I₀ = 1 мкА.

18.10. Вычислите прямое напряжение на p – n переходе, если прямой ток перехода I = 1 мА, обратный I₀ = 1 мкА, а температура Т = 300ºК.

18.11. Почему диоды с барьером Шотки имеют высокие допустимые частоты?

ЛЕКЦИЯ 19. ТРАНЗИСТОРЫ.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы - это полупроводниковые электронные приборы, предназначенные для усиления и преобразования электрических сигналов. Большое разнообразие транзисторов разделяют по ряду признаков. Чаще других применяют деление по принципу работы, по технологии изготовления, по мощности и по частоте.

По принципу работы все транзисторы разделяются на биполярные, униполярные (полевые), IGBT – транзисторы. В работе биполярных транзисторов используются носители обоих знаков. Именно этот факт послужил основой для их названия. Другой особенностью биполярных транзисторов является способ управления током. Ток транзистора управляется током базы.

Ток униполярных (полевых) транзисторов обусловлен одним типом зарядов – только электронов или только дырок. Величина тока определяется значением поля p –n перехода, включенного в обратном направлении.

Биполярные транзисторы с изолированным затвором, или IGBT – транзисторы, представляют собой структурную комбинацию биполярных и полевых транзисторов. Они обладают лучшими свойствами своих составных частей.

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Структурная схема биполярного транзистора приведена на рис. 19.1. Переходы делят монокристалл полупроводника на три области, причем, средняя область имеет тип электропроводности, противоположный крайним. Среднюю область называют базой, одну из крайних областей – эмиттером, а другую – коллектором. В зависимости от типа электропроводимости крайних областей существуют транзисторы р-п-р или п-р-п структуры. На рис. 19.2, а приведено схемное обозначение транзистора р-п-р, а на рис. 19.2, б - транзистора п-р-п типа. В качестве исходного материала транзисторов чаще других используют германий или кремний.

При изготовлении транзисторов обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между p -n переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примеси в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе.

В зависимости от напряжения на р-п переходах транзистор может работать в одном из трех режимов:

– в активном режиме - когда на переходе эмиттер – база напряжение прямое, а на переходе база – коллектор – обратное;

– в режиме отсечки (запирания) - когда на оба перехода поданы обратные напряжения;

– в режиме насыщения - когда на оба перехода поданы прямые напряжения.

Схема включения транзистора в активный режим работы приведена на рис. 19.3. Элементы Е_б, R_б и p-n переход база – эмиттер образуют входную, а элементы Е_к, R_к и переход база – коллектор – выходную цепь транзистора. При таком включении эмиттер является общей точкой входной и выходной цепей, а схему рис. 19.3 называют схемой с общим эмиттером. ЭДС Е_б является управляющей, а Е_к – источником питания.

Внешние источники включают так, чтобы напряжение на переходе база – эмиттер было прямое (плюс источника Е подан на базу, минус на эмиттер), а на переходе коллектор – база обратное (плюс источника Е_К подан на коллектор, минус – на эмиттер). Обычно Е_К>> Е , поэтому

. (19.1)

Под воздействием прямого напряжения U_бэ начинается усиленная диффузия электронов из эмиттера в базу, образуя ток эмиттера I_э. Так как база транзистора выполняется тонкой, основная часть электронов достигает закрытого перехода коллектор – база, не попадая в центры рекомбинации. Эти электроны захватываются ускоряющим полем закрытого перехода с потенциалом и втягиваются в область коллектора.

Ток электронов, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь и источник Е_к, образуя ток коллектора I_к. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. Эта часть уменьшает ток коллектора на величину a, т.е.

I_к = a I_э, (19.2)

где a = 0,9 ¸ 0,99 - коэффициент передачи тока эмиттера.

Заряд рекомбинировавших электронов остается в базе. Для компенсации этого заряда из источника Е_б в базу поступают дырки. Поэтому ток базы представляет собой ток рекомбинации:

. (19.3)

Ток коллектора, определяемый выражением (19.2), зависит от напряжения U_бэ и называется управляемым. Кроме управляемого тока, через закрытый коллекторный переход протекает обратный ток I_кбо, обусловленный дрейфом собственных носителей заряда. Поэтому

, а .

Выразим ток эмиттера из последнего выражения:

.

Подставляя это значение в выражение для тока коллектора, приходим к выражению

, (19.4)

где b - коэффициент передачи тока базы >> 1, I_кэо – обратный ток транзистора.

Так как I_кэо обычно пренебрежимо мал, справедливо приближенное равенство:

. (19.5)

Выражение (19.5) показывает, что если ток базы изменить на величину I_б, то ток коллектора изменится на величину b·DI_б, т.е. в b раз большую. В

этом и заключается суть усиления.

К основным параметрам биполярных транзисторов относятся средние и максимально допустимые значения токов коллектора и базы, максимальные значения напряжений U_кэ, U_бэ, U_кб, коэффициент передачи тока базы b, максимально допустимые частота и мощность и т.п.

Каждый транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами выходных и входных характеристик (рис. 19.4, а и 19.4, б соответственно). Выходной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока коллектора от напряжения U_кэ, т.е. I_к = j(U_кэ), снятая при постоянном токе базы I_б = const.

На выходной характеристике можно выделить три характерных участка. Первый участок лежит в области малых значений . При таком напряжении переход коллектор - база оказывается открытым. Транзистор работает в режиме насыщения. Ток коллектора резко изменяется с изменением напряжения . Напряжение, отсекающее крутой участок, лежит в пределах U_кэн = (0,2 – 1) В. Первый участок используется в импульсной технике, при реализации ключевого режима транзистора.

Большую часть характеристики занимает II, пологий участок. На этом участке ток коллектора почти не зависит от напряжения . Его значение практически полностью определяется током базы. Транзистор работает в активном режиме, обеспечивая усиление сигнала. Небольшой наклон пологого участка обусловлен тем, что с ростом увеличивается потенциальный барьер закрытого р-n перехода коллектор - база, расширяется его запирающий слой за счет толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, поэтому значение b, а значит, и увеличивается.

Резкое увеличение тока на участке III характеристики вызывается явлением электрического пробоя.

При воздействии на участок база – эмиттер малых сигналов, к транзистору, как к нелинейному сопротивлению, можно применить метод анализа с помощью линейных схем замещения (рис. 19.5). Примером малого сигнала может быть напряжение

где U₀ – напряжение смещения, причем U_M << U₀,

В этом случае участок база-эмиттер заменяется (как неуправляемое нелинейное сопротивление) последовательно соединенными ЭДС - U_бэ и сопротивлением h₁₁, а участок коллектор-эмиттер – источником тока. Часть схемы, обведенная пунктиром, представляет собой четырехполюсник, для которого справедлива система уравнений:

, (19.6)

где h₁₁, h₂₂, h₁₂, h₂₁ – h – параметры.

Значения h – параметров приводятся в справочниках по транзисторам и определяются экспериментально в режимах холостого хода на входе схемы и короткого замыкания на её выходе, причем, в режиме холостого хода определяют

– коэффициент обратной передачи по напряжению;

– выходную проводимость транзистора;

а в режиме К3 определяют

– входное сопротивление транзистора ;

– коэффициент передачи тока базы .

На практике h - параметры используются для расчета усилительных каскадов при воздействии малых сигналов.

Входной вольтамперной характеристикой транзистора называется зависимость тока базы от напряжения при постоянном напряжении . При оба перехода в транзисторе работают под прямым напряжением. Токи коллектора и эмиттера складываются в базе. Входная характеристика транзистора, в этом случае, представляет собой ВАХ двух p-n переходов, включенных параллельно.

При U_кэ > U_кэн коллекторный переход закрывается. Транзистор переходит в активный режим работы. Ток базы в этом режиме определяется выражением (19.3). Поэтому входная характеристика транзистора строится как прямая ветвь ВАХ одного p-n перехода эмиттер – база.

В заключение необходимо отметить, что токи транзистора сильно за-

висят от температуры окружающей среды. Это общий недостаток полупроводниковых приборов. Причина этого недостатка в том, что с ростом температуры увеличивается концентрация собственных носителей заряда (пары электрон-дырка). Поэтому ток удваивается с увеличением температуры на каждые 8 ¸ 10⁰С. Кроме того, с увеличением температуры центры рекомбинации (дефекты кристаллической решетки) постепенно заполняются и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, а значит, коэффициент передачи тока базы b увеличивается. Таким образом, при нагреве на 20 ¸ 30⁰ С ток может измениться на десятки процентов.

Каждый из двух p-n переходов транзистора обладает емкостью: С_Э - емкость p-n перехода база-эмиттер; С_К - емкость p-n перехода база-коллектор. Реактивное сопротивление емкости приводит к частотной зависимости комплексных сопротивлений p-n переходов и, как следствие, к частотной зависимости коэффициента передачи тока базы β. График зависимости коэффициента передачи β от частоты приведен на рис. 19.6.

Аналитическое выражение этой зависимости имеет следующий вид:

где β₀ = β – коэффициент передачи тока базы на низкой частоте, ω_β – пре-

дельная частота тока базы, на которой β(ω_β) = 0,7 β₀, ω_Т – граничная частота коэффициента передачи, на которой .