Характеристические сопротивления.

Нелинейность характеристики удобно оценивать, сопоставляя сопротивления диода в прямом и обратном направлениях. Для этого вводят понятия дифференциального сопротивления и сопротивления постоянному току.

Дифференциальное сопротивление определяется как:

, (7.5)

Его легко представить как функцию тока, если найти производную от выражения (7.4), т.е.

(7.5а)

Приближенное выражение действительно только для прямой ветви при условии .

Используя выражение для тока 7.4а, дифференциальное сопротивление можно представить как

. (7.5б)

 

На обратной ветви (при U< 0) величина резко возрастает и при │ U│ > > φ _T может считаться бесконечно большой. На прямой ветви величина , наоборот, быстро уменьшается и, например, при токе мА составляет несколько ом.

Для определения сопротивления постоянному току воспользуемся формулой (3.12) и получим зависимость такого сопротивления от тока:

. (7.6а)

Из формулы (7.3а) получаем зависимость этого сопротивления от тока:

. (7.6б)

Отсюда следует, что на обратной ветви характеристики, когда , сопротивление прямо пропорционально напряжению:

. (7.7в)

В нулевой точке ( ; ) сопротивления и имеют одно и то же значение:

. (7.8)

В области прямых токов сопротивление всегда больше сопротивления , а в области обратных токов оно всегда меньше сопротивления . Обычно под прямым сопротивлением диода понимают сопротивление , соответствующее номинальному прямому току (или напряжению), указанному в справочнике. Под обратным сопротивлением диода обычно подразумевают сопротивление при номинальном обратном напряжении диода.

Реальная характеристика диода при обратном включении диода.

Опыт показывает, что реальный обратный ток диода не остается постоянным и намного превышает величину , определяемую по формуле (3.9б). Главные причины отклонения реальной обратной характеристики от идеализированной заключается в термогенерации носителей в области перехода, поверхностных утечках, а также в явлениях, которые при достаточно большом обратном напряжении приводят к пробою перехода.

Рост напряженности поля в p-n переходе ограничен резким возрастанием обратного тока при достижении некоторого критического значения напряженности поля. Это явление называют пробоем p-n перехода, а напряжение, при котором оно происходит, - напряжением пробоя.

Различают три механизма пробоя p-n перехода при достаточно больших обратных напряжениях: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два связаны с увеличением напряженности электрического поля в переходе, а третий - с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно температуры.

В основе туннельного пробоя лежит туннельный эффект, т.е. " просачивание" электронов сквозь тонкий потенциальный барьер. Туннельный переход сквозь барьер происходит без изменения энергии электрона. Вероятность туннельного эффекта увеличивается при уменьшении ширины p-n перехода, которая зависит от удельного сопротивления полупроводника.

В основе лавинного пробоя лежит процесс " размножения" носителей в сильном электрическом поле, действующем в области перехода. Электрон и дырка, ускоренные электрическим полем на длине свободного пробега, могут разорвать одну из ковалентных связей нейтрального атома полупроводника. В результате рождается новая пара электрон - дырка и процесс повторяется уже с участием новых носителей Обратный ток при этом, естественно возрастает. При достаточно большой напряженности поля, когда исходная пара носителей в среднем порождает более одной новой пары, ионизация приобретает лавинный характер, подобно самостоятельному разряду в газе. При этом ток будет ограничиваться только внешним сопротивлением.

Первые два пробоя являются управляемыми побоями, т.е. после снятия обратного напряжения диод восстанавливает свои свойства. Тепловой пробой является неуправляемым, т. е. приводит к разрушению диода.

Реальная характеристика диода при прямом включении диода.

Главными причинами, по которым реальная характеристика диода отличается от идеализированной характеристики, являются наличие омического сопротивления базы и зависимость прямого напряжения от температуры.

Влияние объемного сопротивления базы на прямую характеристику реального диода приводит к существованию двух участков прямой характеристики: экспоненциального и линейного (омического). Происхождение омического участка можно объяснить следующим образом: с ростом прямого тока высота потенциального барьера уменьшается, стремясь в пределе к нулю. Следовательно, при больших токах наличие перехода делается все менее существенным, и диод превращается в двухслойную пластинку, в которой главную роль играет слой базы.

Зависимость U(T) удобно характеризовать разностью DU=U(T)-U(T₀), которая оказывается пропорциональной температуре: DU=eDT, где температурный коэффициент напряжения e (ТКН) - почти постоянная величина. ТКН может быть как больше нуля (т.е. с ростом температуры прямое напряжение увеличивается), так и меньше нуля (т.е. с ростом температуры прямое напряжение уменьшается).

Эквивалентные схемы диода по постоянному току.

1. при обратном смещении.

Для расчетов полупроводниковый диод удобно представлять в виде линейной эквивалентной схемы, показанной на рис. 7.5а.

Соответствующая формула для такой идеализированной характеристики имеет вид:

, (7.9)

Рис. 7.5

 

где – ток, получаемый путем экстраполяции характеристики до пересечения с осью токов (рис. 3.6б);

 

– сопротивление, характеризующее " средний" наклон кривой. Параметры эквивалентной схемы определяются по данным справочников или путем измерений.

 

2. при прямом смещении.

Несмотря на сложную структуру прямой характеристики, для практических расчетов ее можно аппроксимировать ломаной линией, как показано на рис.

Погрешность такой аппроксимации, как видно из рисунка, существенна лишь на начальном участке, при малых токах, Формула для идеализированной характеристики очень проста:

(7.10)

Ей отвечает простая эквивалентная схема, показанная на рис.7.6б. Параметры r_пр и E_пр можно определить по справочным кривым.. Можно также без большой погрешности принять Е_пр= (0, 5 - 0, 7) Dj₀, а r_{пр =} r_б, измерив r_б на переменном токе при достаточно большом смещении.

Рис 7.6

 

Барьерная и диффузионная емкости диода.

Полупроводниковый диод инерционен по отношению к достаточно быстрым изменениям тока или напряжения, поскольку новое распределение носителей устанавливается не сразу. Как известно, внешнее напряжение меняет ширину перехода, а значит, и величину объемных зарядов в переходе. Кроме того, при инжекции или экстракции меняются заряды в области базы (роль зарядов в эмиттере мало существенна). Следовательно, диод обладает емкостью, которую можно считать подключенной параллельно p-n переходу. Эту емкость можно разделить на две составляющие: барьерную емкость, отражающую перераспределение зарядов в переходе, и диффузионную емкость, отражающую перераспределение зарядов в базе. Такое разделение в общем условное, но оно удобно на практике, поскольку соотношение обеих емкостей различно при разных полярностях приложенного напряжения. При прямом напряжении главную роль играют избыточные заряды в базе и соответственно - диффузионная емкость. При обратном напряжении избыточные заряды в базе малы и главную роль играет барьерная емкость. Заметим заранее, что обе емкости не линейны: диффузионная емкость зависит от прямого тока, а барьерная - от обратного напряжения.

Определим величину барьерной емкости, считая переход несимметричным типа n⁺-p. Тогда протяженность отрицательного заряда в базе р-типа можно считать равной всей ширине перехода: . Запишем модуль этого заряда:

, (7.9)

где N - концентрация примеси в базе; S - площадь перехода. Такой же (но положительный) заряд будет в эмиттерном слое.

Представим, что эти заряды расположены на обкладках воображаемого конденсатора, емкость которого можно определить как

Учитывая выражение ширины перехода при обратном включении, и дифференцируя заряд Q по напряжению, окончательно получаем:

(7.10)

где и соответственно ширина и высота потенциального барьера при равновесном состоянии.

Имея в виду, что диод обладает емкостью, можно составить его полную эквивалентную схему для переменного тока (рис.3.10а).

Рис.7.5а.

Сопротивление R₀ в этой схеме представляет суммарное сравнительно небольшое сопротивление n- и p- областей и контактов этих областей с выводами. Нелинейное сопротивление R_нл при прямом включении равно R_пр, т.е. невелико, а при обратном напряжении R_нл= R_обр, т.е. оно очень большое. Приведенная эквивалентная схема в различных частотных случаях может быть упрощена. На низких частотах емкостное сопротивление очень велико и емкость можно не учитывать. Тогда при прямом смещении в эквивалентной схеме остаются лишь сопротивления R₀ и R_пр (рис.7.5б),

Рис.7.5б. Рис.7.5в.

 

а при обратном напряжении – только сопротивление R_обр, так как R₀< < R_обр (рис.7.5в).

На высоких частотах емкости имеют сравнительно небольшое сопротивление. Поэтому при прямом напряжении получается схема по рис.7.5г, (если частота не очень высокая, то С_диф практически не влияет),

Рис.7.5г. Рис.7.5д.

 

а при обратном остаются R_обр и С_б (рис.7.5д).

Следует иметь ввиду, что существует еще емкость С_в между выводами диода, которая может заметно шунтировать диод на очень высоких частотах. На СВЧ может также проявляться индуктивность выводов.

Классификация диодов.

Классификация диодов проводится в основном:

1) по технологическим методам создания электрических переходов и диодных структур

2) по выполняемой функции диодов.

По технологии изготовления диоды могут быть точечными и плоскостными. Основные характеристики точечных диодов: площадь p-n-перехода мала, имеют малую емкость (менее 1пФ), малые токи (не более 1 или десятков мА). Применяются на высоких частотах вплоть до свч. Технология: к пластинке германия n-типа или кремния n-типа приваривается при помощи большого импульса тока вольфрамовая нить, покрытая акцепторной примесью (для германия- индий, для кремния- алюминий).

Плоскостные диоды: технология изготовления может быть либо вплавление, либо диффузия. При вплавлении на очищенную поверхность полупроводниковой пластинки обычно n-типа помещается таблетка металлического акцепторного материала, например алюминий, если полупроводник кремний. При нагревании до 600…700⁰С она расплавляется и растворяет в себе прилегающий слой кремния, температура плавления которого значительно выше. После охлаждения у поверхности пластинки слой кремния р⁺-типа, насыщенный алюминием (эмиттер р-типа, база- n-типа). Диффузия: примесные атомы поступают обычно из газовой среды в полупроводниковую пластинку через ее поверхность при высокой температуре (около 1000 ⁰) и распространяются вглубь вследствие диффузии, т.е. теплового движения. Процесс осуществляется в специальных диффузионных печах, где с высокой точностью поддерживается температура и время процесса. Чем больше время и температура, тем дальше примеси проникают в глубь пластины. Диффузионный p-n-переход получается плоским, а его площадь велика и равна площади исходной пластины, рабочие токи достигают десятков ампер.

По выполняемой функции различают диоды выпрямительные, импульсные, преобразовательные, переключательные, детекторные диоды, стабилитроны, варикапы и т.д. Отдельные классы диодов могут подразделяться на подклассы в зависимости от диапазона рабочих частот (низкочастотные, высокочастотные, СВЧ-диоды, диоды оптического диапазона). Различают диоды также по полупроводниковому материалу: наиболее широко применяется кремний, вытесняющий распространенный ранее германий. Кремниевые диоды имеют большую максимальную рабочую температуру (Si – 125…150⁰C, Ge – 70…80⁰C) и на несколько порядков меньший обратный ток. Непрерывно увеличивается число диодов на арсениде галлия (в частности, металл-полупроводниковых), превосходящих по параметрам кремниевые диоды.

Рассмотрим некоторые типы диодов и их основные параметры.

1.Выпрямительные низкочастотные диоды. Они используются в источниках питания для выпрямления переменного тока.

Основными электрическими параметрами диода являются величины U_пр.ср при заданном I_пр.ср, а также I_обр.ср при заданном амплитудном (максимальном) значении обратного напряжения (U_{обр.макс}) (U_пр.ср и I_обр.ср – средние значения прямого напряжения и обратного тока за период). Для кремниевых диодов с p-n переходом, имеющих наибольшее распространение, U_пр.ср не превышает 1..1, 5В при Т=20⁰С. С ростом температуры эта величина уменьшается, причем ТКН зависит значения прямого тока; с ростом тока уменьшается, а при большом токе может стать даже положительным. Обратный ток кремниевых диодов при Т=20⁰С, как правило, не превышает десятых долей мкА, и увеличивается с ростом температуры (температура удвоения около 10⁰С). При Т=20⁰С обратным током можно пренебречь. Напряжение пробоя кремниевых диодов составляет сотни вольт и увеличивается с ростом температуры.

Прямое напряжение кремниевых диодов с переходом металл-полупроводник примерно в два раза меньше, чем в диодах с p-n переходом. А обратный ток несколько больше и сильнее зависит от температуры, удваиваясь на каждые 6..8⁰С.

При выборе типа диода учитывают предельно допустимый выпрямленный ток, обратное напряжение и температуру. В зависимости от допустимого тока различают диоды малой (< 300мА), средней (< 1А) и большой (> 10А) мощности. Предельное обратное напряжение ограничено пробоем перехода и лежит в пределах от 50 до 1500В. Для увеличения допустимого обратного напряжения диоды соединяют последовательно. Несколько последовательно соединенных диодов, изготовленных в едином технологическом цикле и заключенных в общий корпус, называют выпрямительным столбом. Максимальная рабочая температура кремниевых диодов достигает 125..50⁰С и ограничена ростом обратного тока.

Маломощные диоды с небольшой площадью p-n перехода (менее 1мм²) создают методом вплавления, мощные – с большой площадью - методом диффузии. Силовые диоды с p-n переходом могут работать до частот обычно не более 1кГц, а диоды с переходом металл- полупроводник – до частот в сотни кГц.

Германиевые диоды имеют прямое напряжение примерно в 1, 5..2 раза меньше, чем кремниевые (обычно не более0, 5 В) из-за меньшей ширины запрещенной зоны. Оно в основном определяется падением напряжения на сопротивлении базы, в этом случае ТК U_пр > 0. Обратный ток при Т=20⁰С на 2..3 порядка больше, чем в кремниевых диодах, и сильнее зависит от температуры. Удваиваясь на каждые 8⁰С, в связи с этим максимальная рабочая температура значительно ниже (70…80⁰С).

Тепловой механизм пробоя ведет к тому, что германиевые диоды выходят из строя даже при кратковременных импульсных перегрузках. Это является существенным недостатком. Напряжение пробоя уменьшается с ростом температуры.

2. Выпрямительные высокочастотные диоды. Эти диоды используются на частотах до десятков и сотен мегагерц в различных радиотехнических устройствах: детекторах, преобразователях частоты, смесителях, ограничителях и др. В работе всех этих устройств используются нелинейные свойства диода. Выпрямительные высокочастотные диоды универсальны, т.е. один и тот же диод может выполнять различные схемные функции. Поэтому электрические параметры являются общими и не отражают специфики применения в тех или иных устройствах. К ним относятся статические параметры, связанные с ВАХ, - прямое напряжение и обратный ток, и динамические параметры – емкость диода при обратном напряжении и время восстановления обратного сопротивления. Динамические параметры характеризуют быстродействие; чем меньше их значения, тем выше частота, на которой может работать диод. Для снижения емкости необходимо уменьшить площадь перехода; емкости высокочастотных диодов, как правило, не превышают 10 пФ и указываются на заданной частоте. Время восстановления обратного сопротивления определяется переходными процессами в диоде. Иногда приводят обобщенный динамический параметр – граничную частоту, на которой средний выпрямленный ток уменьшается до определенного уровня по сравнению с его значением на низкой частоте. Снижение среднего выпрямленного тока с увеличением частоты происходит из-за роста обратного тока, обусловленного емкостью. Для повышения граничной частоты необходимо снижать барьерную емкость (площадь перехода), диффузионную емкость (снижать время жизни неосновных носителей в базе или использовать переход металл- полупроводник), паразитную емкость выводов и сопротивление базы. Снижение сопротивление базы требуется для увеличения емкости перехода.

Из-за малой площади перехода предельно допустимые прямые токи высокочастотных диодов невелики (обычно менее 100мА), пробивные напряжения, как правило, не превышают 100В.

3. Импульсные диоды. Предназначены для работы в импульсном режиме, т.е. в устройствах формирования и преобразования импульсных сигналов, ключевых и цифровых схемах.

Важнейшим параметром импульсных диодов является время восстановления обратного сопротивления. Оно характеризует переходный процесс переключения диода из состояния с заданным прямым током I_пр в состояние с заданным обратным напряжением U_обр. На рис.7.6 показаны временные диаграммы напряжения и тока через диод. Время восстановления t_вос отсчитывается момента t₁ изменения напряжения на диоде с прямого на обратное до момента t₂, когда обратное напряжение достигнет значения 0, 1_пр. Время восстановления в диоде с p-n переходом определяется временем рассасывания заряда, накопленных в базе до переключения (до момента t₁), а также процессом перезаряда барьерной емкости. В импульсных диодах время восстановления должно быть как можно меньше; необходимо снижать время жизни неосновных носителей в базе, для чего кремниевые диоды с p-n переходом легируются золотом. Но для кремниевых диодов не удается получить время восстановления порядка менее 1нс. В арсениде галлия время жизни гораздо меньше, чем в кремнии, и в диодах с p-n переходом удается получить t_вос порядка 0, 1 нс. Снижение барьерной емкости достигается уменьшением площади перехода. Наименьшее время восстановления (t_вос< 0.1нс) имеют диоды с переходом металл-полупроводник, в которых отсутствует накопление неосновных носителей при протекании прямого тока. В них время восстановления порядка C_бr_б определяется процессом перезаряда барьерной емкости перехода через сопротивление базы.

Для всех импульсных диодов указывается емкость при определенном обратном напряжении и частоте переменного сигнала, используемого при измерении. Минимальные значения емкости составляют 0, 1…1 пФ.

 

Рис.7.6.

 

К специфическим параметрам импульсных диодов относятся максимальный импульсный обратный ток I_{обр.и.макс} и максимальное импульсное сопротивление r_{пр.и.макс}, равное отношению максимального прямого напряжения в процессе его установления к к прямому току. Значения этих величин желательно иметь как можно меньше.

Для импульсных диодов важны также и статические параметры, определяющие установившиеся значения тока и напряжений в схемах. К ним относятся прямое напряжение при заданном прямом токе и обратный ток при определенном обратном напряжении.

4. Стабилитроны. Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжений в схемах. стабилитроны используются в источниках питания, ограничителях, фиксаторах уровня, источниках опорного напряжения и других устройствах. Принцип действия стабилитронов основан на использовании лавинного или туннельного пробоя в p-n переходе. На рис.7.7 дана типичная вольт-амперная характеристика стабилитрона при обратном напряжении.

Рис.7.7.

На участке пробоя – рабочем участке ВАХ напряжение очень слабо зависит от тока. Минимальное значение рабочего тока I_ст.мин соответствует началу «вертикального» участка ВАХ, где достигается малое дифференциальное сопротивление r_диф=Δ U/Δ I. Максимальный ток I_ст.мах определяется допустимой рассеиваемой мощностью. Основной параметр – напряжение стабилизации U_ст, практически равное напряжению пробоя, задается при определенном значении тока I_ст на рабочем участке.

Схема включения стабилитрона приведена на рис.7.8.

Рис.7.8.

Здесь R_огр – ограничивающий резистор; R_н – резистор нагрузки, напряжение на котором U_н= U_ст. Ток, протекающий через ограничивающий резистор, равен I=(E-U_ст)/R_огр, а ток через стабилитрон I_ст=I-I_н, где I_н= U_ст/R_н, что соответствует рабочей точки с на рис.3.11. Если напряжение источника питания отклоняется на величину от номинального значения, ток через стабилитрон изменяется на Δ I_ст= Δ E)/R_огр при r_диф< < ( R_огр │ │ R_н ) и рабочая точка перемещается в пределах участка C^’C”; напряжение на нагрузке изменяется на очень малую величину

(7.11)

Если изменяется ток нагрузки и. следовательно, нагрузки на величину Δ I_н, то примерно так же изменится ток через стабилитрон и Δ U=- r_дифΔ I_н. Знак «-» означает, что увеличении тока нагрузки ток стабилитрона уменьшается. Для получения хорошей стабилизации дифференциальное сопротивление должно быть как можно меньше.

Напряжение пробоя p-n перехода уменьшается с ростом концентрации примесей базы. Для приборов различных типов U_ст может составлять от 3 до 200В.

Влияние температуры оценивается температурным коэффициентом напряжения стабилизации ТКН, который характеризует изменение напряжения U_ст при изменении температуры на один градус, т.е.

(7.12)

Температурный коэффициент напряжения может быть от 10^-5 до 10^-3 К^-1. Значение U_ст и знак ТКН зависят от удельного сопротивления основного полупроводника. Стабилитроны на напряжение до 7В изготавливаются из кремния с малым удельным сопротивлением, т.е. с большой концентрацией примесей. В этих стабилитронах p-n переход имеет малую толщину, в нем действует поле с высокой напряженностью и пробой происходит главным образом за счет туннельного эффекта. При этом ТКН получается отрицательным. Если же применен кремний с меньшей концентрацией примесей, то p-n переход будет толще. Его пробой возникает при более высоких напряжениях и является лавинным. Для таких стабилитронов характерен положительный ТКН.

Температурный коэффициент стабилизации высоковольтных стабилитронов может быть уменьшен на 1…2 порядка, с помощью термостабилизации. Для этого обратно включенному p-n переходу стабилитрона соединяют последовательно с одним или двумя p-n переходами, включенными в прямом направлении. Известно, что прямое напряжение на p-n переходе уменьшается при повышении температуры, что компенсирует увеличение напряжения пробоя. Такие термокомпенсированные стабилитроны называются прецизионными. Они применяются в качестве источников опорного напряжения.

Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки R_н постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление R_огр должно иметь определенное значение. Обычно R_огр рассчитывают для средней точки с характеристики стабилитрона. Если напряжение Е меняется от E_min до E_max, то можно R_огр найти по следующей формуле

(7.13)

где Е_ср=0, 5(Е_min + Е_max) – среднее напряжение источника;

I_ср=0, 5(I_min+ I_max) – средний ток стабилитрона;

I_н = U_ст/R_н – ток нагрузки.

Если напряжение Е станет изменяться в ту или другую сторону, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, а следовательно, и на нагрузке будет почти постоянным. Поскольку все изменения напряжения источника должны поглощаться ограничительным резистором, то наибольшее изменение этого напряжения, равное E_max- E_min, должно соответствовать наибольшему возможному изменению тока, при котором еще сохраняется стабилизация, т.е. I_max- I_min. Отсюда следует, что если значение Е изменяется на Δ Е, то стабилизация будет осуществляться только при соблюдении условия

(7.14)

Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда E=const, а R_н изменяется в пределах от R_нmin до R_нmax. Для такого режима R_огр можно определить по средним значениям токов по формуле

(7.15)

I_{н ср}=0, 5(I_{н min}+ I_{н max}), причем I_нmin = U_ст/R_нmax и I_нmax = U_ст/R_нmin.

Для получения более высоких стабильных напряжений применяется последовательное соединение стабилитронов, рассчитанных на одинаковые токи.

5. Варикапы. Варикапами называют диоды, принцип действия которых основан на зависимости барьерной емкости p-n перехода от обратного напряжения. Таким образом. Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Они применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Простейшая схема включения варикапа для настройки частоты колебательного контура представлена на рис.7.9.

Рис.7.9

Управляющее напряжение U подается на варикап VD через высокоомный резистор R, который уменьшает шунтирование варикапа и колебательного контура источником напряжения. Для устранения постоянного тока через элемент индуктивности колебательный контур подключается параллельно варикапу через разделительный конденсатор С_р большой емкости. Изменяя величину обратного напряжения и, следовательно, емкость варикапа и суммарную емкость колебательного контура, изменяют резонансную частоту последнего.

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапа служит кремний, используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

К электрическим параметрам варикапа относятся емкость при номинальном, максимальном и минимальном напряжениях, измеренная на заданной частоте, коэффициент перекрытия по емкости, добротность, частотный диапазон, температурные коэффициенты емкости и добротности. В разных типах варикапов номинальная емкость может лежать в пределах от несколько единиц до несколько сотен пикофарад.

 

Биполярные транзисторы.

Введение.

Транзистором называют полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности электрических сигналов и имеющий три или более выводов. По принципу действия транзисторы разделяют на два основных класса: биполярные и полевые (униполярные).

В основе работы биполярных транзисторов лежит инжекция неосновных носителей. Поэтому неотъемлемой составной частью биполярных транзисторов являются -переходы. Термин «биполярный» призван подчеркнуть роль обоих типов носителей заряда (электронов и дырок) в работе этого класса транзисторов. В полевых (униполярных) транзисторах используется движение основных носителей заряда.

В данной главе рассматриваются физические процессы в биполярном транзисторе, а также его основные характеристики и параметры. Униполярные транзисторы изучаются в следующей главе.

Биполярный транзистор представляет собой двухпереходный прибор (рис.7.10). Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы и со взаимно противоположными рабочими полярностями.

Условные обозначения обоих типов транзисторов, рабочие полярности напряжений и направления токов показаны на рис. 7.11 (а – транзистор и б – транзистор ).

Рис 7.10

Рис.7.11

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой – эмиттером. Такое название, как и у диодов, отражает факт инжекции неосновных носителей через переход. Средний слой называется базой. Второй переход, нормально смещенный в обратном направлении, называется коллекторным, а соответствующий крайний слой – коллектором. Это название отражает функцию «собирания» инжектированных носителей, прошедших через слой базы. Для того, чтобы такое «собирание» было возможным, база должна иметь достаточно малую толщину ( , где – диффузионная длина неосновных носителей).

У современных транзисторов она обычно не превышает мкм, тогда как диффузионная длина лежит в пределах мкм.

Основные свойства транзистора определяются процессами в базе. Если база однородная, то движение носителей в ней чисто диффузионное. Если же база неоднородная, то в ней есть внутренне электрическое поле, и тогда движение носителей будет комбинированным: диффузия сочетается с дрейфом.

Транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми (или диффузионными), а с неоднородной – дрейфовыми.

Последние имеют в настоящее время наибольшее распространение в интегральных микросхемах.

Транзистор, показанный на рис 7.11а, характерен тем, что его крайние слои (эмиттер и коллектор) имеют проводимость -типа, а средний слой (база) – проводимость -типа. Транзисторы с такой структурой называют транзисторами. В микроэлектронике главную роль играют транзисторы типа (рис.7.11б), у которых эмиттер и коллектор имеют проводимость -типа, поэтому они и будут основой последующего анализа. По принципу действия они ничем не отличаются от -транзисторов, однако им свойственны другие полярности рабочих напряжений, а также ряд количественных особенностей.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. Гидравлические сопротивления.
2. Характеристические пары противоположностей в типах Джемса.
3. Экспериментальные данные для коэффициента гидравлического сопротивления. Опыты Никурадзе и Зегжда