При воздействии внешнего электрического поля

Прямое включение р-n-перехода

Включение, при котором полярность источника совпадает с полярностью ос­новного носителя, называют прямым.

Действие прямого напряжения поясняет­ся потенциальной диаграммой (рис. 6).

Рис. 6. Прямое включение р-n-перехода

Электрическое поле, создаваемое внеш­ним источником (Евн), действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Вы­сота потенциального барьера уменьшается и становится равной . Диффузионный ток возрастает, т.к. большее число основных носителей может преодолеть потенциальный барьер. В то же время дрейфовый ток уменьшается по той же причине, а также из-за уменьшения ширины р-n-перехода (рис. 6, L1< L). Уменьшение ши­рины снижает вероятность захвата полем пе­рехода неосновных носителей. В результате ток перехода уже не равен нулю: Iпер= Iдиф +Iдр≠ 0. Ток, возникающий при прямом включении, называется прямым током р-n-перехода. Он обусловлен диффузионным током основных носителей.

Обратное включение р-n-перехода

Включение, при котором полярность источника не совпадает с полярно­стью основного носителя называется обратным.

В этом случае электрическое поле, создаваемое внешним источником, складывается с полем контактной разности потенциалов (рис. 7).

Рис. 7. Обратное включение р-n-перехода

Результирующее поле усиливается, а потенциальный барьер становится равным . Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение ос­новных носителей через переход практически прекращается, т.е. Iдиф=0, так как их энергии недостаточны для преодоления барьера. Дрейфовый ток незна­чительно увеличивается из-за увеличения разности потенциалов и ширины р-n-перехода (L2> L). Общий ток перехода становится равным Iпер= -Iдр= I0. Ток, проходящий через p-n-переход при обратном включении, называется обратным. Он обусловлен дрейфовым током неосновных носителей. Поскольку концентрация неосновных носителей на несколько порядков меньше, чем основных, то

и ток в обратном направлении во много раз меньше. Вследствие этого обратное сопротивление перехода больше прямого.

 

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

В современных полупроводнико­вых приборах кроме электронно-дырочных переходов применяют так­же контакт между металлом и полу­проводником.

Процессы в таких переходах за­висят от работы выхода электронов, т.е. от той энергии, которую должен затратить электрон, чтобы выйти из металла или полупроводника. Чем меньше работа выхода, тем больше электронов может выйти из данного тела. В различных металлополупроводниковых переходах может возни­кать как выпрямляющий, так и невы­прямляющий переход.

 

Невыпрямляющий (омический) переход

Если в контакте металла с полупроводником n-типа (рис. 8) работа выхо­да электронов из металла А_м меньше, чем работа выхода из полупроводника А_n, то будет преобладать выход электронов из металла в полупроводник.

В слое полупроводника около границы накапливаются основные носители (электроны), и этот слой становится обогащенным, т.е. в нем увеличивается концентрация электронов. Сопротивление этого слоя будет малым при любой полярности приложенного напряжения.

Такой переход не обладает выпрямляющим свойством. Его называют невыпрямляющим (омическим) контактом.

Рис. 8. Омический переход

 

Подобный же невыпрямляющий переход получается в контакте металла с полупроводником p-типа (рис. 8), если работа выхода электронов из полупро­водника меньше, чем работа выхода из металла (А_nр< А_м). В этом случае из по­лупроводника в металл уходит больше электронов, чем в обратном направле­нии. В приграничном слое полупроводника также образуется область, обога­щенная основными носителями (дырками), имеющая малое сопротивление.

Оба типа невыпрямляющих контактов широко используются в полупро­водниковых приборах при устройстве выводов от n- и p-областей. Для этой це­ли подбираются соответствующие металлы.

 

Выпрямляющий переход

Рассмотрим контакт полупроводника n-типа с металлом, когда А_м> А_п.n, (рис. 9, а). Электроны будут переходить главным образом из полупроводника в металл, и в приграничном слое полупроводника образуется область, обеднен­ная основными носителями и имеющая большое сопротивление. Кроме того, переход электронов приводит к появлению контактной разности потенциалов.

Если к переходу подключить внешнее напряжение, причем " минус" к по­лупроводнику, а " плюс" к металлу, то внешнее электрическое поле компенси­рует внутреннее. Потенциальный барьер уменьшается, а ток основных носите­лей (электронов) из n-области увеличивается - переход открыт. При смене по­лярности (" минус" к металлу, " плюс" к полупроводнику) внешнее электрическое поле суммируется с внутренним, потенциальный барьер увеличивается, и переход не пропускает ток - закрыт.

Таким образом, переход между металлом и полупроводником обладает вентильными свойствами. Его называют барьером Шоттки.

Аналогичные процессы имеют место при контакте металла с полупровод­ником p-типа, когда А_м< А_п.р. Значительно большее количество электронов бу­дет переходить из металла в полупроводник. Их рекомбинация с дырками в по­лупроводнике приведет к уменьшению концентрации носителей в пригранич­ном слое - создается обедненный слой и контактная разность потенциалов (рис. 9, б).

Рис. 9. Выпрямляющий переход

 

Подключение внешнего напряжения плюсом к полупроводнику, а мину­сом к металлу снижает потенциальный барьер. Через переход течет ток, обу­словленный переходом электронов из металла в полупроводник - переход от­крыт.

Обратное включение увеличивает потенциальный барьер. Через переход будут течь лишь неосновные носители полупроводника р-типа - электроны. Так как их концентрация мала, то ток через переход практически не течет - пе­реход закрыт.

Выпрямляющий переход металл-полупроводник тоже используется для создания приборов с односторонней проводимостью, как и n-p-переход.

 

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

 

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода.

Полупроводниковые диоды классифицируются:

- по материалу (Ge, Si, GaAs и т.д.);

- по технологии (точечные, сплавные, диффузионные);

- по конструкции (точечные, плоскостные, планарные);

- по функциональному назначению (выпрямительные, универсальные, стабилитроны, туннельные и т.д.).

 

Выпрямительный диод

 

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. В них используется основное свойство p-n-перехода: пропускать с малым сопротивлением ток в одном направлении и практически не пропускать в дру­гом.

На рис. 10 изображена вольт-амперная характеристика (ВАХ) кремниевого диода, которую можно представить в виде двух частей:

- прямая - при прямом включении p-n-перехода;

- обратная — при обратном включении p-n-перехода.

В схеме обозначения диода анод (А) соответствует электроду, присоеди­ненному к р-области, а катод (К)-к n-области.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика диода

 

Прямая ветвь обусловлена диффузионным током основных носителей. На начальной стадии (U< 1B) ток нарастает медленно, что обусловлено наличием потенциального барьера (контактной разности потенциалов), препятствующего движению основных носителей. На этом участке вольт-амперная характеристи­ка нелинейная. По мере преодоления внешним полем внутреннего (U> ≈ 1В) потенциальный барьер исчезает и остается лишь сопротивление р- и n-областей, которое можно приближенно считать постоянным. Поэтому далее характеристика становится практически линейной при резком нараста­нии тока.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро на­растает. Это вызвано тем, что уже при небольшом увеличении обратного на­пряжения повышается потенциальный барьер и резко уменьшается диффузи­онный ток. Следовательно, полный ток I_пepex.oбр=I_др-I_диф, резко увеличивает­ся.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения не приводит к росту тока, т.к. его величина определяется числом неосновных носителей, концентрация которых низка. При некотором значении обратного напряжения (U_обр.max, рис. 10) ток начинает резко возрастать. Это возникает при напряженности поля около 10⁷В/м. Неосновные носители при таком поле разгоняются на длине свобод­ного пробега до энергии, достаточной для ионизации атомов. Концентрация носителей лавинно нарастает в толщине перехода.

Процесс лавинного размножения носителей за счет ударной ионизации атомов называется лавинным пробоем (электрическим). К этому следует добавить, что концентрация носителей до­полнительно увеличивается за счет вырывания электронов из атомов сильным электриче­ским полем.

Лавинный пробой обра­тим, т.е. при снятии напряже­ния свойства p-n-перехода восстанавливаются.

При дальнейшем увели­чении напряжения наступает тепловой пробой. Плотность обратного тока в этом режиме достигает такой величины, что переход начинает разо­греваться. Это приводит к появлению дополнительных электронно-дырочных пар в переходе, что в свою очередь еще больше увеличивает плотность тока.

Процесс разрушения p-n-перехода вследствие его перегрева обратным током называется тепловым пробоем.

Основные параметры выпрямительных диодов:

- I_пр.ср – средний прямой ток;

- U_{обр.мах} – максимально допустимое обратное напряжение;

- I_обр – величина обратного тока при заданном обратном наряжении;

- U_пр – величина прямого напряжения при заданном прямом токе I_пр;

 

 

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

 

Транзистор представляет собой двухпереходный прибор. Переходы образуются на границах тех трех слоев, из которых состоит транзистор. В зависимости от типа проводимости крайних слоев различают транзисторы
p-n-p и n-p-n со взаимно противоположными рабочими полярностями. Контакты с внешними электродами — омические.

Переход, работающий в прямом направлении, называется эмиттерным, а соответствующий крайний слой — эмиттером. 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 возможно, база должна иметь достаточно малую толщину w. В противном случае инжектированные носители успеют рекомбинировать в процессе перемещения через базу.

Характер движения инжектированных носителей в базе в общем случае заключается в сочетании диффузии и дрейфа. Электрическое поле, в котором происходит дрейф, может быть результатом высокого уровня инжекции, а также результатом неоднородности базового слоя. Последний случай имеет особенно большое значение, так как собственное поле неоднородного полупроводника обусловливает дрейфовый механизм движения носителей независимо от уровня инжекции. Транзисторы без собственного поля базы называются бездрейфовыми, а с собственным полем — дрейфовыми.

На рис. 5, а показана энергетическая диаграмма транзистора в равновесном состоянии. Легко видеть, что основные носители заряда в каждом слое (дырки в базе, электроны в эмиттере и коллекторе) находятся в потенциальных ямах, из которых они могут перейти в смежный слой только благодаря достаточно большой тепловой энергии. Наоборот, неосновные носители (электроны в базе, дырки в эмиттере и коллекторе) находятся на потенциальных гребнях, с которых они могут свободно переходить в смежный слой. В равновесном состоянии на обоих переходах имеется динамическое равновесие между потоками этих частиц.

Пусть к эмиттерному переходу приложено прямое смещение, а коллекторный переход по-прежнему замкнут (рис. 5, б). Тогда потенциальный барьер эмиттера понизится и начнется инжекция электронов в базу и дырок в эмиттер. Инжек тированные электроны, пройдя базу, доходят до коллекторного перехода и свободно проходят в коллектор (для них потенциального барьера в коллекторе нет). Значит, в выходной цепи будет протекать ток, близкий к току эмиттера, поскольку рекомбинация в тонкой базе невелика. Небольшая разность между эмиттерным и коллекторным токами составляет ток базы. Так как напряжение на выводах коллектор—база равно нулю, полезная мощность не выделяется и усиление отсутствует.

 

Рис. 5. Энергетические диаграммы транзистора при различных режимах работы

Включим теперь в выходную цепь резистор для выделения мощности (рис. 5, в). Коллекторный ток, проходящий через этот резистор, создаст на нем падение напряжения, полярность которого такова, что коллекторный p-n-переход будет смещен в прямом направлении. Тогда наряду с собиранием электронов, дошедших от эмиттера, будет происходить инжекция электронов самим коллектором. В результате коллекторный ток станет заметно меньше тока эмиттера. Так как оба перехода смещены в прямом направлении, то транзистор оказывается в режиме насыщения. Резистор оказывается зашунтированным коллекторным переходом, мощность в нагрузке практически не выделяется и усиления опять не будет. Как легко догадаться, ток базы при этом будет почти равен току эмиттера.

В нормальном усилительном режиме на коллекторный p‑ n‑ переход подается достаточно большое обратное смещение, которое приводит к существенному повышению потенциального барьера у коллектора (рис. 5, г). Теперь можно включить в выходную цепь резистор, обладающий значительным сопротивлением, без опасения вызвать инжекцию носителей через коллекторный переход. Для этого сопротивление должно удовлетворять условию U_к> I_кR. В таком режиме работы можно получить значительную выходную мощность, а главное — усиление мощности, так как токи I_к и I_э почти одинаковы, а сопротивление нагрузки явно превышает сопротивление прямосмещенного эмиттерного перехода.

При любом варианте включения транзистора имеется две входные величины (ток и напряжение) и две выходные. Взаимозависимость этих четырех величин можно выразить двадцатью четырьмя семействами характеристик, но наиболее широкое распространение получила система:

Первое уравнение — это семейство входных характеристик, второе — выходных. На рис. 6 представлены идеальные семейства входных и выходных характеристик транзистора. На входных характеристиках (рис. 6, а) кривая при U_кб=0 является обычной прямой ветвью диодной ВАХ. При значениях U_бк> 0 кривые сдвигаются влево и вверх в связи с нарастанием собираемого компонента эмиттерного тока.

Рис. 6. Идеальные статические характеристики транзистора:
а — входные; б — выходные

Выходные характеристики — это обратные ветви ВАХ диода, ток насыщения которого зависит от тока базы. Входной ток I_б в принципе может иметь не только положительную, но и небольшую отрицательную величину. Зависимость выходного тока коллектора от I_б обычно описывается следующим образом:

Коэффициент при токе I_б называется коэффициентом передачи базового тока. Довольно часто его называют также просто коэффициентом усиления транзистора. Обычно  > > 1. Ток — нулевой ток коллектора в схеме, т. е. ток при оборванной базе. Следует отметить, что режим работы транзистора с оборванной базой очень опасен из-за возможности пробоя, поэтому непосредственно ток не измеряют. Минимально возможный ток коллектора будет получаться при отрицательном токе базы.

 

ДИОДНЫЕ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n-переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n-переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 8).

Рис. 8. Транзистор в диодном включении

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n-переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n-переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n-переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода [1].

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑ n‑ переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер—база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

1. Определение вольт-амперных характеристик диодных структур транзисторов и характерных электрических параметров их. Исследование изменения электрических свойств диодов в зависимости от температуры.

2. Определение входных и выходных вольт-амперных характеристик транзисторных структур и исследование изменения электрических свойств транзисторов в зависимости от температуры.

 

 

⇐ Предыдущая1234Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. AT : химич. Природа, строение, свойства, механизм специфического взаимодействия с АГ
2. AVC достигают макс. величины при этом объеме
3. Aбстрактные классы, используемые при работе с коллекциями
4. E) может быть необъективным, сохраняя беспристрастность
5. E) Способ взаимосвязанной деятельности педагога и учащихся, при помощи которого достигается усвоение знаний, умений и навыков, развитие познавательных процессов, личных качеств учащихся.
6. Else write('не принадлежит')
7. else write('не принадлежит')
8. Gerund переводится на русский язык существительным, деепричастием, инфинитивом или целым предложением.
9. I. Общие обязанности машиниста перед приёмкой состава в депо.
10. I. Понятие и система криминалистического исследования оружия, взрывных устройств, взрывчатых веществ и следов их применения.
11. I. ПОСМОТРИТЕ НА ЭТИ ПОЛЯ ЗЕРНОВЫХ
12. I. Предприятия крупного рогатого скота