Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют п/п прибор с одним p-n-переходом, имеющий два вывода и обладающий свойством односторонней проводимости. Все диоды можно разделить на две группы: выпрямительные, предназначенные для выпрямления переменного тока, и специальные, использующие различные свойства p-n-переходов (явление пробоя, барьерную емкость, фотоэффект и т.д.).

Конструктивно выпрямительные диоды делятся на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные. Плоскостные диоды благодаря большой площади p-n-перехода используются для выпрямления больших токов. Точечные диоды имеют малую площадь перехода и, соответственно, предназначены для выпрямления малых токов.

Условное обозначение диода приведено на рис.4.1.

Основными параметрами диодов являются:

I _{пр. макс} – максимально допустимый прямой ток;

U _{обр. макс} – максимально допустимое обратное напряжение;

f _макс – максимальная частота сигнала, при котором диод сохраняет свои выпрямительные свойства.

Максимально допустимая температура перехода Т_{пер.макс} для германиевых диодов составляет 70°С, для кремниевых - 125°С.

Система обозначений диодов состоит из буквенных и цифровых элементов. Первый элемент – буква или цифра определяет исходный материал, из которого изготовлен диод: Г или 1 – германий; К или 2 – кремний; А или 3 – соединения галлия; И или 4 – соединения индия. Вторым элементом служит буква, определяющая класс прибора (выпрямительные – Д; выпрямительные сборки – Ц; стабилитроны – С; варикапы – В; светодиоды – Л; О – оптопары; И – туннельные диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; Г – генераторы шума). После второго элемента идет число, характеризующее назначение прибора, номер разработки. Обозначение заканчивается буквами, характеризующими специальные параметры диода (например, максимально допустимое обратное напряжение).

Специальные полупроводниковые приборы.

Стабилитрон – это п/п диод, работающий на обратной ветви ВАХ в режиме лавинного пробоя, и предназначенный для стабилизации напряжения.

Условное обозначение стабилитрона приведено на рис.

Основные параметры стабилитрона: U_ст – номинальное напряжение стабилизации; r_д – дифференциальное сопротивление при заданном токе; I_{ст мин} – минимальный ток стабилизации; I_{ст макс} – максимально допустимый ток стабилизации; Р_макс – максимально допустимая рассеиваемая мощность.

На основе стабилитронов выполняются стабилизаторы напряжения.

Варикап - п/п прибор, действие которого основано на использовании зависимости емкости перехода от значения приложенного напряжения. Это позволяет применять варикап в качестве элемента с электрически управляемой емкостью.

Основными параметрами варикапа являются: С_в – емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении; К_С – коэффициент перекрытия по емкости, равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напряжения (К_С = 2…20).

Излучающий диод – это п/п прибор, излучающий из области p-n-перехода кванты энергии.

По характеристике излучения излучающие диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды; диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК-диоды.

Фотодиод – п/п прибор, принцип действия которого основан на использовании внутреннего фотоэффекта – генерации в полупроводнике под действием квантов света (фотонов) свободных носителей заряда.

Фотодиод используют для преобразования светового излучения в электрический ток.

Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор – это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала. Он имеет трехслойную структуру, где чередуются слои p и n-типа. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков – электроны и дырки.

Толщину базового слоя делают очень тонкой, меньше диффузионной длины носителей заряда, т.е. меньше расстояния, которое проходят носители заряда до рекомбинации. У современных приборов толщина базы единицы микрон. Кроме того, концентрацию легирующей примеси базы делают на два-три порядка меньше концентрации примесей в эмиттерной и коллекторной областях.

Эмиттерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный в обратном. При отсутствии напряжения на эмиттерном переходе коллекторный переход закрыт, ток через нагрузку R_н не идет. При подаче напряжения на эмиттерный переход через него пойдет прямой ток, образованный диффузией дырок в базу и диффузией электронов в эмиттер. Поскольку концентрация электронов в базе значительно меньше, чем концентрация дырок в эмиттере, то большая часть дырок пройдет тонкую базу без рекомбинации и диффундируют в область коллектора. Здесь они, перемещаясь под действием коллекторного напряжения (которое для них является прямым), создадут коллекторный ток. Небольшая часть дырок, рекомбинировавших в базе создадут небольшой ток базы, примерно на два порядка меньший токов эмиттера и коллектора.

Таким образом, коллекторный ток и пропорциональное ему напряжение на R_н почти полностью определяются количеством эмиттированных дырок, т.е. током эмиттера. Несмотря на то, что токи эмиттера и коллектора примерно равны, напряжение в цепи коллектора, а следовательно и мощность могут в десятки раз превышать напряжение и мощность в цепи база-эмиттер. На этом и основано усилительное действие транзистора.

Соотношения токов транзистора I_э = I_к + I_б.

Входная характеристика транзистора I_б = f (U_бэ) _{Uкэ = const.} представляет собой ВАХ p-n-перехода, которая описывается уравнением Эберса – Молла (см. выше).

Выходные характеристики показывают, что, во-первых, приращение тока коллектора пропорционально изменению тока базы. Во-вторых, ток коллектора почти не зависит от напряжения на коллекторе.

h-параметры транзистора.

В общем случае транзистор можно представить в виде четырехполюсника.

u₁ – переменная составляющая напряжения между базой и эмиттером;

i₁ – переменная составляющая тока базы;

u₂ – переменная составляющая напряжения между коллектором и эмиттером;

i₂ – переменная составляющая тока коллектора.

Эти величины связаны между собой соотношениями:

u₁ = h₁₁ × i₁ + h₁₂ × u₂;

i₂ = h₂₁ × i₁ + h₂₂ × u₂, где

h₁₁ = u₁/i₁½u₂=0 – входное сопротивление транзистора при короткозамкнутой выходной цепи;

h₁₂ = u₁/u₂½i₁=0 – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе во входной цепи;

h₂₁ = i₂/i₁ ½u₂=0 – коэффициент передачи тока при коротком замыкании выходной цепи;

h₂₂ = i₂/u₂½i₁=0 – выходная проводимость при холостом ходе во входной цепи.

Принадлежность параметра к соответствующей схеме включения транзистора отражается добавлением индексов: б, э, к. С помощью h-параметров удобно описывать работу транзистора. Причем h-параметры легко получить экспериментально.

Схемы включения транзистора

Существуют три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и общим коллектором.

Схема с общей базой ОБ.

Перенос тока из эмиттерной цепи в коллекторную характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера h_21б.

Поскольку I_э = I_к + I_б, а также то, что выходным током для данной схемы является ток коллектора, а входным ток эмиттера, можно записать

h_21б = I_вых / I_вх = DI_к / DI_э» 0,95 ¸ 0,99.

Поэтому

I_к = h_21б I_э;

I_б = I_э - I_к = (1 - h_21б) I_э.

Хотя h_21б меньше единицы, коэффициенты усиления по напряжению и по мощности могут достигать больших значений. Дело в том, что при прямом включении эмиттерного перехода его сопротивление переменному току R_вх составляет всего несколько десятков Ом, а сопротивление коллекторного перехода, включенного в обратном направлении R_вых, достигает сотен кОм. Поэтому в выходную цепь транзистора можно включать большое сопротивление нагрузки R_н >> R_вх. Тогда коэффициент усиления по напряжению

k_U = U_вых / U_вх = I_кR_н / I_эR_вх = h_21бR_н / R_вх >> 1.

по мощности

k_P = Р_вых / P_вх = I²_кR_н / I²_эR_вх = h²_21бR_н /R_вх >> 1.

Итак, для схемы с ОБ:

h_21б < 1; k_U >> 1; k_P >> 1; R_вх – мало; R_вых – велико.

Схема с общим эмиттером ОЭ.

Для схемы с ОЭ входным током является ток базы I_б, а выходным ток коллектора I_к. Эта схема применяется наиболее часто, т. к. коэффициент передачи по току гораздо больше, чем у других схем.

h_21э = I_вых / I_вх = DI_к / DI_б = I_к / I_э = I_к / (I_э – I_к),

разделив на I_э, получим

h_21э = h_21б /(1 - h_21б).

Например, при h_21б =0,99, h_21э = 99. Следовательно, схема с ОЭ обладает довольно значительным усилением по току. Так как схема обладает также усилением по напряжению, то усиление по мощности данной схемы значительно больше, чем схемы с ОБ.

Итак, для схемы с ОЭ:

h_21э >> 1; k_U >> 1; k_P >> 1; R_{вх э} > R_{вх б}; R_вых – велико.

Схема с общим коллектором ОК

Для схемы с ОК входным током является ток базы I_б, а выходным I_э. Коэффициент передачи по току

h_21к = I_вых / I_вх = DI_э / DI_б = I_э / I_б = I_э / (I_э – I_к) = 1 / (1 – h_21б) = h_21э + 1,

несколько больше, чем в схеме с ОЭ. Схема не усиливает напряжения k_U = 1, потому схему с ОК часто называют эмиттерным повторителем. Для данной схемы характерно большое входное сопротивление R_{вх к} >> 1, благодаря чему она используется для согласования высокоомного выхода одного каскада усиления с низкоомным входом другого.

Итак, для схемы с ОК:

h_21к >> 1; k_U = 1; k_P >> 1; R_{вх к} – велико; R_вых – мало.

Полевые транзисторы

Полевым транзистором называется п.п. прибор, в котором регулирование тока производится изменением проводимости проводящего канала с помощью электрического поля, перпендикулярного направлению тока.

Каналом называют центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком, а электрод, через который основные носители уходят из канала – стоком. Электрод, служащий для регулирования ширины проводящего канала называют затвором.

Полевые транзисторы могут быть с каналом n-типа и каналом p-типа. Затвор, соответственно, будет p-типа или n-типа. Между затвором и истоком приложено напряжение, запирающее p-n-переход. На границе между затвором и каналом возникает слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением. Это приводит к уменьшению проводящей ширины канала. Изменяя напряжение U_зи, можно изменять сечение проводящего канала, а значит проходящий через канал ток. Если напряжение U_зи достаточно велико, канал полностью перекрывается областью p-n-перехода.

Поскольку p-n-переход включен в обратном направлении, ток через затвор не идет. Поэтому входное сопротивление полевого транзистора велико, и это является преимуществом последнего перед биполярным транзистором.

Выходные характеристики полевого транзистора при U_зи > 0 располагаются ниже характеристики при U_зи = 0, т.е. при U_зи = 0 ток стока имеет максимальное значение, и при увеличении обратного напряжения U_зи, ток I_ст уменьшается.

Таким образом, в отличие от биполярных транзисторов, выходной ток которых определяется входным током, в полевых транзисторах выходной ток I_ст зависит от напряжения U_зи на управляющем электроде (затворе) относительно истока. Эта зависимость выражается переходной характеристикой транзистора, снятую при напряжении U_си = const.

Полевой транзистор с изолированным затвором – это транзистор, затвор которого электрически изолирован от канала слоем диэлектрика, а p-n-переход отсутствует. Их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП

(металл-окисел-полупроводник) транзисторами.

Характеристики их в основном аналогичны характеристикам транзисторов с затвором в виде p-n-перехода. Но изолированный затвор позволяет работать в области положительных напряжений между затвором и истоком.

Основными параметрами полевых транзисторов являются: крутизна передаточной характеристики

S = dI_ст / dU_зи при U_си = const;

дифференциальное сопротивление стока на участке насыщения

R_c = dU_си / dI_с при U_зи =const.

Предельно допустимыми параметрами являются: максимально допустимые напряжения U_{си макс} и U_{зи макс}; максимально допустимая мощность стока Р_{ст макс}, максимально допустимый ток стока I_{ст макс}.

Тиристоры

Тиристор – это п.п. прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p-n-перехода, который может скачком переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Служит в качестве бесконтактного включателя. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Первые называются динисторами, вторые – тринисторами.

Динистор представляет собой четырехслойную p-n-p-n структуру.

Если на анод подано положительное напряжение относительно катода, то переходы 1 и 3 будут смещены в прямом направлении, а переход 2 – в обратном. Поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу 2.

Динистор можно представить в виде двух транзисторов.

Обозначив коэффициенты передачи их h_21б1 и h_21б3, получим, что ток через переход 2 равен

I₂ = h_21б1I₁ + h_21б2I₃ + I_ко, (1)

где I₁, I₃, токи, соответственно первого, и третьего переходов, а I_ко – обратный ток второго перехода. Так как переходы соединены последовательно, то I₁ = I₂ =I₃ = I. Тогда

I = I_ко / [1-(h_21б1 + h_21б2)]. (2)

Пока выполняется условие (h_21б1 + h_21б2) < 1 ток в динисторе будет равен I_ко. Если же сделать (h_21б1 + h_21б2) > 1, то динистор включается и начинает проводить ток.

Для увеличения коэффициентов передачи тока h_21б1 и h_21б2 нужно увеличивать напряжение на динисторе. При увеличении напряжения на динисторе до значения U_вкл один из транзисторов будет переходить в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения. В результате этого динистор откроется, и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи.

Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения I_уд, или поменяв полярность на аноде.

Тринистор отличается от динистора наличием третьего вывода от базовой области. Это позволяет путем подачи на него напряжения управлять напряжением включения.

Управляющий электрод (УЭ) может быть подведен к любой из баз тринистора.

Ток и напряжение цепи управления малы, а ток в анодной цепи может достигать сотен ампер при напряжениях источника питания от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиления по мощности у тринисторов достигает порядка 10⁴ ¸ 10⁵.

Симистор (симметричный тиристор) представляет собой многослойную структуру n-p-n-p-n-типа, состоящую из пяти чередующихся слоев, которые образуют четыре p-n - перехода.

Симистор имеет симметричную характеристику. Он может работать в цепи переменного тока.

Основными параметрами тиристоров являются: U_вкл – напряжение включения; I_вкл – ток включения; I_{откр. макс} – максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии; U_{обр. макс} – максимально допустимое постоянное обратное напряжение; t_вкл – время включения, в течение которого тиристор переходит из закрытого состояния в открытое; t_выкл – время выключения; P_{ср. макс} – максимально допустимая средняя мощность; I_{у. отп} – постоянный отпирающий ток управляющего электрода.

В обозначении тиристоров второй элемент (буква) обозначает: Н – динистор; У – тринистор.