В зависимости от чего дырочный переход бывает открытым или закрытым
Перейти к содержимому

В зависимости от чего дырочный переход бывает открытым или закрытым

  • автор:

Электронно-дырочный переход,полупроводниковые диоды и их применение

Полупроводниковые диоды: классификация, свойства, применение

1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД,ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Дисциплина «Электротехника и электронная техника»

2. Полупроводники

Полупроводники
обладают промежуточными
свойствами
между
проводниками и диэлектриками.
Основным свойством полупроводников
является
изменение
их
электропроводности
под
действием
температуры, света, давления и при
наличии незначительных примесей
К полупроводникам принадлежат 12
химических элементов в средней части
таблицы Менделеева — В, С, Si, Ρ, S,
Ge, As, Se, Sn, Sb, Те, I, соединения
элементов
третьей
группы
с
элементами пятой группы, многие
оксиды и сульфиды металлов, ряд
других
химических
соединений,
некоторые органические вещества.

3. Собственная проводимость

На внешней (валентной) оболочке
кремния
имеется 4 электрона,
которые могут использоваться для
образования
связей
с
четырьмя
соседними атомами . Такие связи
называются парноэлектронными или
ковалентными.
В образовании этой
связи от каждого атома участвует по
одному валентному электрону, которые
отщепляют от атомов и при своем
движении большую часть времени
проводят
в
пространстве
между
соседними
атомами.
.
Дойдя
до
соседнего атома, он может перейти к
следующему, а затем дальше вдоль
всего кристалла.
С ростом температуры и освещенности кинетическая
энергия валентных электронов повышается, эти связи
могут разрушаться, образуя свободный электрон и
«дырку».
“Дырке”
условно
приписывается
положительный
заряд В электрическом поле они
перемещаются между узлами решетки, образуя
электрический ток

4. Донорные примеси (От латинского «donare» — давать, жертвовать)

При
наличии
примесей
в
полупроводниках
число
свободных
электронов возрастает во много раз.
Атомы мышьяка имеют пять валентных
электронов, четыре из них участвуют в
создании ковалентной связи данного
атома с окружающими, например с
атомами германия. Пятый валентный
электрон оказывается слабо связан с
атомом, легко покидает атом мышьяка и
становится свободным. Атом мышька
становится приобретает положительный
заряд.
Концентрация свободных электронов
значительно возрастает. Примеси, легко
отдающие
электроны,
называют
донорными
и
являются
полупроводниками
n-типа(от
слова
negative – отрицательный) .
В полупроводнике n-типа электроны
являются
основными
носителями
электрического заряда , а дырки – не
основными.

5. Акцепторные примеси (От латинского «acceptor» — приемщик)

Если
в
качестве
примеси
использовать индий, атомы которого
трехвалентны,
то
характер
проводимости
полупроводника
меняется. Теперь для образования
нормальных
парно-электронных
связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате
образуется дырка. Число дырок в
кристалле
равно
числу
атомов
примеси.
Такого
рода
примеси
называют
акцепторными (принимающими). При
наличии электрического поля дырки
перемешаются по полю и возникает
дырочная
проводимость.
Полупроводники
с
преобладанием
дырочкой
проводимости
над
электронной называют полупроводн
иками р-типа (от слова positive —
положительный).

6. История изобретения полупроводникового диода

В 1873 г. британский профессор Ф. Гатри открыл принцип работы ламповых вакуумных
диодов с прямым накалом. В 1873 г немецкий физик К. Браун сформулировал принцип
действия кристаллического диода, в 1899 г.получил патент.
В 1880 году Т. Эдисон заново открывает принцип работы лампового диода и получает
патент в 1884 г.
Д. Боус , изучив открытие Брауна, предлагает использовать твердотельный диод в
процессе детектирования радиосигнала в первых радиоприемниках.
В 1990 году американский инженер-электротехник Гринлиф Пикард создает первый в
мире радиоприемник на твердотельном диоде, получает патент спустя шесть лет после
открытия – в 1906 году.Диод имел название «детектор»
Понятие «диод» появилось в научном обиходе в 1919 году, его ввел британский физик
Вильям Иксл, объединив две части греческих слов: Di (два) и odos (путь
В России разработками ламповых и полупроводниковых диодов занимался
физик
Бенцион Вул.

7. Устройство и принцип действия полупроводникового диода

Полупроводниковый
диодполупроводниковый прибор
с одним
электрическим р-n переходом и двумя
выводами.
Диод имеет два вывода- анод и катод
Сторона p-типа, у полупроводникового
прибора
является анодом (положительным электр
одом),
а
область
n-типа—
катодом(отрицательным
электродом).
На некоторых диодах катод обозначают
полоской,
отличающейся
от
цвета
корпуса

8. Устройство и принцип действия полупроводникового диода

В
полупроводнике
n-типа
основными
носителями свободного заряда являются
электроны(Nn >> Np). В полупроводнике pтипа основными носитялеми являются дырки
(Np
>>
Nn).
При
контакте
двух
полупроводников n- и p-типов начинается
процесс диффузии: дырки из p-области
переходят
в
n-область,
а
электроны,
наоборот, из n-области в p-область. В
результате в n-области вблизи зоны контакта
уменьшается концентрация электронов и
возникает положительно заряженный слой. В
p-области уменьшается концентрация дырок
и возникает отрицательно заряженный слой.
Таким образом, на границе полупроводников
образуется двойной электрический слой,
электрическое поле которого препятствует
процессу диффузии электронов и дырок
навстречу друг другу (запирающий слой)
обычно достигает толщины порядка десятков
и сотен межатомных расстояний.
Объемные заряды этого слоя создают между p- и nобластями
запирающее
напряжение
Uз,
приблизительно равное 0,35 В для германиевых n–pпереходов и 0,6 В для кремниевых.n–p-переход
обладает удивительным свойством односторонней
проводимости.

9. Проверка односторонней проводимости диода

Мультиметр ставится в положение
проверки диода. Если красный щуп
касается анода, черный щуп — катода,
то
мультиметр
покажет
падение
напряжения
на прямом переходе
диода.
/
Если красный щуп касается катода,
черный щуп анода «бесконечность, т.е
сопротивление диода становится
бесконечно большим , а сила тока
равна нулю, что соответствует
обратному переходу диода

10. Проверка односторонней проводимости светодиода

Мультиметр ставится в положение
проверки диода. Если красный щуп
касается анода, черный щуп катода, то
мультиметр
покажет
падение
напряжения
на прямом переходе
диода. Светодиод начинает светиться
Если красный щуп касается катода,
черный щуп анода «бесконечность, т.е
сопротивление диода становится
бесконечно большим , светодиод не
светится

11. Технология изготовления точечных диодов

Точечные диоды имеют очень малую площадь p–
n перехода, причем линейные размеры ее меньше
толщины p–n перехода. Точечные р–n-переходы
образуются
в
месте
контакта
монокристалла
полупроводника
и
острия
металлической
проволочки. Для обеспечения более надежного
контакта его подвергают формовке, для чего уже
через
собранный
диод
пропускают
короткие
импульсы тока. В результате формовки из-за
сильного
местного
нагрева
материал
острия
пружинки
расплавляется
и
диффундирует
в
кристалл полупроводника, образуя слой иного типа
электропроводности, чем полупроводник. Между
этим слоем и кристаллом возникает p–n переход
полусферической
формы.
Благодаря
малой
площади p–n-перехода барьерная ёмкость точечных
диодов
очень
незначительна,
что
позволяет
использовать их на высоких и сверхвысоких
частотах.

12. Технология изготовления плоскостных диодов

Плоскостными называют такие диоды, у
которых размеры, определяющие площадь p–
n перехода, значительно больше его ширины.
У таких диодов площадь p–n перехода может
составлять от долей квадратного миллиметра
до
десятков
квадратных
сантиметров.
Плоскостные диоды изготавливают методом
сплавления
или
методом
диффузии
.
Плоскостные диоды имеют сравнительно
большую величину барьерной емкости (до
десятков пикофарад), что ограничивает их
предельную частоту до 10 кГц.

13. Виды диодов Выпрямительный диод

Выпрямительный
диод

это
полупроводниковый диод, предназначенный
для преобразования переменного тока в
постоянный.
Выпрямительные
диоды
работающие с высокими напряжениями и
токами называются силовыми. На рисунке
приведена
конструкция
выпрямительного
диода маломощного диода, изготовленного
методом сплавления.
1 – кристалл индия; 2 — германий n-типа; 3 стальной кристаллодержатель; 6 – корпус; 5 стеклянный
проходной
изолятор;
4
внутренний вывод (имеет специальный изгиб
для уменьшения механических напряжений
при изменении температуры).
Условное графическое
обозначение выпрямительного
диода

14. Виды диодов Диод с барьером Шоттки

Диоды
Шоттки
имеют
очень
малое
падение
напряжения
и
обладают
повышенным
быстродействием по сравнению с обычными диодами.
Назван в честь немецкого физика Вальтера Шоттки. В
диодахв качестве барьера используется переход
металл-полупроводник. Этот переход обладает рядом
особенных
свойств
:
пониженное
падение
напряжения при прямом включении, высокий ток
утечки,
очень
маленький
заряд
обратного
восстановления.
Это
объясняется
отсутствием
диффузии несновных носителей, т.е. они работают
только на основных носителях, а их быстродействие
определяется только барьерной емкостью.
Диоды Шоттки изготавливаются обычно на основе
кремния (Si) или арсенида галлия (GaAs), в качестве
металлов используются Ag, Au, Pt, Pd, W, которые
наносятся на полупроводник и дают величину
потенциального барьера 0,2. 0,9 эВ.
Допустимое обратное напряжение выпускаемых
диодов Шоттки ограничено 1200 вольт
Структура детекторного Шоттки диода:
1 — полупроводниковая подложка; 2 —
эпитаксиальная плёнка; 3 — контакт
металл-полупроводник; 4 —
металлическая плёнка; 5 — внешний
контакт
Условное графическое
обозначение диода Шоттки

15. Виды диодов Стабилитроны

Стабилитроны – диоды, предназначенные для
работы в режиме электрического пробоя,
использующие особенность обратной ветви
вольт-амперной характеристики на участке
пробоя изменяться в широком диапазоне
изменения
токов
при
сравнительно
небольшом
отклонении
напряжения.
Конструкции стабилитронов практически не
отличаются от конструкций выпрямительных
диодов.
Вольт-амперная
характеристика
стабилитрона представлена на рисунке.
Рабочий ток стабилитрона (его обратный ток)
не
должен
превышать
максимально
допустимое значение Iст max во избежание
перегрева полупроводниковой структуры и
выхода
его
из
строя.
Вольтампернаяхарактеристика и
условное графическое обозначение
стабилитрона

16. Схема включения стабилитрона

В
схемах
стабилитрон
включается
последовательно
с
резистором:
где Uвх — входное напряжение, Uвых.ст. выходное стабилизированное напряжение
При
последовательном
соединении
используется
свойство
делителя
напряжений :
Uвх=Uвых.стаб +Uрезистора
Входное напряжение равняется сумме
напряжений
на
стабилитроне
и
на
резисторе.
Эта схема называется параметрический
стабилизатор на одном стабилитроне

17. Схема включения стабилитрона

18. Проверка работы стабилитрона мультиметром

Пример: Электрическая схема состоит
из резистора номиналом в 1,5 КилоОм
и стабилитрона напряжением
стабилизации 5,1 В. Подключаем на
левую часть схемы напряжение 12
вольт, справа замеряем мультиметром
полученное напряжение. При
изменении входного напряжения
измеряемое напряжение мультиметром
не изменяется и равно 5,1 В.

19. Виды диодов Варикап

Электрическая емкость p-n перехода
p-n
переход,
подобно
конденсатору
имеет
электрическую емкость, к тому же зависящую от
напряжения, приложенного к p-n переходу. Это
свойство p-n перехода используется в специальных
диодах – варикапах, применяемых для настройки
колебательных контуров в приемниках. Обычно
емкость
оказывает
мешающее
воздействие,
замедляет
переключение
диода,
снижает
его
быстродействие. Такая емкость часто называется
паразитной. Она показана на рисунке .
Варикап – это полупроводниковый диод, в котором
используется зависимость барьерной ёмкости р–пперехода от обратного напряжения. Таким образом,
варикап можно рассматривать как конденсатор,
ёмкость которого можно регулировать при помощи
электрического сигнала. Максимальное значение
емкости варикап имеет при нулевом обратном
напряжении.
При обратном включении диода
возрастает ширина потенциального
барьера, отчего барьерная ёмкость
снижается.

20. Виды диодов Импульсный диод

Импульсными называют диоды, предназначенные для
пропускания в прямом включении очень коротких
импульсов, длительностью менее микросекунды, с
большой амплитудой тока. Импульсные диоды,
функционирующие на частоте примерно 1 ГГц, часто
обладают точечной конструкцией. Когда
через
импульсный диод протекает электрический ток в
прямом включении и резко изменить полярность
приложенного напряжения, то диод мгновенно не
перейдёт
в
закрытое
состояние,
а
вначале
существенно возрастёт обратный ток, обусловленный
наличием на участке электронно-дырочного перехода
повышенной концентрации неосновных носителей
заряда. Затем обратный ток начинает снижаться
вследствии рекомбинации неосновных носителей
зарядов и их миграции через электронно-дырочный
переход,
по
окончании
чего
обратный
ток
установится на определённом уровне.
Импульсные диоды применяют в электронных
ключах, генераторах, модуляторах и формирователях
импульсов
Условное графическое
обозначение импульсного диода

21. Виды диодов Тиристор

Тиристор имеет два устойчивых состояния: 1)
закрытое,
то
есть
состояние
низкой
проводимости, 2) открытое, то есть состояние
высокой проводимости. Другими словами он
способен под действием сигнала переходить
из закрытого состояния в открытое.
Тиристор имеет три вывода, кроме Анода и
Катода еще и управляющий электрод используется для перевода тиристора во
включенное состояние.
Тиристоры часто используются в схемах для
регулировки мощностей, для плавного пуска
двигателей
или
включения
лампочек.
Тиристоры позволяют управлять большими
токами. У некоторых типов тиристоров
максимальный прямой ток достигает 5000 А и
более, а значение напряжений в закрытом
состоянии до 5 кВ.
Условное графическое
обозначение тиристора

22. Виды диодов Симистор

Симистор
используется
в
системах,
питающихся переменным напряжением, его
можно представить как два тиристора,
которые
включены встречно-параллельно.
Симистор
пропускает
ток
в
обоих
направлениях.
Условное графическое
обозначение симистра

23. Виды диодов Светодиод

Светодиод
излучает
свет
при
пропускании
через
него
электрического
тока.
Светодиоды
применяются в устройствах индикации
приборов, в электронных компонентах
(оптронах), сотовых телефонах для
подсветки дисплея и клавиатуры,
мощные светодиоды используют как
источник света в фонарях и т.д.
Светодиоды бывают разного цвета
свечения.Они широко применяются в
цифровых, буквенных и точечных
индикаторах в вычислительной и
измерительной технике.
Условное графическое
обозначение светодиода
.

24. Виды диодов Инфракрасный диод

Инфракрасные
светодиоды
(сокращенно ИК диоды) излучают свет
в инфракрасном диапазоне . Области
применения
инфракрасных
светодиодов
это
оптические
контрольно-измерительные приборы,
устройства
дистанционного
управления,
оптронные
коммутационные
устройства,
беспроводные линии связи. ИК диоды
обозначаются
так
же
как
и
светодиоды. ИК диоды излучают свет
вне видимого диапазона, свечение ИК
диода можно увидеть через камеру
сотового
телефона.ИК
диоды
применяют
в
камерах
видеонаблюдения,
особенно
на
уличных камерах чтобы в темное
время суток была виден объект.
Условное графическое
обозначение ИКдиода

25. Виды диодов Фотодиод

Фотодиод преобразует свет попавший
на его фоточувствительную область, в
электрический
ток,
находит
применение в преобразовании света в
электрический сигнал.
При отсутствии светового потока
сопротивление диода велико, а ток в
цепи и напряжение на резисторе
Uвых практически равны нулю. При
воздействии светового потока обратное
сопротивление
фотодиода
уменьшается,
появляются
ток
и
напряжение
Uвых,
зависящие
от
освещенности фотодиода. Фотодиоды
применяют в устройствах считывания
чертежей и графиков, в пылемерах,
для измерения уровней жидкостей и
т.д.
Условное графическое
обозначение фотодиода

26. Диодный мост

Дио́дный
мо́ст

электрическое
устройство,
предназначенное
для
преобразования
(«выпрямления»)
переменного тока в пульсирующий.
Такое
выпрямление
называется
двухполупериодным .
Однофазная
мостовая
схема(по
мостовой схеме Гретца):
Условное графическое
обозначение однофазного моста
Гретца

27. Диодный мост

Трехполупериодная схема, образуется
мостом, состоящим из шести диодов в
трехфазной
сети.
На
выходе
формируются две фазы постоянного
тока.
Схема
была
разработана
Ларионовым А.Н-советским учёным в
области электротехники в 1923 г.

28. Маркировка диодов

Для того чтобы определить вид,
узнать
характеристику
полупроводникового
диода,
производители
наносят
специальные
обозначения
на
корпус элемента. Она состоит из
четырёх частей. На первом месте буква или цифра, означающая
материал, из которого изготовлен
диод. Может принимать следующие
значения:
Г (1) — германий;
К (2) — кремний;
А (3) — арсенид галлия;
И (4) — индий.
На втором — типы диода. Они тоже
могут иметь разное значение:
Д — выпрямительные;
В — варикап;
А — сверхвысокочастотные;
И — туннельные;
С — стабилитроны;
Ц — выпрямительные столбы и
блоки.
На третьем месте располагается
цифра, указывающая на область
применения элемента.
Четвёртое место — числа от 01 до
99, означающее порядковый
номер разработки.

Тесты по электронике

1. Зависимость тока стока I от одного из напряжений U при фиксированной величине второго – это:

А) вольтамперная характеристика

Б) выходная характеристика

В) входная характеристика

Г) амплитудно-частотная характеристика

2. Что является преимуществом полярных транзисторов?

А) отсутствие наклеенного катода

Б) наличие накаленного катода

В) можно использовать в полевых условиях

Г) чувствительность к повышению температуры

3.Коэффициент передачи тока эммитера – это коэффициент:

4. В каких режимах могут работать полевые транзисторы?

А) активном, отсечки и насыщения

Б) пассивном и активном

В) дырочном и пробойном

Г) лавинном и тепловом

5. В каком режиме транзистор используется для усиления сигнала с малыми искажениями?

6. Зависимость тока коллектора при постоянном токе базы – это:

А) выходная характеристика

Б) входная характеристика

В) вольтамперная характеристика

Г) амплитудно-частотная характеристика

7.Прибор, имеющий 2 взаимодействующих Pn перехода называется:

А) полярный транзистор

8. На чем основана работа полевого транзистора?

А) использовании основных носителей заряда

Б) использовании интегральных микросхем

В) наличии удельного сопротивления

Г) наличии перехода

9. Полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемый электрическим полем — это:

А) полевой транзистор

Б) биполярный транзистор

10. Какие параметры характеризуют устойчивость транзистора при работе в диапазоне температур:

А) электрод, подключенный к центральному слою

Б) электрод, подключенный к внешнему слою

В) место, где хранится важная информация

12. Главное отличие коллектора от эммитера :

А) бо́льшая площадь p — n-перехода

Б) слой, к которому он подключен

Г) выходная характеристика

13. Сколько режимов работы биполярного транзистора существует?

14. В каком режиме эмиттерный переход имеет обратное включение, а коллекторный переход — прямое:

В) режиме насыщения

Г) режиме отсечки

15. В чём достоинство схемы с общим коллектором?

А) большое входное сопротивление

Б) малое входное сопротивление

В) большое выходное сопротивление

Г) усиление напряжения

Тест №2

1. Резкое изменение режима работы диода называется:

2. Носителями какого заряда являются электроны?

В) положительного и отрицательного

3. В зависимости от чего дырочный переход бывает открытым или закрытым?

А) от направления электрического тока

Б) наличия перегородки

В) от напряжения

Г) от сопротивления

4. Какими свойствами обладает Pn переход?

5. Какая характеристика диода является основной?

6. Какие виды проводимости бывают?

А) электронная и дырочная

Б) электрическая и неэлектрическая

В) дырочная и недырочная

Г) магнитные и электронные

7.От чего зависит допустимый выпрямленный ток?

А) от температуры окружающей среды

Б) от подаваемого напряжения

В) от сопротивления на резисторе

Г) свой вариант ответа

8. Резкое изменение режима работы диода называется:

9. При повышенной температуре возрастает прочность:

А) теплового пробоя

Б) лавинного пробоя

В) прямого пробоя

Г) обратного пробоя

10. Полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания – это:

11. Какие виды пробоя лежат в основе стабилитрона?

А) лавинный и туннельный

Б) тепловой и лавинный

В) лавинный и снеговой

Г) туннельный и шахтовый

12. В результате чего возникает лавинный пробой?

А) ударной ионизации

Б) ударной волны

В) ионизации излучения

Г) полярной ионизации

13. Вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков – это:

14. Пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона:

15.Явления, обусловленные взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем, называются:

Тест по радиоэлекторнике.

1.Как может быть осуществлена передача информации?

А) по электрическим линиям или без проводов с помощью э/м линий;

Б) через Интернет;

В) через Bluetooth;

Г) через электроприборы;

2.Кто является основателем радиоэлектроники?

А) Фарадей, Кулон, Максвелл, Герц, Попов;

Б) Гоголь, Пушкин;

3.Что такое электротехника?

А) наука об электрической энергии;

Б) наука об основных положениях физики;

В) наука о средствах потребления энергии;

Г) наука о растениях;

4.Из чего состоит электрическая цепь?

А) источник электрической энергии и проводов;

Б) из резистора и амперметра;

В) из электричества;

5.Как обозначается напряжение?

6.В результате чего сформировалась радиоэлектроника?

А) слияния электроники и радиотехники;

Б) электричества и световых потоков;

В) слияние микро и макро процессов;

Г) столкновения литосферных плит;

7.В каком веке стремительно развивалась радиоэлектроника?

8.Что называют радио — электрическими средствами?

А) электронное средство в основы которого положены принципы радиотехники;

Б) наука об электрической энергии;

В) электрические линии;

Г) средства передачи информации;

9.В чем измеряется напряжение?

Б) в сантиметрах;

В) в световых днях;

10.Как обозначается сила тока?

11.В чем измеряется сила тока?

12.Каким прибором измеряется напряжение?

13.Каким прибором измеряется сила тока?

14.Как обозначается сопротивление?

15.В чем измеряется сопротивление?

16.Каким прибором измеряется сопротивление?

17.Как обозначается напряженность?

18.В чем измеряется напряженность?

19.Каким прибором измеряется напряженность?

20.По какой формуле вычислется закон Ома?

В зависимости от чего дырочный переход бывает открытым или закрытым

Электропроводность полупроводников, образование и
свойства p-n-перехода.
Чистые полупроводники имеют небольшую насыщенность носителей заряда, то есть свободных электронов, а также дырок. Для увеличения проводимости полупроводника и сообщения ему какого-либо типа электропроводности – дырочной при превосходстве дырок или электронной при превосходстве свободных электронов – в чистые полупроводники внедряют определенные примеси. Такая операция называется легированием, а надлежащие полупроводниковые вещества – легированными.
Легирующие примеси представляют собой химические элементы третьей и пятой групп периодической системы Менделеева. Легирующие элементы третьей группы образуют дырочную проводимость полупроводниковых веществ, их называют акцепторными примесями, а элементы пятой группы – электронную проводимость и именуются донорными примесями.
Проводимость легированного полупроводника значительно зависит от насыщенности примесей. Слаболегированные полупроводники применяют для производства полупроводниковых транзисторов и диодов небольшой мощности. Сильнолегированные полупроводники с большей проводимостью используют для создания мощных диодов, тиристоров, транзисторов.
Основной значимостью для функционирования полупроводниковых приборов обладает электронно-дырочный переход, иначе именующийся p-n-переходом.
Электронно-дырочным переходом именуют область на рубеже двух полупроводников, у одного из которых электронная, а у иного – дырочная проводимость.
В практике p-n-переход создают внедрением в примесный полупроводник добавочной легирующей примеси.

Например, при внедрении донорной примеси в какое-либо место полупроводника p-типа, в нем возникает полупроводниковая область n-типа, стоящая на границе полупроводника p-типа.
Разберем схематически возникновение p-n-перехода при схождении двух полупроводников с разными типами проводимости (рис.1). До соприкосновения в этих полупроводниках дырки, электроны, а также неподвижные ионы были расположены равномерно (рис. 1, а).
При схождении полупроводников внутри пограничного слоя происходит так называемая рекомбинация, т. е. воссоединение электронов и дырок. Свободные электроны полупроводника n-типа захватывают свободные ниши в валентной области полупроводника n-типа. В итоге рядом с границей обоих полупроводников появляется слой, утративший подвижных переносчиков заряда и, следовательно, обладающий низкой электропроводностью, называемый запирающим слоем (рис1, б). Толщина такого слоя не выше нескольких микрометров.
Увеличению запирающего слоя затрудняют неподвижные ионы акцепторных и донорных прибавок, которые формируют на рубеже полупроводников двойной запирающий ряд (слой). Данный слой указывает контактную разность потенциалов, иначе называющийся контактным барьером φк на рубеже полупроводников (рис. 1, в). Появившаяся разность потенциалов вызывает в запирающем ряду (слое) электрическое поле, затрудняющее как переход электронов полупроводник p-типа из полупроводника n-типа, так и переход дырок из полупроводника p-типа. Одновременно с этим электроны имеют возможность свободно передвигаться в полупроводник n-типа из полупроводника p-типа. Следовательно, контактное напряжение тормозит передвижению основных носителей заряда и не затрудняет продвижению неосновных носителей заряда. Впрочем при передвижении сквозь p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток Iдр) наблюдается снижение контактного напряжения (разности потенциалов φк), что допускает некоторой доле основных носителей, обладающих достаточной энергией, форсировать потенциальный барьер, порожденный контактным напряжением φк. возникает ток диффузии Iдиф, который имеет направление навстречу тока дрейфа Iдр. Появляется динамическое равновесие, где Iдр=Iдиф.
Если к p-n-переходу подключить внешнее напряжение, производящее в запирающем слое электрополе напряженностью Евн, совпадающее по направленности с полем напряженностью Езап, в котором расположены неподвижные ионы (рис. 2, а), то это послужит только расширению (увеличению) запирающего слоя, т. к. будет отводить от контактной зоны как положительные, так и отрицательные электроны и дырки.

В данном случае p-n-переход имеет большое сопротивление, а ток через него будет течь очень незначительно, так как он характеризуется течением неосновных носителей заряда. В данном случае ток называется обратным, и p-n-переход именуется закрытым.
Если поменять местами провода источника напряжения (рис. 2, б), внешнее электрическое поле имеет встречную направленность полю двойного электрического слоя, и толщина запирающего ряда (слоя) снижается и при достижении напряжения 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет. Сопротивление p-n-перехода быстро падает, и появляется довольно большой ток. В этом случае ток называется прямым, переход – открытый. При этом сопротивление p-n-перехода будет равняться сопротивлению самого полупроводника.
На рис. 3 представлена развернутая вольт-амперная характеристика закрытого и открытого p-n-переходов. Эта характеристика нелинейная. На участке 1 графика ЕвнЕвн, запирающего слоя нет, ток определяется лишь проводимостью полупроводника. На фрагменте 3 графика запирающий слой затрудняет передвижению основных носителей, малый ток зависит от движения неосновных носителей заряда. Изгиб вольт-амперной характеристики в основе координат определяется какими-либо масштабами напряжения и тока при прямом и обратном течении напряжения, которое прикладывается к p-n-переходу. И напоследок, на участке 4 возникает пробой p-n-перехода и обратный ток резко возрастает. Связано это с тем, что при течении сквозь p-n-переход под влиянием электрополя неосновные носители заряда получают энергию, довольную для сильной ионизации атомов полупроводника. В переходе появляется лавинообразное увеличение носителей заряда, что приводит к быстрому возрастанию обратного тока через p-n-переход, напряжение же при этом почти не изменяется. Такой тип электрического пробоя называется лавинным. В большинстве случаев он прогрессирует в более широких p-n-переходах, рождающихся в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках величина запирающего слоя уже, что затрудняет появлению лавинного пробоя, т. к. движущиеся носители не получают энергии, довольной для ударной ионизации. При этом может появляться электрический пробой p-n-перехода, когда при доведении до критической напряженности электрополя в p-n-переходе за счет энергии поля возникают пары носителей – электрон-дырка, и ощутимо растет обратный ток перехода.
Для электрического пробоя свойственна обратимость, содержавшаяся в том, что исходные качества p-n-перехода полностью возобновляются, если понизить напряжение на p-n-переходе.
Вследствие этого электрический пробой применяют как рабочий режим в полупроводниковых диодах.
При возрастании температуры p-n-перехода из-за его разогрева обратным током при недостаточном теплоотводе, усиливается развитие генерации пар носителей. А это приводит к последующему возрастанию обратного тока и разогреву p-n-перехода, что способно породить разрушение перехода. Данный процесс называется тепловым пробоем. Тепловой пробой опасен для полупроводниковых приборов тем, что уничтожает p-n-переход.
В сильнолегированных полупроводниках (например, в соединениях арсенида галлия) возможно возникновение квантово-механического туннельного эффекта, состоящего в том, что в местах 1 и 3 (рис. 3) при минимальной толщине запирающего слоя основные носители заряда способны форсировать запирающий слой помимо изменения энергии. Эти условия проводятся в конкретном диапазоне напряжений, это влечет за собой к увеличению тока на сегменте 1 прямой ветви при Uпр ≤ 0,4 В и на сегменте 3 обратной ветви. Последующее увеличение прямого напряжения повлечет к истощению туннельного эффекта, и при Uпр > 0,4 В он полностью пропадает. В итоге, благодаря туннельному эффекту возрастает ток на прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода (рис. 3).
Закрытый p-n-переход имеет электрическую емкость. Она зависит размеров перехода и диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Если увеличить обратное напряжение, ширина p-n-перехода также увеличивается, а емкость С p-n-перехода будет уменьшаться. Такая зависимость показана на рис. 4.

Особенности легированных и чистых полупроводников и характеристики p-n-перехода часто применяют в полупроводниковых сопротивлениях и диодах. В транзисторах и тиристорах применяют электрические характеристики, которые определяются взаимным действиям нескольких p-n-переходов.
Подведем итоги. Что нужно знать о свойствах p-n-перехода.
Свойства p-n-перехода без напряжения:
1. В области p-n-перехода всегдапроисходитдиффузия. Благодаря диффузии создаются объемные заряды.
2. В p-n-переходе всегда образуется электрическое поле. Это поле очень слабое – 0,7 – 1 В.
3. Электрическое поле создает дрейф неосновных носителей заряда в области, откуда они пришли. Ток дрейфа равен току диффузии, суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Свойства p-n-перехода при прямом напряжении:
1. Прямое напряжение ослабляет поле p-n-перехода (понижает потенциальный барьер).
2. Через p-n-переход проходит большой прямой ток.
3. p-n-переход имеет очень малое сопротивление (R близко к нулю).
4. Прямое напряжение имеет небольшую величину.
Свойства p-n-перехода при обратном напряжении:
1. Обратное напряжение усиливает поле p-n-перехода (повышает потенциальный барьер);
2. Через p-n-переход протекает очень незначительный ток, т. е. почти не пропускает ток;
3. p-n-переход при обратном напряжении имеет очень большое сопротивление (R стремится к бесконечности).
4. Обратное напряжение имеет сравнительно большое напряжение.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называется трехэлектродный усилительный полупроводниковый прибор, имеющий трехслойную p-n-p, либо n-p-n структуру с двумя взаимодействующими (ключевое слово) p-n переходами.

Свое имя «TRANSferresISTOR» (дословно – «переходное сопротивление») этот полупроводниковый прибор получил в 1948 году от Уильяма Шокли. Термин «биполярный» подчеркивает тот факт, что принцип действия транзистора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц обоих знаков — как дырок, так и электронов.

Рис. 1. Упрощенный вид внутреннего устройства биполярного транзистора p-n-p структуры.

На рис. 1 показан упрощенный вид внутренней структуры объемного маломощного биполярного p-n-p транзистора. Крайнюю слева р + область называют эмиттером. Промежуточная n область называется базой. Крайняя p область справа – коллектор. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между базой и коллектором – коллекторным.

  • Расстояние между металлургическими границами переходов называется физическойтолщинойбазы«L» .
  • Расстояние между обедненными зонами называется эффективной толщиной базы «W».

Для того, чтобы уменьшить интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе, необходимо выполнить условие , то есть физическая толщина базы должна быть меньше диффузионной длины. Это означает автоматическое выполнение условия , что обуславливает взаимодействие переходов.

Эмиттер предназначен для инжекции дырок в базу. Область эмиттера имеет небольшие размеры, но большую степень легирования – концентрация акцепторной примеси NA в эмиттере кремниевого транзистора достигает ~ 10 17 – 10 18 ат/см 3 (этот факт обозначен символом р + ). Область базы легирована нормально – концентрация донорной примеси ND в ней составляет ~ 10 13 – 10 14 ат/cм 3 . В этом случае эмиттерный переход получается резко несимметричным, поскольку обедненная зона располагается, в основном, в базе. Диффузия носителей становится односторонней, так как резко уменьшается встречный поток электронов из базы в эмиттер, что также уменьшает интенсивность процессов рекомбинации дырок в базе.

Теперь выделим еще раз особенности структуры, которые обеспечивают хорошие усилительные свойства транзистора, уменьшая интенсивность процессов рекомбинации:

  • тонкая база — ;
  • односторонняя диффузия (несимметичный эмиттерный переход)

Область коллектора имеет наибольшие размеры, поскольку в его функцию входит экстракция носителей, диффундировавших через базу. Кроме того, на коллекторе рассеивается большая мощность, что требует эффективного отвода тепла.

Биполярные транзисторы, как правило, изготавливаются из кремния, германия или арсенида галлия. По технологии изготовления биполярные транзисторы делятся на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные.

Биполярные транзисторы являются усилительными приборами и, поэтому, применяются для построения схем усилителей, генераторов и преобразователей электрических сигналов в широком диапазоне частот (от постоянного тока до десятков гигагерц) и мощности (от десятков милливатт до сотен ватт). В соответствии с этим биполярные транзисторы делятся на группы по частоте:

  1. низкочастотные­ не более 3 МГц;
  2. средней частоты — от 3 МГц до 30МГц;
  3. высокочастотные- от 30 МГц до 300 МГц;
  4. сверхвысокочастотные — более 300 МГц

По мощ­ности выделяют следующем образом:

  • маломощные — не более 0,3 Вт;
  • средней мощности — от 0,3 Вт до1,5 Вт;
  • большой мощности — более 1,5 Вт.

В настоящее время парк биполярных транзисторов очень разнообразен. Сюда входят как обычные транзисторы, которые работают в самых различных аналоговых, импульсных и цифровых устройствах, так и специальные, например, лавинные тран­зисторы, предназначенные для формирования мощных импульсов наносе­кундного диапазона. Следует упомянуть многоэмиттерные, а также составные биполярные транзисторы (транзисторы Дарлингтона), обладающие очень высоким коэффициентом передачи тока.

2. Принцип действия

Рассмотрим активный режим работы транзистора, когда эмиттерный переход открыт прямым смещением Uэб, а коллекторный закрыт обратным смещением Uкб. Для этого воспользуемся одномерной моделью транзистора, которая показана на рис. 2. Модель характерна тем, что все физические величины зависят только от продольной координаты, поперечные же размеры бесконечны. Стрелками на рисунке обозначены положительные направления токов (от «+» к «–»), дырки обозначены открытыми, а электроны – закрытыми кружками. Сокращения: ЭП – эмиттерный переход, КП – коллекторный переход.

Рис. 2. Иллюстрация принципа действия биполярного транзистора p-n-p структуры.

Предположим, что в начальный момент времени ключ «К» разомкнут. Эмиттерный переход закрыт, поскольку потенциальный барьер в обедненной области перехода запрещает диффузию носителей, несмотря на огромный градиент концентраций на переходе – дырок слева 10 17 см -3 , а справа 10 6 см -3 . Это режим отсечки. Транзистор закрыт, существует только небольшой обратный тепловой ток обратно смещенного коллекторного перехода.

Теперь замкнем ключ «К». Потенциальный барьер понижается вследствие частичной компенсации внутреннего электрического поля встречно направленным внешним электрическим полем источника Uэб. Начинается процесс диффузии, вследствие огромного градиента концентраций дырок между эмиттером и базой. Дырки диффундируют или инжектируются из эмиттера в базу, где меняют статус – становятся неосновными. Для неосновных носителей нет потенциального барьера, другими словами, диффундируя через базу в направлении коллекторного перехода, они попадают во втягивающее поле коллекторного перехода и экстрагируются в область коллектора. В цепи коллектора эти дырки создают дрейфовый ток, пропорциональный току эмиттера:

где α – доля дырок, достигших коллектора, или коэффициент передачи тока эмиттера. Поскольку небольшая часть дырок, инжектированных из эмиттера в базу, все же успевает рекомбинировать, то всегда α . При достаточно тонкой базе α может доходить до 0,99 и более. Уменьшение концентрации электронов в базе в результате рекомбинации восполняется потоком электронов от внешнего источника Uэб через внешний вывод базы. Таким образом внутренний ток рекомбинации, являющийся дырочным, полностью компенсируется электронным током через электрод базы:

В цепи коллектора кроме управляемого тока протекает неуправляемый дрейфовый обратный ток Iкб0, обусловленный, в основном, тепловой генерацией электронно-дырочных пар в объеме перехода. Этот ток очень мал, он не зависит от напряжения Uкб, а зависит только от температуры. Обратный ток коллектора Iкб0 измеряется при разомкнутой цепи эмиттера, о чем говорит индекс «0» (ноль).

Полный ток, протекающий во внешней цепи коллектора, имеет дырочный характер и равен

В нормальных условиях работы поэтому с хорошей точностью полагают, что ток во внешней цепи коллектора равен

а ток во внешней цепи базы имеет электронный характер и равен

Согласно первому закону Кирхгофа,

Для удобства, формально, вводят коэффициент передачи тока базы

Коэффициент связан с коэффициентом соотношением

3. Режимы работы и способы включения

Рис. 3.1. Условное обозначение на схеме биполярного транзистора p-n-p структуры и n-p-n структуры .

Условные обозначения биполярного транзистора на схеме, показаны на рис. 3.1, а показано условное графическое обозначение биполярного транзистора по ГОСТ для формата листа А4. Стрелка на выводе эмиттера всегда направлена от «p» к «n», то есть указывает направление прямого тока открытого перехода. Кружок обозначает корпус дискретного транзистора. Для транзисторов в составе интегральных схем он не изображается. На рис. 3.1, б и в показаны структуры p-n-p и n-p-n соответственно. Принцип действия транзисторов обеих структур одинаков, а полярности напряжений между их электродами разные. Поскольку в транзисторе два перехода (эмиттерный и коллекторный) и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора.

  • Активный режим, когда эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Активный режим работы является основным и используется в усилительных схемах.
  • Режим насыщения— оба перехода открыты.
  • Режим отсечки— оба перехода закрыты.
  • Инверсный режим— эмиттерный переход закрыт, коллекторный — открыт.

В большинстве транзисторных схем транзистор рассматривается как четырехполюсник. Поэтому для такого включения один из выводов транзистора должен быть общим для входной и выходной цепей. Соответственно различают три схемы включения транзистора, которые показаны на рис. 3.2: а) с общей базой (ОБ), б) общим эмиттером (ОЭ) и в) общим коллектором (ОК). На рисунке указаны положительные направления токов, а полярности напряжений соответствуют активному режиму работы.

Рис. 3.2. Схемы включения транзистора слева направо: схема с ОБ, ОЭ и ОК.

В схеме ОБ входную цепь является цепь эмиттера, а выходной – цепь коллектора. Эта схема наиболее проста для анализа, поскольку напряжение Uэб прикладывается к эмиттерному переходу, а напряжение Uкб – к коллекторному, причем источники имеют разные знаки.

В схеме ОЭ входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь коллектора. Напряжение Uбэ> 0 прикладывается непосредственно к эмиттерному переходу и открывает его. Напряжение Uкэ той же полярности распределяется между обоими переходами: Uкэ = Uкб + Uбэ. Для того чтобы коллекторный переход был закрыт, необходимо выполнить условие Uкб = Uкэ — Uбэ> 0, что обеспечивается неравенством Uкэ> Uбэ> 0.

В схеме ОК входной цепью является цепь базы, а выходной – цепь эмиттера.

4. Статические вольт-амперные характеристики

Транзистор, как любой четырехполюсник, можно охарактеризовать четырьмя величинами — входными и выходными напряжениями и токами: Uвх = U1, Uвых = U2, Iвх = I1, Iвых = I2. Функциональные зависимости между этими постоянными величинами называются статическими характеристиками транзистора. Чтобы установить функциональные связи между указанными величинами, необходимо две из них взять в качестве независимых аргументов, а две оставшиеся выразить в виде функций этих независимых аргументов. Как правило, применительно к биполярному транзистору в качестве независимых аргументов выбирают входной ток и выходное напряжение. В этом случае

Обычно соотношения (4.1) представляют в виде функций одного аргумента. Для этого второй аргумент, называемый параметром характеристики, фиксируют. В основном, используют два типа характеристик транзистора:

Следует отметить, что общепринято представление вольт-амперной характеристики как функции тока от напряжения, поэтому входная характеристика используется в виде обратной функции

Статические характеристики транзистора могут задаваться аналитическими выражениями, но в большинстве случаев их представляют графически в виде семейства характеристик, которые и приводятся в справочниках.

4.1. Статические характеристики в схеме с ОБ

В схеме с ОБ (рис. 3.2.а) входным током является ток эмиттера Iэ, а выходным – ток коллектора Iк, соответственно, входным напряжением является напряжение Uэб, а выходным – напряжение Uкб.

Входная характеристика в схеме ОБ представлена зависимостью

которая, в свою очередь, является прямой ветвью вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода. Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, а. Зависимость Iэ от Uкб как от параметра связана с эффектом Эрли: увеличение обратного смещения коллекторного перехода Uкб уменьшает эффективную толщину базы W, что приводит к некоторому росту Iэ. Это проявляется в смещении входной характеристики в сторону меньших значений . Режиму отсечки формально соответствует обратное напряжение Uэб> 0, хотя реально эмиттерный переход остается закрытым () и при прямых напряжениях .

Выходная характеристика транзистора в схеме ОБ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик n-p-n транзистора показано на рис. 4.1, б. Форма кривых в активной области соответствует форме обратной ветви вольт-амперной характеристики коллекторного перехода.

Рис. 4.1. Семейства входных (а) и выходных (б) характеристик биполярного транзистора в схеме с ОБ.

Выражение для идеализированной выходной характеристики в активном режиме имеет вид

Отсюда следует, что ток коллектора определяется только током эмиттера и не зависит от напряжения Uкб, т.е. характеристики в активном режиме расположены параллельно оси абсцисс. На практике же при увеличении Uкб имеет место небольшой рост Iк, связанный с эффектом Эрли, характеристики приобретают очень незначительный наклон. Кроме того, в активном режиме характеристики практически эквидистантны (расположены на одинаковом расстоянии друг от друга), и лишь при очень больших токах эмиттера из-за уменьшения α кривые несколько приближаются друг к другу.

При Iэ = 0 транзистор находится в режиме отсечки и в цепи коллектора протекает только неуправляемый тепловой ток (Iк = Iкб0).

В режиме насыщения на коллекторном переходе появляется открывающее его прямое напряжение Uкб, большее порогового значения Uкб пор, и возникает прямой диффузионный ток навстречу нормальному управляемому току Iк. Этот ток называют инверсным. Инверсный ток резко увеличивается с ростом , в результате чего Iк очень быстро уменьшается и, затем, меняет знак.

4.2. Статические характеристики в схеме с ОЭ

В схеме с ОЭ (рис. 3.2, б) входным током является ток базы Iб, а выходным – ток коллектора Iк. Соответственно, входным напряжением является напряжение Uбэ, а выходным – Uкэ.

Рис. 4.2. Семейства входных (а) и выходных характеристик (б) биполярного транзистора в схеме с ОЭ.

Входная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

что, как и в схеме с ОБ, соответствует прямой ветви вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода.

Семейство входных характеристик кремниевого n-p-n транзистора показано на рис. 4.2, а. Зависимость тока базы Iб от напряжения на коллекторе Uкэ, как и в предыдущем случае, обусловлена эффектом Эрли. Уменьшение эффективной ширины базы W с ростом Uкэ приводит к уменьшению тока рекомбинации, а, следовательно, тока базы в целом. В результате, характеристики смещаются в сторону больших значений Uбэ. Следует отметить, что Iб = 0 при некотором значении Uпор> 0, когда рекомбинационный ток (1-α)Iэ становится равным тепловому току Iкэ0. При Uбэ пор, Iб = — Iкэ0, что соответствует режиму отсечки.

При Uкэ бэ открывается коллекторный переход, и транзистор переходит в режим насыщения. В этом режиме вследствие двойной инжекции в базе накапливается очень большой избыточный заряд электронов, интенсивность рекомбинации которых с дырками резко возрастает, и ток базы стремительно растет.

Выходная характеристика в схеме с ОЭ представляет собой зависимость

Семейство выходных характеристик показано на рис. 7.6б. Для получения идеализированной выходной характеристики в активном режиме из соотношения (2.2), учитывая (2.6), исключим ток эмиттера. Тогда

Ток Iкэ0 называют сквозным тепловым током транзистора, причем, как видно из (4.11),

Семейство выходных характеристик целиком расположено в первом квадранте. Данный факт обусловлен тем, что в схеме с ОЭ напряжение Uкэ распределено между обоими переходами. При Uкэ бэ напряжение на коллекторном переходе меняет знак и становится прямым. В результате транзистор переходит в режим насыщения при Uкэ> 0. В режиме насыщения характеристики сливаются в одну линию, т.е. Iк становится неуправляемым и не зависит от тока базы.

Как видно из рис. 4.2 .б, в активном режиме кривые проходят под углом к оси абсцисс, причем этот угол увеличивается с ростом тока базы. Такое поведение кривых обусловлено эффектом Эрли. Однако рост Iк при увеличении Uкэ выражен значительно ярче, чем в схеме с ОБ, поскольку в активном режиме эмиттерный переход приоткрыт падением напряжения на материале базы в результате протекания коллекторного тока. Это приводит к дополнительному увеличению коллекторного тока Iк с ростом напряжения Uкэ. Этим же объясняется отсутствие эквидистантности и наличие в β раз большего, чем Iкб0, сквозного теплового тока Iкэ0 (4.11).

  • транзисторы
  • биполярные транзисторы
  • электроника

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *