Полупроводниковые элементы.
Полупроводниковые диоды.
Основой работы полупродникового диода является наличие p-n перехода (рис. 1.9).
Вследствие диффузии дырки из p-области внедряются в n-область, а электроны из
n-области – в p-область. На переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий
дальнейшему (диффузионному) движению основных зарядов. Если приложить внешнее
электрическое поле, когда напряжение на p-электроде (аноде) меньше напряжения
на другом n-электроде (катоде), то этот потенциальный барьер еще более увеличится,
и ток будет создаваться неосновными носителями (электронами в p-области и дырками
в n-области). Этот малый по значению ток, называемый обратным, с увеличением напряжение
выходит на постоянное значение Io – обратный ток насыщения (см. рис. 1.9). Выбранную
полярность внешнего поля называют обратным смещением p-n перехода.
В
противоположной полярности внешнего электрического поля (прямое смещение перехода)
потенциальный барьер уменьшается и с ростом напряжения может даже исчезнуть. Прямой
ток в этом случае существенно больше обратного, так как создается уже основными
носителями p и n –областей перехода.
Выпрямительные свойства у полупроводникового
диода хуже, чем у лампового диода из-за существования обратного тока. Кроме этого,
полупроводниковые диоды обладают, как правило, большей собственной емкостью, что
не позволяет их использовать в области высоких частот. Отметим, что ВАХ диода
сильно зависит от температуры, с ростом которой увеличивается как прямой, так
и обратный ток.

Рис.1.9.
ВАХ полупроводникового диода. Io – обратный ток насыщения. Показано обозначение
диода и прямое смещение p-n перехода.
Существуют различные модификации
полупроводниковых диодов в связи с их техническими приложениями. Наличие значительной
барьерной емкости, зависящей от приложенного напряжения, у некоторого класса диодов,
называемых варикапами, используется в параметрических емкостных схемах (параметрические
усилители, параметроны и т.п.).
Рост обратного напряжения для классического
диода, в конце концов, приводит к его пробою (полевому или лавинному) с выходом
из строя. Для специально конструированных планарных диодов, называемых стабилитронами,
этот участок лавинного пробоя с резким возрастанием тока за счет лавинного рождения
электронно-дырочных пар, слабо зависящим от обратного напряжения, является рабочим
и используется в схемах стабилизации токов и напряжений (рис. 1.10).

Рис.
1.10. ВАХ стабилитрона. Реверсивной стрелкой показан рабочий участок ВАХ.
Наконец отметим полупроводниковый диод, обладающий подобно тетроду ВАХ с отрицательным
дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис.1.11), называемый туннельным. Его работа
основана на квантовом туннельном эффекте, при котором вследствие малой толщины
p-n перехода, что обеспечивается большой концентрацией примесей, возможно прохождение
носителей заряда с энергией меньшей потенциального барьера перехода. Но с увеличением
прямого напряжения барьер снижается, туннельный эффект пропадает, ток сначала
уменьшается, а затем растет как в обычном диоде. Главное преимущество туннельного
диода по сравнению с электронными лампами состоит в их быстродействии, так как
туннельный (квантовомеханический) перенос электронов происходит со скоростью,
близкой к скорости света.

Рис.1.11.
ВАХ туннельного диода.
1.2.2. Биполярные транзисторы.

a)
Транзистор p-n-p | 
b)
Транзистор n-p-n |
Рис. 1.12. Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый
прибор с двумя p–n переходами, обладающими управляющими свойствами (рис.1.12).

Рис.1.13.
Схема включения n-p-n траранзистора.
Рассмотрим схему на основе биполярного
транзистора n-p-n типа (рис. 1.13). На левом p-n переходе между крайней левой
областью (эммитер) и средней областью (база) создается прямое смещение, на правом
p-n переходе между базой и крайней правой областью (коллектор) – обратное. Левый
эмиттерный переход имеет малый потенциальный барьер для электронов как основных
носителей эмиттера, что дает им возможность проникнуть беспрепятственно в базу.
В свою очередь электроны в базе могут либо рекомбинировать с дырками, что создаст
определенный базовый ток iБ, либо диффузионно (поле в базе практически равно нулю)
пройти правый коллекторный переход, который для них также будет незапирающим,
и захватиться полем коллектора. Второй электронный процесс сформирует коллекторный
ток iК, который будет во много раз больше базового, так как благодаря малости
размеров и степени легирования базы большая часть электронов пройдет именно в
коллектор. Рассматривая область базы как узел для эмиттерного, базового и коллекторного
электродов, на основании второго закона Кирхгофа можно записать:
iЭ =
iК + iБ (1.7).

Рис.1.14
ВАХ биполярного транзистора. Выходная характеристика.
Все вышесказанное
поясняет ВАХ биполярного транзистора (рис. 1.14 и 1.15). С ростом тока базы увеличивается
коллекторный ток практически линейно (рис.1.14): iК = biБ,
и слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер uкэ. b - коэффициент передачи тока базы, может достигать значений ~ 103-104 для реальных транзисторов. Это так
называемый режим усиления транзистора (участок II ВАХ, рис.1.14). Когда напряжение
uкэ мало (начальный участок I ВАХ, рис.1.14), наблюдается резкое падение коллекторного
тока с уменьшением uкэ и он слабо зависит от тока базы. Говорят, что транзистор
при этом находится в режиме насыщения, который характеризуется тем, что оба перехода,
как эмиттерный, так и коллекторный смещены в прямом направлении, и для электронов
прошедших в базу из эмиттера коллекторный переход является в этом случае уже запирающим.
В связи с этим в базе происходит накопление носителей и их интенсивная рекомбинация,
и ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера.
ВАХ транзистора
(рис.1.15) определяющая зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер,
как правило, имеет крутой подъем коллекторного тока, начиная с определенного напряжения
UБЭпор, называемого пороговым. Для подобного вида нелинейной ВАХ хорошо подходит
кусочно-линейная аппроксимация с UH = UБЭ пор .

Рис.1.15
ВАХ биполярного транзистора. Проходная характеристика.
Отметим, что при
анализе транзистора в мы не учитывали еще обратные токи переходов (обратные токи
коллектора и эмиттера), обусловленные токами неосновных носителей, связанными
с процессами тепловой генерации, а также токами утечки по поверхности полупроводника.
В некоторых случаях они могут существенно влиять на работу транзистора, например,
при стабилизации работы усилителя (см. 5.3.2). В этом плане особенно важен обратный
ток коллектора iKБО, который в схеме (рис. 1.13) определяется как ток коллектора
при токе эмиттера равной нулю, т.е. когда цепь эмиттер-база разомкнута. Он представляет
собой суммарную не управляемую со стороны эмиттера составляющую тока коллектора.
Таким образом, общий ток коллектора равен сумме двух составляющих:
(1.8),
где a =b/(1+b)
- коэффициент передачи тока эмиттера, как правило, лишь немного меньше единицы.