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.
| Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах |