Административное право

Г.

Приборы

Электронные полупроводниковые

(Конспект лекций)

Содержание

1. Образование p – n перехода и его свойства.

1.1. Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике.

1.2.Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.

1.3. Схема замещения, частотные и температурные свойства p – n перехода.

2. Полупроводниковые диоды.

2.1 Понятие, конструкции p – n перехода диодов, маркировка диодов.

2.2 Выпрямительный диод

2.3 Высокочастотный диод

2.4 Импульсный диод

2.5 Стабилитрон

2.6 Стабистор

2.7 Варикап

2.8 Тунельный диод

3. Транзисторы

3.1 Типы транзисторов, классификация, маркировка транзисторов.

3.2. Биполярные транзисторы.

3.2.1. Устройство, конструкция, принцип действия биполярного

транзистора.

3.2.2. Схемы включения биполярного транзистора.

3.2.3 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора.

3.2.4 Динамические характеристики биполярного транзистора, включённого

по схеме с ОЭ.

3.2.5 Коэффициенты усиления биполярного транзистора.

3.2.6 Эквивалентные схемы биполярного транзистора

3.2.7 Параметры биполярного транзистора.

3.2.8 Составной биполярный транзистор.

3.3 Полевой транзистор.

3.3.1 Понятие, элементы и типы полевых транзисторов.

3.3.2 Конструкции и принцип действия полевых транзисторов.

3.3.3 Условные обозначения и схемы включения полевых транзисторов.

3.3.4 Вольтамперные характеристики полевых транзисторов.

1. Образование р-n перехода и его свойства

1.1 Полупроводник, виды проводимости в полупроводнике, рекомбинация в полупроводнике.

При оценке свойств любого вещества одним из основных понятий является его валентность. Она характеризуется числом свободных электронов на внешней орбите атома вещества. Основываясь на валентности, все вещества подразделяются на проводники, изоляторы и полупроводники. Вещества, обладающие свойствами проводника, имеют валентность меньше четырёх. Вещества, имеющие валентность более четырёх обладают свойством изолятора. Вещества с валентностью равной четырём называется полупроводниками.

Одним из главных свойств любого вещества является его удельное электрическое сопротивление, которое для проводника, полупроводника и изолятора соответственно лежит в следующих интервалах:

ρ_пров.=10^-6 ÷ 10^-4 Ом·см.

ρ_n/n=10^-4 ÷ 10¹⁰ Ом·см.

ρ_изол.= 10¹⁰ ÷ 10¹⁵ Ом·см.

Как видно, по величине удельного электрического сопротивления полупроводники занимают среднее положение между проводниками и изоляторами.

Для изготовления современных полупроводниковых приборов применяются кремний, германий, арсенид галлия и индий.

Электропроводящие свойства проводника определяются наличием в нём заряженных частиц, передвигающихся под действием электрического поля. В проводнике такими заряженными частицами являются электроны. Иногда проводимость, создаваемая электронами, называется электронной проводимостью.

В полупроводнике кроме электронной проводимости имеет место дырочная проводимость. При этом каждая из этих проводимостей может быть собственной и примесной (рисунок 1.1)

Рисунок 1.1 – Виды проводимости в полупроводниках

Рассмотрим понятия электронной и дырочной проводимости. Электронная проводимость определяется движением электронов. Из-за отрицательного заряда электрона эта проводимость называется проводимостью типа–n от английского слова negative – отрицательный. Механизм создания дырочной проводимости состоит в следующем (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Механизм создания дырочной проводимости

В некоторый момент времени t₁ электрон под действием поля E, сходит с внешней орбиты атома и атом превращается в ион с положительным зарядом. В этом случае говорят, что появилась «дырка», (на рисунке 1.2 заштриховано), имеющая положительный заряд, т.е. свободное место для электрона. Под действием электрического поля Е в момент времени t₂ электрон сходит с внешней орбиты близлежащегоатома и занимает место «дырки». Произошло как бы перемещение «дырки». В следующий момент времени t₃ электрон с соседнего атома занимает место этой «дырки» и создаётся «дырка» в другом атоме. Перемещение «дырки» продолжается. Так как «дырка», как ион, имеет положительный заряд, то этот вид проводимости был назван проводимостью типа–p от английского слова positive – положительный.

Собственная и примесная проводимость. Если полупроводник химически чистый (без примесей), то число свободных электронов равно числу дырок. В полупроводнике тогда имеет место и электронная и дырочная проводимость. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

Собственная проводимость не позволяет создать полупроводниковые приборы с нужными свойствами. Необходимо, чтобы в полупроводнике преобладала электронная или дырочная проводимость. Этого можно достичь, если в полупроводник ввести примесь. В качестве примесных материалов используются мышьяк, висмут, алюминий, галий, индий. В этом случае проводимость называется примесной. Примеси, вызывающие увеличение числа электронов, а значит создающие проводимость типа–n, называются донорными. Такими примесями являются мышьяк и висмут. Примеси, вызывающие увеличение числа «дырок», а значит создающие проводимость типа–p, называются акцепторными. Таким примесями являются алюминий, галий, индий.

Основные и не основные носители. Те носители зарядов в полупроводнике с примесью, которых больше и которые определяют тип проводимости, называются основными носителями. Тогда носители противоположных зарядов, которых значительно меньше основных носителей, называются неосновными носителями. Например, в полупроводнике типа–p основными носителями являются «дырки», а не основными электроны.

В полупроводнике, как отмечалось, периодически происходит объединение электронов и «дырок». Этот процесс называется рекомбинацией. В установившемся режиме, например, когда температура окружающей среды не измена, число генерированных носителей зарядов равно числу рекомбинированных, и концентрация носителей зарядов остаётся неизменной или равновесной. При изменении условий, например, той же температуры окружающей среды, это равновесие нарушается.

1.2 Образование p–n перехода, его свойства, вольтамперная характеристика.

При соприкосновении (присоединении) двух полупроводников из одного материала (кремний или германий и т.д.), но с различной проводимостью в месте их соединения появляется участок с особыми свойствами, который называется p–n переходом. Итак, p–n переходом называется область, лежащая в зоне соединения двух полупроводников из одного материала, но имеющих разную проводимость. На рисунке 2.1,а показана конструкция p–n перехода, типы проводимостей полупроводников и их основные носители зарядов.

Рисунок 2.1 – Конструкция p-n перехода (а), модель конденсатора (б)

Как говорилось выше, в полупроводнике типа–p высокая плотность положительно заряженных частиц, а в полупроводнике типа–n высокая плотность отрицательно заряженных частиц. При соединении этих полупроводников возникает диффузионный процесс заряженных частиц. В результате положительно заряженные частицы из полупроводника типа–p проникают в полупроводник типа–n, а отрицательные частицы из полупроводника типа–n проникают в полупроводник типа–p. В окрестности соединения полупроводников происходят рекомбинационные процессы, т.е. взаимная нейтрализация положительных и отрицательных частиц. В результате этого в этой зоне концентрация заряженных частиц становится очень низкой и по электрическим свойствам приближается к диэлектрику. На рисунке 2.1,а этот участок заштрихован как диэлектрик и его принято называть запирающим слоем. Толщина запирающего слоя обозначается буквой d. Электрическое сопротивление запирающего слоя составляет около 200 Ом, а сопротивление полупроводников p и n–проводимостей составляет около 5 Ом.

Однако, не все заряженные частицы рекомбинируются. Часть из них проникает в тело полупроводника за границы запирающего слоя, скапливаются там и создают объёмный заряд. В результате по границам запирающего слоя создаются объёмные заряды в полупроводнике типа–p отрицательной полярности, а в полупроводнике типа–n положительной полярности и между ними возникает электрический потенциал, препятствующий (тормозящий) диффузионному процессу. В результате диффузионного процесса происходит нарастание объёмных зарядов, что приводит к увеличению разности потенциала между ними, а значит, к увеличению электрического поля, препятствующее диффузионному процессу. При определённом значении величин объёмных зарядов тормозящее электрическое поле становится на столько значительным, что заряженные частицы не могут преодолеть его, и диффузионный процесс останавливается. Разность между потенциалами объёмных зарядов принято называть потенциальным барьером и обозначать как Δφ. Величину потенциального барьера ещё называют контактной Э.Д.С. и обозначают как Е_к. Величина контактной Э.Д.С. зависит от количества примесей в полупроводниках. Увеличение количества примесей увеличивает число основных носителей, а значит, увеличивает Е_к. Обычно величина контактной Э.Д.С. составляет десятые доли вольт и имеет значения:

Е_к=0,3÷0,7 В.

Необходимо отметить, что установившееся равновесие, отображающееся в ширине запирающего слоя и величине контактной Э.Д.С., носит режим динамического равновесия. Так часть заряженных частиц, формирующих объёмный заряд, рекомбинируют, что приводит к снижению величины объёмного заряда, а значит к снижению потенциального барьера. Это снижает тормозящее действие поля, что создаёт условие для дополнительного проникновения заряженных частиц в объёмные заряды и восстановления их до прежнего уровня. Аналогичные динамические процессы имеют место и в запирающем слое.

В установившемся динамическом режиме p–n переход, как было рассмотрено, характеризуется наличием запирающего слоя с изоляционными свойствами и расположенными с обеих сторон от него объёмными зарядами с противоположными знаками. Это всё вместе свойственно и конденсатору (рисунок 2.1,б), который состоит из двух пластин, между которыми находится изоляция, а на пластинах которого находятся заряды противоположной полярности. В связи с этим p–n переход характеризуется ещё определённой электрической ёмкостью, которую принято называть барьерной ёмкостью и обозначать С_б.

Итак, как следует из рассмотренного, p–n переход характеризуется наличием запирающего слоя, потенциального барьера и барьерной ёмкостью.

При лабораторных условиях эксплуатации приборов температура такова, что некоторое число основных носителей зарядов в каждой из областей обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера и перехода из одного полупроводника в другой. Образуются соответственно электронная (I_{n диф}) и дырочная (I_{p диф}) составляющие диффузионного тока. Электрическое поле, создающее потенциальный барьер для основных носителей, является ускоряющим для неосновных носителей, которые проходят через p–n переход и создают электронную (I_{n др}) и дырочную (I_{p др}) составляющие дрейфового тока. Диффузионный и дрейфовый токи имеют противоположные направления. В изолированном полупроводнике (без внешней цепи) результирующий ток должен равняться нулю, т.е. устанавливается динамическое равновесие токов, чему соответствует следующее уравнение:

I_n – I_{n др} + I_p – I_{p др} = 0 (1.1)

Вольтамперная характеристика.

Электрические свойства p-n перехода определяются полярностью приложенного напряжения. Различают прямое и обратное включение p-n перехода. Под прямым включением понимается такое, при котором положительный потенциал источника подключен к полупроводнику с положительной проводимостью (типа–p), а отрицательный потенциал источника подключен к полупроводнику с отрицательной проводимостью (типа–n). Изменение полярности подключения источника к p–n переходу приводит к обратному его включению. Рассмотрим электрические процессы в p–n переходе при прямом и обратном включении.

На рис 2.2,а показано прямое включение p–n перехода.

Рисунок 2.2 – Прямое включение (а) и В.А.Х. при прямом включении (б) p-n перехода

Рассмотрим электрические процессы при изменении приложенного прямого напряжения U_np от нулевого до некоторого значения. Прямое напряжение направлено встречно контактному Э.Д.С. Е_к.

Если U_np<E_k, то величина потенциального барьера уменьшается. Это приводит к переходу через p–n переход основных носителей, что вызывает ток через p–n переход и во внешней цепи. Следовательно, увеличивается число основных носителей, проникающих через p–n переход, т. е. возрастает диффузионный ток p–n перехода и прямой ток будет равен разности диффузионного тока и дрейфового тока

I_np = I_диф – I_др > 0

Во внешней цепи появляется ток малой величины (рисунок 2.2,б; точка а). При уменьшении потенциального барьера уменьшается ширина запирающего слоя d и уменьшается его омическое сопротивление из-за увеличения в нём числа заряженных частиц.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения приводит к устранению потенциального барьера и вызывает заметное увеличение числа основных носителей заряда, проходящих через p–n переход, а значит, увеличивается ток во внешней цепи. Исчезает (рассасывается) запирающий слой и теперь сопротивление p–n перехода определяется контактным сопротивлением двух полупроводников, которое равно около 0,5 Ом и омическим сопротивлением ПП (рисунок 2.2,б; точка б). В этом случае сопротивление всей цепи определяется сопротивлением полупроводниковой области каждого из полупроводников и, с учётом контактного сопротивления, равно 5*2+0,5=10,5 Ом. Учитывая, что контактное сопротивление имеет малое значение и его величиной обычно пренебрегают.

Дальнейшее увеличение прямого напряжения вызывает увеличение тока в цепи, значение которого определяется по закону Ома и зависит от величины U_np и величины омического сопротивления полупроводников (рисунок 2.2,б; участок б–в). График представленный на рисунке 2.2,б называется вольтамперной характеристикой p–n перехода при прямом включении.

При обратном включении p–n перехода (рисунок 2.3,а) положительный потенциал источника подключается к полупроводнику с отрицательными основными

Рисунок 2.3 – Обратное включение (а) и В.А.Х. при обратном включении (б) p-n перехода

носителями (проводимость типа–n), отрицательный потенциал источника подключается к полупроводнику с положительными основными носителями (проводимость типа–p). В этом случае направление контной Э.Д.С. (Е_к) и приложенного обратного напряжения (U_обр) совпадают. Величина потенциального барьера в зоне контакта полупроводников равна сумме этих напряжений. Увеличение U_обр от нулевого значения вызывает увеличение числа неосновных носителей, проходящих через p–n переход, что ведёт к некоторому увеличению обратного тока (рисунок 2.3,б; участок о–а). Не останавливаясь на подробностях физических процессов, следует отметить, что при обратном напряжении увеличивается ширина запирающего слоя и его омическое сопротивление. На этом интервале большая часть неосновных носителей (которых на много меньше числа основных носителей) участвует в создании обратного тока. Дальнейшее увеличение обратного напряжения незначительно увеличивает обратный ток (рисунок 2.3,б; участок а–б). Последующее увеличение обратного напряжения вызывает внутреннюю электростатическую эмиссию (зенеровский пробой), т.е. срыв электронов с внешних орбит с последующей ударной ионизацией (лавинный пробой). В полупроводниках появляется большое число неосновных носителей, что ведёт к возрастанию обратного тока. Следствием его может быть разогрев полупроводника и его тепловой пробой (тепловое разрушение).

На рисунке 2.4 приведена вольтамперная характеристика p–n перехода при прямом и обратном напряжении. Из неё видно, что p–n переход при прямом напряжении имеет малое сопротивление.

Рисунок 2.4 – Вольтамперная характеристика p-n перехода

Это приводит к тому, что при малом прямом напряжении (доли и единицы вольт) через него протекает большой ток. При обратном напряжении сопротивление p–n перехода велико и при десятых вольт ток не превышает доли ампер. Это свойство p–n перехода называется свойством однонаправленности – пропускать ток в одном направлении и не пропускать ток в обратном направлении, т.е. иметь малое сопротивление при одной полярности напряжения (прямое включение) и иметь высокое сопротивление при противоположной полярности напряжения (обратное включение).

Сравнивая электрические свойства p–n перехода кремния и германия (рисунок 2.5) следует отметить, что при положительном напряжении В.А.Х. кремния более крутая чем у германия.

Рисунок 2.5 – Сравнительные В.А.Х. p-n перехода для кремния и германия

Обратный ток у кремния заметно меньше обратного тока германия. Эти свойства учитываются как при построении ПП приборов, так и при применении ППП одного типа, но выполненных из разных материалов.

1.3 Схема замещения, частотные и температурные свойства p–n перехода.

Каждый полупроводниковый прибор (диоды, транзисторы) содержит хотя бы один p–n переход. При расчёте электрических цепей, содержащих полупроводниковый прибор, последний должен быть представлен в виде схемы замещения, которая отображает его свойства. Основой схемы замещения полупроводникового прибора является схема замещения p–n перехода (рисунок 1.7).

Рисунок 1.7 – Схема замещения p-n перехода

В схеме замещения через r_p и r_n обозначены сопротивления участков полупроводников до p–n перехода соответственно для полупроводников с проводимостью типа–p и типа–n. Через r_д обозначается сопротивление p–n перехода, величина которого зависит от полярности приложенного напряжения, как было рассмотрено выше. Через С_б обозначается барьерная ёмкость p–n перехода.

Наличие барьерной ёмкости в p–n переходе влияет на его частотные свойства. При работе полупроводникового прибора к его p–n переходам прикладывается переменное напряжение с определенной частотой. Как известно, сопротивление конденсатора определяется по формуле:

, где

На низких частотах при обратном напряжении r_д << x_c и сопротивление параллельно соединенных r_д и C_б определяется сопротивлением r_д (т. к. сопротивление x_c → ∞). Этому случаю соответствует В.А.Х. p–n перехода на рисунке 1.8 при f₁. В этом случае p – n переход сохраняет свои однонаправленные свойства.

Рисунок 1.8 – Влияние частоты сигнала на вид В.А.Х. p-n перехода

При увеличении частоты сигнала сопротивление барьерной емкости уменьшается, что ведет к возникновению обратного тока через нее. В результате полный обратный ток между выводами схемы замещения p–n перехода будет равен сумме токов через r_д и C_б. Это ведет к увеличению обратного тока. Дальнейшее увеличение частоты ведет к еще большому увеличению обратного тока, что приводит к ухудшению однонаправленных свойств p–n перехода. В связи с этим для каждого полупроводникового прибора указывается максимально допустимая частота, при которой, входящие в него p–n переходы не теряют однонаправленные свойства, т.е. обратный ток не превышает допустимого значения.

Прямой ток, т. е. ток при прямом включении p–n перехода, практически не изменяется при увеличении частоты, так как сопротивление r_д при прямом включении на много меньше сопротивления барьерной емкости.

Свойства p–n перехода существенно зависят от температуры окружающей среды, а значит и температуры p–n перехода. При увеличении температуры возрастает генерация пар носителей зарядов, т. е. увеличивается число основных носителей зарядов. Это приводит к увеличению прямого тока при неизменной величине прямого напряжения. Очевидно, что с увеличением температуры увеличивается число и неосновных носителей заряда, что заметно увеличивает обратный ток p–n перехода (рисунок 1.9). Увеличение обратного тока ухудшает однопроводные свойства p–n перехода. В этом состоит основное отрицательное влияние повышения температуры на свойства p–n перехода.

Рисунок 1.9 – Вольтамперные характеристики p-n перехода

при различных температурах

Для различных полупроводниковых материалов различны пределы температуры нагрева, которые определяются допустимым значением обратного тока. Для германия он составляет +(80÷100)˚C, а для кремния +(150÷200)˚C. Видно, что кремний более стабилен к нагреву.

Максимально допустимое минусовое воздействие температуры определяется теоретически энергией ионизации донорных и акцепторных примесей и достигает -200˚C. Практически, исходя из реальных климатических условий, предельное значение отрицательной температуры для германия и кремния берется в пределах –(60÷70)˚C.

2 Полупроводниковые диоды.

2.1 Понятие, конструкция p–n перехода диода, системы маркировки диодов.

Полупроводниковым диодом называется ПП прибор с двумя выводами и содержащий один или несколько p–n переходов.

В группу ПП диодов входят выпрямительные, высокочастотные, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, туннельные диоды, неуправляемые и управляемые многослойные переключающие диоды (динисторы и тринисторы), свето и фотодиоды.

Конструкция p–n перехода. По конструкции p–n перехода диоды делятся на плоскостные и точечные. Плоскостной диод характеризуется тем, что размер площади p–n перехода значительно больше его толщины (рисунок 2.1,а).

Рисунок 2.1 – Плоскостной (а) и точечный (б) p-n переход

Такие диоды могут пропускать большой ток, но из-за значительной площади p-n перехода у них велика барьерная ёмкость. Это снижает величину максимальной частоты проходящего через них тока.

Точечные диоды характеризуются тем, что площадь p – n перехода соизмерима с толщиной перехода или меньше его (рисунок 2.1,б). При его изготовлении к поверхности отшлифованной пластины германия или кремния n–проводимостью прижимают (подпружинивают) заострённую металлическую иглу, выполненную, например, из бериллиевой бронзы. В месте соприкосновения бериллиевой иглы с полупроводником в результате дефундирования бериллия образуется некоторая область с дырочной проводимостью. Между этой областью P и полупроводником образуется p–n переход. Алюминиевые пластины (рисунок 2.1) используются для присоединения выводов к полупроводникам. Из-за малой площади точечного p–n перехода через точечный диод может протекать ток небольшой величины. По этой же причине барьерная ёмкость точечного диода мала, что значительно увеличивает значение максимальной частоты протекающего тока.

Маркировка. В системе обозначений (маркеров) диодов отображаются материал, конструкция перехода, область применения и предельные электрические свойства диода [2]. Существенно отличается система условных обозначений до 1964 г. после 1964 г.

У диодов малой мощности (радиотехнического применения), разработанных до 1964 г. условные обозначения состояли из трёх элементов.

Первый элемент обозначения – буква Д, которая характеризует всю группу полупроводниковых диодов.

Второй элемент обозначения – число от однозначного до четырёхзначного, которое указывает на материал, конструкция p–n перехода, область применения диода. Приведём некоторые из этих чисел.

от 1 до 100 – точечные германиевые диоды,

от 101 до 200 – точечные кремниевые диоды,

от 201 до 300 – плоскостные кремниевые диоды,

от 301 до 400 – плоскостные германиевые диоды,

...........................................

от 701 до 800 – какие – то диоды

от 801 до 900 – стабилитроны, (Д814, Д816)

от 901 до 950 – варикапы,

от 951 до 1000 – туннельные диоды,

от 1001 до 1100 – выпрямительные столбы.

Третий элемент обозначения – буква, указывающая на разновидность прибора по электрическим величинам (ток, прямое и обратное напряжение и т.д.).

В 1964 г. была утверждена новая система обозначений (ГОСТ 10862 – 64). Она стала базовой для дальнейших гостов, несколько уточняющих её, таких как ГОСТ 10862 – 72, который начал действовать с 1973 г. и отраслевой стандарт ОСТ 11 336.919 – 81, который начал действовать с 1982 г. и действует в настоящее время. В соответствии с ним в условных обозначениях диодов используются четыре основных элемента и пятый – дополнительный.

Первый элемент – буква или цифра, определяющая исходный полупроводнивый материал:

1 или Г – германий или его соединения;

2 или К – кремний или его соединения;

3 или А – соединения галлия;

4 или И – соединения индия.

Присутствие цифры говорит о том, что этот диод может использоваться при более высоких температурах, чем диод с буквенным обозначением материала.

Второй элемент – буква, обозначающая назначение прибора (подкласс или группу):

Д – диоды выпрямительные, импульсные, диоды преобразователи (термодиоды, магнитодиоды и т. д.);

Ц – выпрямительные столбы и блоки;

В – варикапы;

И – туннельные и обращенные диоды;

А – сверхвысокочастотные диоды;

Ж – стабилизаторы тока;

С – стабилизаторы напряжения (стабилитроны).

Третий элемент – цифра (1÷9), определяющая назначение или принцип действия прибора.

Для диодов:

1 – выпрямительные, со средним значением тока не более 0,3 А;

2 – со средним значением тока более 0,3 А;

3 – диодные преобразователи, и т. д.

Четвертый элемент – двузначные числа от 01 до 99, указывающие порядковый номер разработки, в котором отображается отличие электрических параметров. Допускается использование трехзначных чисел от 101 до 999 при условии, что порядковый номер разработки превышает число 99.

Пятый элемент – буква русского алфавита (с некоторым исключением [г]), в качестве классификационной литеры (буквы).

Возможно дополнительное шестое обозначение [2]. – через дефис цифра.

2.2 Выпрямительный диод

Выпрямительным ПП диодом называется ПП предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток значительной величины и «малой» частоты. По конструкции выпрямительный диод содержит один p–n переход, который располагается в металлическом или керамическом корпусе, т.к. выпрямительные диоды предназначены для пропускания значительных токов (от долей ампер до десятков ампер), то поэтому p–n переход выпрямительного диода имеет плоскостную конструкцию. Следствием этого является значительная барьерная ёмкость p–n перехода, что ведёт к ограничению частоты пропускаемого тока через диод.

Вольтамперная характеристика диода (рис 1.10,а) повторяет В.А.Х. p–n перехода. На рис 1.10,б показано условное графическое обозначение выпрямительного диода и полярность напряжения при прямом включении диода.

Рисунок 1.10 – Вольтамперная характеристика диода (а),

графическое обозначение (б) и полярность прямого включения

Вывод диода, к которому подключается плюс прямого напряжения, называется анодом. Второй вывод диода называется катодом.

Основными электрическими параметрами выпрямительного диода являются следующие:

U_пр – прямое падение напряжения, это падение напряжения на диоде при прямом включении и заданном прямом токе;

U_обр – обратное напряжение, это максимальное значение обратного напряжения, при котором не происходит электрического пробоя;

I_пр.max – прямой ток диода, это величина максимально допустимого прямого тока через диод при постоянном прямом напряжении, при котором не происходит теплового пробоя p–n перехода;

I_пр.ср. – средний прямой ток, это допустимое среднее значение за период прямого тока диода;

С_д – общая ёмкость диода, это ёмкость между выводами диода при заданном напряжении, включающая барьерную ёмкость p–n перехода и паразитную ёмкость конструктивных элементов диода;

f_max – максимальная частота, это максимальное значение частоты, при которой диод сохраняет свойства однопроводности;

I_обр – обратный ток диода при обратном напряжении равном U_обр, это ток, при котором сохраняются его одно направленные свойства.

R_{д пр} – прямое сопротивление диода, это сопротивление диода при прямом включении, которое определяется отношением U_пр к I_пр.max и величина его составляет десятые доли Ом.

R_{д обр} – обратное сопротивление диода, это сопротивление диода при обратном включении, которое определяется отношением U_обр к I_обр и составляет сотни кОм.

Выпрямительные диоды изготовляются из кремния или германия. В зависимости от материала, из которого выполнены диоды, изменяются значения его электрических величин (Таблица 1).

Таблица 1 – Значения электрических величин диода

Материал диода Параметры	Кремний	Германий
Обратный ток	малый	большой
Обратное напряжение [B]	1000 ÷ 1500	100 ÷ 400
Рабочий температурный диапазон	-60˚С ÷ +50˚С	-60˚С ÷ +85˚С
Прямое падение напряжения	Больше	меньше
Прямое сопротивление	Больше	меньше

У выпрямительных диодов, имеющих плоскостную конструкцию, имеет место заметное увеличение обратного тока при повышении температуры. Обратный ток возрастает в 2 ÷ 2,5 раза при повышении температуры на каждые 10˚С.

Величина обратного тока через диод зависит от частоты, как и у p–n перехода. На рис 1.11 показано экспериментально полученная зависимость изменения величины обратного тока через диод при увеличении частоты. Видно, что до f=f_max обратный ток практически отсутствует и начинает значительно возрастать при f>f_max

Рисунок 1.11 – Зависимость величины обратного

тока диода от частоты

На рисунке 1.12,а представлена схема однополупериодного выпрямителя. На рисунке 1.12 б, в, г представлены осциллограммы напряжений и тока в выпрямителе.

На вход выпрямителя подаётся переменное напряжение u_вх (рисунок 1.12,б). В течение положительного полупериода к входным клеммам приложено напряжение полярностью, показанной без скобок. При этом диод находиться под прямым напряжением и через него будет протекать прямой ток (рисунок 1.12,в). Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной прямого сопротивления диода и сопротивлением нагрузки.

Протекающий ток создаёт падение напряжения на диоде и на нагрузке (рисунок 1.12,г). Так как прямое сопротивление диода на много меньше сопротивления нагрузки, то на диоде падение напряжения так же много меньше падения напряжения на нагрузке. При этом в каждый момент времени выполняется второй закон Кирхгофа:

u_вх = u_д+ u_н

Величина падения напряжения на диоде столь мала, что часто им пренебрегают при расчётах.

В течение отрицательного полупериода полярность напряжения на входе выпрямителя изменяется на противоположную (полярность в скобках). При этой полярности диод находится под обратным напряжением, и через него будет протекать ток малой величины, соответствующий величине обратного тока, и его величина будет определяться по формуле:

Рисунок 1.12 – Схема однополупериодного выпрямителя (а) осциллограммы входного напряжения (б), тока через диод (в), напряжения на нагрузке и на диоде (г)

При этой полярности входного напряжения обратное сопротивление диода на много больше сопротивления нагрузки, что приводит к тому, что падение напряжения на диоде на много больше падения напряжения на нагрузке. Величина падения напряжения на нагрузке столь мала, что часто им пренебрегают при анализе схем.

2.3 Высокочастотный диод

Высокочастотным диодом называется диод, предназначенный для преобразования переменного (двухполярного) тока в постоянный (однополярный) ток высокой частоты. Частота тока, пропускаемая высокочастотным диодом на много выше частоты тока, пропускаемого выпрямительным диодом.

Высокочастотные диодыизготавливаются из германия или кремния, p–n переход имеет точечную конструкцию. Такая конструкция p–n перехода характеризуется барьерной ёмкостью небольшой величины (не более 1пФ). Это позволяет использовать диод для пропускания высокочастотных токов. Однако малая площадь контакта p–n перехода не позволяет рассеивать значительную мощность. Поэтому высокочастотные диоды менее мощные, чем выпрямительные и применяются в схемах с напряжением не выше нескольких десятков вольт при токе порядка десятков миллиампер.

Вольтамперная характеристика высокочастотного диода в общем виде повторяет вольтамперную характеристику выпрямительного диода (рисунок 1.10,а). Графическое обозначение высокочастотного диода (рисунок 1.10,б). Влияние температуры на величину обратного тока сказывается слабее, чем в плоскостных диодах – удвоение обратного тока происходит при приращении температуры на 15÷20˚С. Ниже названы основные электрические параметры высокочастотных диодов и их ориентировочные значения:

I_пр – прямой ток (десятки мА),

I_обр – обратный ток (единицы mкА),

U_обр – максимальное обратное напряжение (десятки В)

f_max – максимальная рабочая частота (сотни МГц),

С_б – ёмкость диода (доли – единицы пФ).

Широко применяются высокочастотные диоды в детекторах амплитудно и частотно модулированных сигналов, в различных устройствах преобразования высокочастотных сигналов.

2.4 Импульсный диод

Импульсным диодом называется полупроводниковый диод, имеющий малую длительность переходного процесса при отпирании p–n перехода и предназначенный для работы в импульсных схемах. В импульсных схемах токи и напряжения изменяются в течение малого промежутка времени, составляющего около 10^-6 секунды, сохраняя затем неизменное значение в течение определённого времени (рисунок 2.5,б). На рисунке 2.5,а показана схема включения импульсного диода, на вход которой подаётся импульсный сигнал (рисунок 2.5,б).

Рисунок 2.5 – Схема включения импульсного диода (а),

входной сигнал (б) и ток через диод (в)

При положительном значении входного сигнала (0<t<t₁) через диод протекает ток i_д,, величина которого определяется значением U_m и значениями прямого сопротивления диода и R. Ток создается основными носителями заряда. Не основные носители зарядов в это время находятся под действием тормозящего поля, создаваемым прямым напряжением (+U_m). Происходит процесс накопления неравновесных неосновных носителей в области p–n перехода. Неравновесные носители – это электроны или дырки, не находящиеся в термодинамическом равновесии как по концентрации, так и по энергетическому распределению. При изменении полярности входного напряжения в момент времени t=t₁ неравновесные неосновные носители оказываются под действием ускоряющего электрического поля. Они проходят через p–n переход и создают обратный ток I_{m обр}, который в течение некоторого времени остается постоянным. Затем происходит рассасывание объемного заряда неосновных носителей, что ведет к уменьшению обратного тока до некоторой установившейся величины I_обр (t=t₂). Время, в течение которого происходит рассасывание неосновных носителей, называется временем восстановления обратного сопротивления диода.

Рассмотренный процесс прохождения сигнала импульсной формы через диод характерен для любого p–n перехода. Очевидно, что в импульсном диоде p–n переход должен обладать малыми инерционными свойствами. Применяемые полупроводники должны иметь малую концентрацию неосновных носителей. Очевидно, на величину обратного тока влияет и величина барьерной емкости p–n перехода. Поэтому маломощные (низкотоковые) импульсные диоды выполняются по точечной конструкции.

Вольтамперная характеристика импульсного диода полностью совпадает с В.А.Х. p–n перехода (рисунок 1.5). Часть понятий электрических параметров импульсных диодов совпадают с понятиями электрических параметров выпрямительных диодов. Такие, как постоянное прямое напряжение U_пр, постоянное обратное напряжение U_обр, постоянный прямой ток I_пр, общая ёмкость диода С_д.

Ряд параметров характеризуют импульсные свойства диодов:

I_пр.и – прямой импульсный ток, это максимально допустимый ток в течении определённой длительности импульса. Его значение обычно на порядок превышает значение прямого тока;

t_{вос.обр} – время восстановления обратного сопротивления диода

Графическое обозначение импульсного диода такое же, как и выпрямительного диода (рисунок 2.1,б).

Применяются импульсные диоды в импульсных схемах, в переключающих устройствах, при построении цифровых микросхем.

2.5 Стабилитрон

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, работающий в режиме электрического пробоя. Условное обозначение стабилитрона представлено на рисунке 2.6,а с указанием анода и катода. При прямом включении стабилитрона (плюс на аноде, минус на катоде) вид В.А.Х. полностью совпадает с видом В.А.Х. выпрямительного диода. При обратном включении вид В.А.Х. так же похож на В.А.Х. выпрямительного диода. Однако при достижении обратного напряжения равного напряжению пробоя в стабилитроне не наступает тепловой пробой. При дальнейшем увеличении обратного напряжения в интервале от U_{ст. min} до U_{ст. max} происходит нарастание обратного тока от I_{ст. min} до I_ст.max. В этом состоит основное свойство стабилитрона, которое используется при построении стабилизаторов напряжения и тока и ряда других устройств. При превышении обратного напряжении величины U_{ст. max} происходит возрастание обратного тока, что приводит к разогреву p–n перехода и его тепловому пробою.

Итак, рабочим режимом стабилитрона является режим обратного включения.

Рисунок 2.6 – Условное обозначение (а) и В.А.Х. стабилитрона

Однако величина обратного напряжения не должна превышать U_{ст. max}. Для изготовления стабилитронов используется кремний, т.к. он обладает более высокой температурною стабильностью по сравнению с германием.

Основными параметрами стабилитрона являются:

U_{ст. min}, U_{ст. max} – минимальное и максимальное значения обратного напряжения, или минимальное и максимальное значение напряжений стабилизации;

U_ст. – среднее значение обратного напряжения, или среднее значение напряжения стабилизации;

I_{ст. min}, I_{ст. max} – минимальное и максимальное значения токов стабилизации, соответствующие минимальным и максимальным значениям напряжений стабилизации;

R_ст. – сопротивление стабилитрона при заданном обратном токе стабилитрона, значение которого находится, обычно, в середине интервала обратной В.А.Х. между I_{ст. min} и I_{ст. max};

R_{ст. дин.} – динамическое сопротивление стабилитрона в интервале I_{ст. min} и I_ст.max, отображающее крутизну обратного рабочего участка В.А.Х. и определяемого по формуле:

Чем круче рабочий участок В.А.Х. стабилитрона, тем выше его стабилизирующие свойства. Из формулы видно, что более крутой характеристике соответствует меньшее значение R_{ст. дин.}.

При расчёте цепи, содержащей стабилитрон, удобно пользоваться его схемой замещения (рисунок 2.7)

Рисунок 2.7 – Схема замещения стабилитрона

при обратном включении

В этой схеме E_ст. равно среднему значению напряжения стабилизации U_ст. стабилитрона. Величина R_ст. равна сопротивлению стабилитрона при заданном обратном токе (из справочника).

При использовании стабилитронов не редко приходится включать их последовательно – согласно (рисунок 2.8,а) и последовательно – встречно (рисунок 2.8,б).

Рисунок 2.8 – Схемы последовательного - согласного (а) и

последовательного - встречного (б) включения стабилитронов

На рисунке 2.9 показано построение эквивалентных В.А.Х. для каждого из включений стабилитронов. Для удобства будем считать, что стабилитроны одинаковые, а значит имеют одинаковые В.А.Х. Тогда на рисунке 2.9,а обеим стабилитронам соответствует В.А.Х. 1.

Рисунок 2.9 – Построение эквивалентных В.А.Х. для последовательно –

согласного (а) и последовательно - встречного (б) включения стабилитронов

Для получения эквивалентной В.А.Х. в обоих случаях необходимо воспользоваться графическим методом расчета нелинейных цепей постоянного тока. Для различных значений тока суммируются падения напряжений на стабилитронах.

При согласованном включении (рисунок 2.8,а) стабилитронов эквивалентная характеристика имеет вид В.А.Х. 2 (рисунок 2.9,а). Как видно, напряжение стабилизации при таком соединении стабилитронов возрастает (U_{ст. 2}) и равно сумме напряжений стабилизации каждого стабилитрона.

При встречном включении стабилитронов (рисунок 2.8,б) одному стабилитрону соответствует В.А.Х. 1 (рисунок 2.9,б). Другому стабилитрону, из - за встречного включения соответствует В.А.Х. 2, которая представляет собой обычную В.А.Х., но развернутую относительно начала координат. Эквивалентная В.А.Х. 3 получается суммированием напряжений для различных значений токов В.А.Х. 1 и В.А.Х. 2. Как видно, такое включение стабилитронов формирует напряжение стабилизации при одной и другой полярности подключаемого напряжения.

Последовательно – согласное включение стабилитронов (рисунок 2.8,а) применяется в тех случаях, когда величина требуемого напряжения стабилизации превышает напряжение стабилизации стабилитрона и используется для построения стабилитронов постоянного напряжения. Последовательно – встречное включение стабилитронов применяется для стабилизации переменного (двухполярного) напряжения.

2.6 Стабистор

Минимальное напряжение стабилизации стабилитронов составляет единицы вольт. Однако в ряде случаев необходимо осуществить стабилизацию напряжения величиной меньше одного вольта, или повысить напряжение стабилизации путем последовательно – согласного включения стабилитронов на доли вольт. Эти задачи успешно решаются с помощью стабистора.

Стабистор – полупроводниковый диод, предназначенный для построения стабилизаторов напряжения и тока, работающий в режиме прямого включения и имеющий более крутую В.А.Х., чем у выпрямительного диода с величиной падения напряжения меньше одного вольта.

Графическое обозначение стабистора такое же, как у стабилитрона (рисунок 2.6,а), но рабочий режим имеет место при прямом включении. От стабилитрона стабистор отличается маркировкой, в которой отображена величина напряжения стабилизации. Так стабистор КС107 имеет следующие параметры:

U_ст. = 0,7 В

I_ст. = 10 мА (при U_ст. = 0,7 В)

I_{ст. min} = 1 мА

I_{ст. max} = 100 мА

2.7 Варикап

Варикапами называются полупроводниковые диоды, у которых используется барьерная ёмкость закрытого (запертого) p–n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду обратного напряжения.

Емкость обычного конденсатора и барьерная ёмкость p–n перехода определяется по формуле:

,

где

ε – относительная диэлектрическая проницаемость запирающего слоя p–n перехода;

S – площадь p–n перехода;

d – толщина запирающего слоя p–n перехода.

При изменении обратного напряжения в p–n переходе увеличивается толщина запирающего слоя (d), что ведёт к уменьшению барьерной ёмкости. На рисунке 2.10,а показано условное графическое обозначение варикапа с полярностью рабочего напряжения. Зависимость барьерной ёмкости от величины приложенного напряжения показана на рисунке 2.10,б.

Рисунок 2.10 – Условное обозначение варикапа (а) и зависимость

его барьерной ёмкости от величины обратного напряжения

Основными параметрами варикапа являются следующие:

С_в [nФ] – ёмкость варикапа при заданном обратном напряжении U_обр.[B];

U_обр.max.[B] – максимальное обратное напряжение;

I_обр [mкA] – обратный ток при U_обр.max.;

Р_в [Вт] – рассеиваемая мощность при U_обр.max.;

К_с – коэффициент перекрытия по ёмкости, равный отношению максимального значения ёмкости к минимальному при соответствующих значениях напряжений:

;

Q_в – добротность варикапа на заданной частоте:

,

где – сопротивление барьерной ёмкости варикапа,

– омическое сопротивление варикапа при постоянном U_обр.;

В таблице приведены параметры для варикапа типа КВ 122В:

Таблица – Параметры для варикапа типа КВ 122В

Наиболее широко варикапы применяются для электронной настройки резонансных контуров. Для этого варикап включается в резонансный контур последовательно или параллельно основному конденсатору контура и на него (варикап) подаётся регулируемое обратное напряжение. Это приводит к изменению эквивалентной ёмкости контура, а, значит, к изменению его резонансной частоты. Из-за небольшой величины ёмкости варикапа его можно применять на достаточно высоких частотах – начиная с УКВ диапазона и выше. На рисунке 2.11 показаны схемы применения варикапов для настройки контуров.

Рисунок 2.11 – Схемы применения варикапов

2.8 Туннельный диод.

Туннельным диодом называется полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через p–n переход и у которого в В.А.Х. имеется область отрицательного дифференциального сопротивления.

В 1958 г. японским ученым Лео Есаки было обнаружено, что n–p структуры, имеющие большую концентрацию примесей (в 10²÷10³ раза больше чем в обычном n–p структуре), обладают следующими аномальными свойствами:

1) В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении.

2) При прямом включении на вольтамперной характеристике имеется участок с отрицательным сопротивлением (падающий участок а–б, рисунок 2.12,б).

Аномальные свойства таких диодов вызваны, как было установлено, туннельным эффектом. Поэтому такие диоды получили название туннельных.

Туннельный эффект состоит в следующем: частицы, имеющие энергию, недостаточную для прохождения потенциального барьера, могут все же пройти через него, если с другой стороны барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером.

В квантовой механике показано, что вероятность туннельного перехода тем выше, чем уже потенциальный барьер и чем меньше его высота.

Туннельный переход совершается электронами без затраты энергии. В обычных диодах толщина электронно-дырочного перехода велика и вероятность туннельного перехода мала. В туннельных диодах из-за высокой концентрации примесей толщина перехода составляет около 0,01 мкм, т. е. барьер является очень узким. В этих условиях вероятность туннельного перехода оказывается очень высокой, что и приводит к появлению падающего участка в В.А.Х. туннельного диода.

На рисунке 2.12,а показано условное обозначение туннельного диода и полярность его рабочего включения.

Рисунок 2.12 – Условное обозначение и вольтамперная характеристика

туннельного диода

Туннельные диоды изготавливают из германия и арсенида галлия. На рисунке 2.12,б представлена типовая вольтамперная характеристика туннельного диода, с помощью которой рассмотрим следующие параметры туннельного диода:

I_п – пиковый ток, это ток в точке максимума В.А.Х.;

U_п – напряжение пика, это прямое напряжение, соответствующее пиковому току;

I_в – ток впадины, это прямой ток точке минимума В.А.Х. диода;

U_в – напряжение впадины, это прямое напряжение, соответствующее току впадины;

U_рр – напряжение раствора, это прямое напряжение, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому (точка “в” рисунок 2.12,б).

3. Транзисторы

3.1 Типы транзисторов, классификация, маркировка транзисторов

Транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий не менее трёх выводов и пригодный для усиления мощности электрических сигналов.

В настоящее время используются два типа транзисторов – биполярные и полевые.

Классификация транзисторов осуществляется по мощности и частоте пропускаемого сигнала.

По мощности транзисторы делятся на:

маломощные Р ≤ 0,3 Вт

средней мощности Р ≤ 5 Вт

мощные Р > 5 Вт

По значению предельной частоты f_пр пропускаемого сигнала транзисторы подразделяются на:

низкочастотные f_max ≤ 3 М Гц

среднечастотные f_max ≤ 30 М Гц

высокочастотные f_max ≤ 120 М Гц

сверхвысокочастотные f_max > 120 М Гц

Маркировка транзистора наносится на транзистор и включает в себя информацию об основных его электрических параметрах.

В настоящее время используются два типа маркировок. Первый тип маркировки был разработан в 1964 г. и осуществлялся в соответствии с требованиями ГОСТ 10 862–64. Маркировка состоит из четырёх элементов:

1 ^ый элемент – буква М, обозначающая, что корпус транзистора унифицированный (относится к единой, наиболее распространённой форме);

2 ^ой элемент – буква П, обозначающая, что p–n переходы транзистора имеют плоскостную конструкцию;

3 ^ий элемент – число от однозначного до трёхзначного (1÷800), обозначающее вид применённого в транзисторе полупроводника (кремний, германий), допустимые ток, напряжение, частота и другие электрические параметры, информация о которых находится или в техническом паспорте или в справочнике по полупроводниковым приборам;

4 ^ый элемент – буква русского алфавита (А÷Я), обозначающих отличие некоторых электрических параметров (допустимый ток коллектора, предельная частота и др.) при одинаковых других параметрах.

Например транзистор МП 16А имеет меньший коэффициент передачи по току, чем транзистор МП 16Б, а остальные параметры у них одинаковы.

При использовании не унифицированного корпуса буква М отсутствует. Например, П 401 А. Не унифицированные корпуса больше не используются для изготовления мощных транзисторов.

В 1972 г. была введена новая маркировка транзисторов, которая выполняется в соответствии с ГОСТ 10 862 – 72 и позднее была скорректирована документом ОСТ 11 336.919 – 81. В соответствии с этими документами современная маркировка транзисторов состоит из пяти элементов:

1 ^ый элемент – буква или цифра, обозначающие тип полупроводникового материала:

Г или 1 – германий,

К или 2 – кремний,

А или 3 – арсенид галия,

И или 4 – соединение индия.

Буква используется тогда, когда транзистор может работать при нагреве до 75°С. Число используется тогда, когда транзистор может работать при нагреве до 120°С.

2 ^ой элемент – буква, обозначающая тип транзистора:

Т – биполярный,

П – полевой.

3 ^ий элемент – цифра, указывающая область частот и мощностей, допустимых для транзистора, и их назначения указаны в таблице 3.

Таблица 3 – Назначения областей частот и мощностей транзистора

Частота Мощность	Низкие частоты	Средние частоты	Высокие частоты
Малая мощность
Средняя мощность
Большая мощность

4 ^ый элемент – число двух или трёхзначное, отображающее электрические параметры, такие как рабочий и предельные значения тока и напряжения, конкретное значение частоты, мощности и других параметров транзистора.

5 ^ый элемент – буква (А÷Я), показывающее отличие от аналогичного транзистора, но с другим значением, например, коэффициента передачи по току.

Например, транзистор 2Т803А – кремневый, биполярный, может работать при повышенной температуре, мощный, среднечастотный.

3.2 Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы изготавливаются из кремния или германия. Они имеют два p–n перехода. Точечная конструкция p–n переходов в транзисторах оказалась не перспективной – малые токи, неудовлетворительные рабочие параметры. Поэтому в настоящее время биполярные транзисторы имеют только плоскостную конструкцию p–n переходов.

3.2.1 Устройство, конструкция, принцип действия и графическое

обозначение.

Схематическое устройство биполярного транзистора показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Схематическое устройство биполярного транзистора типа p-n-p (a) и типа n-p-n (б)

Он состоит из трёх полупроводников соединённых между собой, образуя два p–n перехода. Два крайних полупроводника имеют одинаковую проводимость, противоположную проводимости средней области. В зависимости от того, какой проводимости полупроводники используются в крайних и среднем положении транзисторы подразделяются на транзисторы типа p–n–p (рисунок 3.1,а), которые ещё называют транзисторами прямой проводимости и на транзисторы n–p–n (рисунок 3.1,б), которые ещё называют транзисторами обратной проводимости.

Полупроводник, находящийся в середине конструкции транзистора называется базой, а полупроводники, расположенные слева и справа от базы называются эмиттер и коллектор. Не смотря на кажущуюся симметрию конструкции транзистора относительно базы, полупроводник, соответствующий эмиттеру, заметно отличается уровнем примеси и конструкцией от полупроводника соответствующего коллектору. Поэтому при включении транзистора в схему замена эмиттера и коллектора местами не допустима.

Ещё одна особенность конструкции состоит в том, что толщина полупроводника, базы, на много меньше, чем толщина эмиттера и коллектора, что отображено на рисунке 3.1. Кроме этого, полупроводник базы на много меньше легирован, т.е. в нём плотность примесей на много меньше, чем в полупроводниках эмиттера и коллектора. Необходимость такой конструктивной особенности базы будет рассмотрена ниже.

По конструкции транзисторы подразделяются на корпусные и без корпусные. В обеих случаях полупроводники транзистора размещаются на жесткой изоляционной основе, которая называется «подложкой». Это может быть керамическая подложка. В корпусной конструкции транзистора подложка с полупроводниками находится в корпусе, защищающего полупроводники и выводы от внешних механических воздействий. Корпус выполняется из материала с хорошей проводимостью тепла, например, из металла или из термокерамики. Без корпусные транзисторы не имеют внешнего корпуса и используются при изготовлении интегральных микросхем.

Рассмотрим принцип действия биполярного транзистора. Как было сказано, в транзисторе два p–n перехода. Один образован соединением полупроводников эмиттера и базы и этот переход принято называть эмиттерным. Второй p–n переход образован соединением полупроводников базы и коллектора и его принято называть коллекторным переходом. В рабочем режиме транзистора эмиттерный переход должен быть под прямым напряжением, а коллекторный переход под обратным напряжением. Рассмотрим каждый из этих случаев. На рисунке 3.2,а показано подключение прямого напряжения к эмиттерному переходу биполярного транзистора типа p–n–p. Этому включению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода прямого включения (рисунок 2.2,б), при котором p–n переход открывается и через него возникает большой ток при малом напряжении. На рисунке 3.2,б показано обратное подключение напряжения к коллекторному переходу. Этому подключению будет соответствовать В.А.Х. p–n перехода обратного включения (рисунок 2.3,б). Величина тока здесь незначительная даже при достаточно большом напряжении.

Рисунок 3.2 – Принцип функционирования биполярного транзистора

На рисунке 3.2,в показано одновременное подключение прямого напряжения к эмитерному переходу U_бэ и обратного напряжения к коллекторному переходу U_кб. В рабочем режиме транзистора выполняется условие:

U_бэ << U_кб

В рассмотренном режиме имеют место следующие процессы. Под действием напряжения U_бэ открывается эмиттерный переход и основные носители, в нашем случае дырки, направляются в базу. В связи с тем, что база слабо легирована и имеет малые размеры, практически не происходит рекомбинация дырок в базе. Поэтому происходит насыщение базы дырками и их плотность оказывается сравнима с плотностью дырок в коллекторе.

Как было рассмотрено, p–n переход имеет место, если контактируют два полупроводника с разной проводимостью. Если контактируют два полупроводника одинаковой проводимости, то очевидно, что p–n переход отсутствует и электрические свойства определяются только омическими сопротивлениями полупроводников и величиной контактного сопротивления. При насыщении базы дырками до плотности, близкой к плотности коллектора исчезает коллекторный p–n переход и под действием напряжения U_кб дырки из базы устремляются в коллектор. Так как коллекторное напряжение (U_кб) на много больше базового напряжения (U_бэ) основная часть «дырок», прошедших в базу, проходит в коллектор, создавая коллекторный ток (I_к),а меньшая часть «дырок» попадает под действие базового напряжения, создавая базовый ток (I_б). Под действием двух напряжений U_бэ и U_кэ, соединенных последовательно – согласно создается эмиттерный ток (I_э). Связь эмиттерного, базового и коллекторного токов отображается, в соответствии с первым законом Кирхгофа, следующим очевидным равенством:

I_э=I_б+I_к

<

Дата добавления: 2014-01-20