Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды

В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запираемом слое p-n-перехода.

Полупроводниковый фотодиод принципиально выполнен так же как полупроводниковый диод. Изготовляется из селена, кремния, гелия, серно-свинцовых, серно-серебряных соединений.

В фотодиоде, в результате освещения p-n-перехода, повышается значение обратного тока. Фотодиоды могут создавать электрический ток при наличии постороннего источника электрической энергии и без него. С увеличением интенсивности освещения полупроводника возрастает и ток. Фотодиод, включенный в электрическую цепь, ведет себя как фоторезистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности освещения. Ток создаваемый фотодиодом очень мал, поэтому для практических целей он должен быть усилен.

Основными параметрами фотодиода являются – темновой ток и интегральная чувствительность. Темновой ток – ток фотодиода при отсутствии освещения. Интегральная чувствительность характеризует изменение тока фотодиода от изменения падающего на него светового потока. Выпускаемая фотодиодом чувствительность составляет 14¸20 мА/лм.

В полупроводниковых фотоэлементах при освещении p-n- перехода возникает обратное напряжение.

В светодиоде в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

6. Транзисторы

Транзистором называют полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, имеющие три или более выводов и позволяющие осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов, а так же коммутацию электрических цепей в качестве бесконтактного ключевого элемента.

Движение носителей зарядов в транзисторах может происходить путем диффузии или под действием электрического поля. В связи с этим различают биполярные транзисторы, в которых ток обусловлен движением основных и не основных электрических зарядов, и полевые (униполярные), в которых ток создается только основными носителями.

По конструктивному исполнению транзисторы можно разделить на точечные и плоскостные. Точечные транзисторы применяют редко из-за низкой стабильности параметров ЭДП.

По технологии изготовления ЭДП транзисторы различают на сплавные, диффузионные, диффузионно-сплавные, планарные (электроды и их выводы расположены в одной плоскости на поверхности кристалла), эпитаксиальные и другие. Эпитаксия – ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого.

По рассеиваемой мощности транзисторы можно классифицировать на следующие:

1) маломощные (до 0,3 Вт) – точечные, сплавные, СВЧ;

2) средней мощности (до 1,5 Вт) – сплавные, плоскостные;

3) большой мощности (свыше 1,5 Вт).

Также транзисторы различают по предельной частоте:

1) низкой частоты (до 3 МГц);

2) средней частоты (до 30 МГц);

3) высокой частоты (до 300 МГц);

4) СВЧ (свыше 300 МГц).

Первоначально транзисторы использовались в слаботочных цепях радиоэлектроники, автоматики, где заменяли электронные лампы. В настоящее время разработаны мощные транзисторы на токе до сотен ампер и напряжением до 1000 В. На их основе разрабатываются современные преобразователи средней мощности до нескольких сотен кВт.

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости, пригодный для усиления сигнала мощности.

Возможны две трехслойные структуры (рис. 6.1).

б г

Рис. 6.1. Структуры (а, в) и условные графические обозначения (б, г)

биполярных транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов соответственно

Наружный слой является источником носителей зарядов (электронов и дырок), который главным образом создает ток прибора, называемый эмиттером (Э).

Слой, принимающий носителей заряда, поступающих от эмиттера, называют коллектором (К). Средний слой называется базой (Б).

Стрелкой на схеме (рис. 6.1) условного обозначения показано направление эмиттерного тока.

Основой биполярного транзистора является пластина кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние, как отмечено выше, обладают проводимостью одного типа, средняя – противоположной проводимостью.

Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа приведена на рис. 6.2.

Соотношение концентраций основных носителей зарядов в эмиттере и коллекторе несущественно. Отличие же концентрации основных носителей заряда в эмиттере и базе весьма важно, так как оно влияет на характеристики и параметры транзистора. Концентрация основных носителей зарядов в базе должна быть меньше, чем в эмиттере и, соответственно, базовый слой должен быть более высоким, чем эмиттерный. Кроме того, расстояние между эмиттером и коллектором должно быть очень малым, не более единиц микрометров, то есть область базы должна быть очень тонкой.

Рис. 6.2. Структурная схема маломощного биполярного транзистора

n-p-n-типа

При отсутствии внешнего напряжения на границах разделов трех слоев образуются объемные разряды, создается внешнее электрическое поле, возникает разность потенциалов.

Принцип действия транзисторов p-n-p- типа и n-p-n-типа и физические процессы, происходящие в них одинаковы. Промышленность выпускает транзисторы обоих типов.

Структура ЭДП в транзисторе p-n-p-типа при отсутствии тока и потенциальные барьеры приведены на рис. 6.3.

Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, в его переходах П₁ и П₂ создаются потенциальные барьеры высотой j_к. Через структуру транзистора протекает два небольших тока:

– ток диффузии I_диф – обусловлен диффузией через переходы основных носителей (дырок из p-области, электронов из n-области);

– встречный дрейфовый ток I_др – создан неосновными носителями зарядов.

Рис. 6.3. Структура ЭДП в транзисторе p-n-p-типа при отсутствии тока

и потенциальные барьеры

При постоянной температуре одинаковой концентрации основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе, ЭДП находится в состоянии динамического равновесия, то есть I_диф=I_др.

Внешнее напряжение подключается к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П₁ (рис. 6.3) в прямом направлении (снижение ширины ЭДП и высоты потенциального барьера j_к), а коллекторного перехода П₂ – в обратном. Это обеспечивается при помощи двух источников напряжения.

1) Так как в переходе П₁ напряжение источника действует в прямом направлении, то ток диффузии увеличивается, высота потенциального барьера уменьшается.

Рис. 6.4. Структура ЭДП в транзисторе p-n-p-типа и потенциальные барьеры при приложении внешних напряжений

Дырки из эмиттера в большом количестве будут инжектироваться (выскакивать) в базу. Аналогичным образом увеличивается обратный поток электронов из базы в эмиттер, при этом

I_{диф э}=I_{диф эр}+I_{диф эn},

где I_{диф э} – диффузионный ток эмиттера,

I_{диф эр} – дырочная составляющая диффузионного тока эмиттера,

I_{диф эn} – электронная составляющая диффузионного тока эмиттера.

Но вследствие того, что концентрация основных носителей в базе (электронов) много меньше, чем дырок в эмиттере, то

I_{диф э}@ I_{диф эр}.

Для оценки свойств транзистора вводится понятие коэффициента инжекции g

(6.1)

где I_эр – дырочная составляющая тока эмиттера,

I_э – ток эмиттера.

2) Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу П₂ (рис. 6.4), поле в котором является ускоряющим для дырок. Дырки, входя в коллекторный переход, захватывают его полем и попадают (экстрагируют) в коллектор, создавая в его цепи коллекторный ток I_к, зависящий от тока эмиттера I_э. Если толщина базы достаточна мала, то большенство дырок достигнет коллектора, не успев рекомбинеровать с электронами. При этом число дырок, проходящих через коллекторный переход П₂, несколько меньше, чем через эмиттерный переход П₁. Таким образом I_к < I_э.

3) Ток базы состоит из двух составляющих:

I_б = I_бр + I_бn,

где I_бр – дырочная составляющая тока базы, образованная в результате рекомбенации дырок с электронами,

I_бn – ток, обусловленный прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход П₁

I_бn = I_эn.

Обе эти составляющие образуются вследствие того, что в базу, вместо предшествующих в эмиттер и исчезнувших при рекомбенации электронов от источника напряжения эмиттер-база, входят новые электроны. Ток базы – явление вредное, желательно, чтобы он был как можно меньше. Для его снижения принимают следующие меры: базу делают очень тонкой; уменьшают в сотни раз концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов.

I_эр = I_бр + I_кр,

где I_эр, I_бр, I_кр – дырочные составляющие соответственно эмиттера, базы, коллектора.

Часть дырок в базе рекомбенирует, но это малая часть, а значит I_кр>>I_бр.

Для оценки транзистора вводится понятие коээфициента переноса не основных носителей через базу d

, (6.2)

где I_кр – коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей,

I_эр – эмиттерный ток, обусловленный дырочной составляющей.

Желательно, чтобы d»0,96¸0,996, что возможно при сокращении потерь дырок при рекомбенации при более тонкой базе.

Коллекторный ток, обусловленный дырочной составляющей связан с током эмиттера I_эр коэффициентом передачи тока a:

, (6.3)

, (6.4)

(6.5)

a=g×d. (6.6)

Таким образом, для увеличения коэффициента передачи a необходимо увеличивать разность концентраций в эмиттере и базе основных носителей заряда и уменьшить толщину базы.

Дата добавления: 2014-01-06