Московский Горный Государственный Университет

Реферат

по предмету СХЕМОТЕХНИКА

Полупроводниковые приборы.

(диод, транзистор, полевой транзистор)

ст. гр. САПР-1В-96

Царев А.В.

Москва 1999 г.

Оглавнение

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые транзисторы.

Полевые МДП транзисторы.

Литература.

Полупроводниковые диоды

Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь.

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор p-n- переходом. Рабочий элемент- кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком - зависимость их параметров от температуры.

Вольт - амперная характеристика диода (при большом напряжении сила тока достигает наибольшей величины- ток насыщения) имеет нелинейный характер, поэтому свойства диода оцениваются крутизной характеристики:

Полупроводниковые транзисторы

Свойства p-n-пеpехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или транзистором.

В полупроводниковом триоде две p-области кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью (рис.).

Триод p-n-p типа состоит из трех областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя -электронной. К этим трем областям триода делаются самостоятельные контакты э, б и к, что позволяет подавать разные напряжения на левый p-n-пеpеход между контактами э и б и на правый n-p-пеpеход между контактами б и к.

Если на правый переход подать обратное напряжение, то он будет заперт и через него будет протекать очень малый обратный ток. Подадим теперь прямое напряжение на левый p-n-пеpеход, тогда через него начнёт проходить значительный прямой ток.

Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой ток через p-n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n-p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего слева в n-область.

Если при отсутствии напряжения между точками з и б обратный ток в n-p-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах з и б этот ток почти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n-p-переходе с помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе. Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p-n-p-триода в качестве усилителя.

При работе триода (рис) к правому переходу подключается сопротивление нагрузки R и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение (десятки вольт), запирающее переход. При этом через переход протекает очень малый обратный ток, а всё напряжение батареи Б прикладывается к n-p-переходу. На нагрузке же напряжение равно нулю. Если подать теперь на левый переход небольшое прямое напряжение, то через него начнёт протекать небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт протекать и через правый переход, создавая падения напряжения на сопротивлении нагрузки R. Напряжение на правом n-p-переходе при этом уменьшается, так как теперь часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.

При увеличении прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток через правый переход и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R. Когда левый p-n-переход открыт, ток через правый n-p-переход делается настолько большим, что значительная часть напряжения батареи Б падает на сопротивлении нагрузки R.

Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям вольта, можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на ней составит значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки вольт. Меняя напряжение, подводимое к левому переходу, на сотые доли вольта, мы изменяем напряжение на нагрузке на десятки вольт. таким способом получают усиление по напряжению.

Усиления по току при данной схеме включения триода не получается, так как ток, идущий через правый переход, даже немного меньше тока, идущего через левый переход. Но вследствие усиления по напряжению здесь происходит усиление мощности. В конечном счете усиление по мощности происходит за счёт энергии источника Б.

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.

Переход, включаемый в проходном направлении (на рисунках - левый), называется эмиттерным, а переход, включаемый в запирающем направлении (на рисунках - правый) - коллекторным. Средняя область называется базой, левая - эмиттером, а правая - коллектором. Толщина базы составляет лишь несколько сотых или тысячных долей миллиметра.

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).

Основные материалы из которых изготовляют триоды - кремний и германий.

Полевые МДП транзисторы.

Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление током осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде.

В последние годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.

ПТ являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как их работа основана на дрейфе носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал n- или p-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся на ПТ с каналом p-типа и n-типа. Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа – электронной.

Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно полупроводника, то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации.

Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются вниз.

Hа рисунке показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность; разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника; изгиб зон у поверхности; середина запрещенной зоны. Из рисунка видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников. В поверхностном слое объемного заряда происходит искривление зон и расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается.

Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys. Тогда при формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и обогащение этой области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа представлены на рис.

Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока. Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого, концентрация не основных носителей заряда /дырок/ у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными. К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.

Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными.

В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем. На рис. схематически показана структура МДП-транзистора с изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния /например n-типа/, у поверхности которого диффузией /или ионной имплантацией/ в окна в оксиде формируются р-области, как показано на рис. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и n-областями возникают два р-n-перехода - истоковый и стоковый, которые на рисунке. показаны штриховкой.

Hа рис. приведена схема включения транзистора в цепь: к истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения, к затвору - минус источника. Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении называемом пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей p-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым резистором.

Однако сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается. Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной.

При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока.

При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается к истоку. Перекрытие канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.

Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.

Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока практически насыщается. Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника.

На границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела полупроводник - диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки.

Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния. Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой плотностью состояний границы раздела.

В самом оксиде кремния всегда существует положительный "встроенный" заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае p-подложки.

При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при "проколе" базы биполярного транзистора.

Литература:

"Твердотельная электроника" Г.И.Епифанов, Ю.А.Мома.

“Электроника и Микросхемотехника” В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко.

Полупроводниковые резисторы, диоды, транзисторы

ЛЕКЦИЯ 11

Свойства эмиссии (переход зарядов из одной области в другую).

Полупроводниковые резисторы − п/п приборы с двумя выводами, у которых R зависит от U , t ° C, освещённости, деформации и др.

1. Линейный резистор − R = сonst, применяется в ИМС (слабо легированный кремний или арсенид галлия).

2. Варистор , R (U ) изготавливается из карбида кремния, смешанного с глиной.

ВАХ варистора

Коэффициент нелинейности λ = R/Rg = (U/I )/(dU/dI ) » const для различных типов. Применяют для защиты электрических цепей от перенапряжений.

3. Терморезистор

Характеристики термистора

1 − термистор, его R уменьшается с ростом t º

2 − позистор, его R увеличивается с ростом t º

Основной параметр − температурный коэффициент сопротивления: α = dRt *100/(dT·R ) это процентное изменение R при изменении Т на 1градус.

Для термистора α = − 0,3 ÷ 0,66.

Терморезисторы применяют в системах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации.

4. Фоторезистор

Сопротивление R зависит от освещенности. На подложку из керамики или стекла наносится пленка фотоактивного материала.

Используется внутренний фотоэффект. При освещенности происходит возбуждение электронов, переход их на более высокий энергетический уровень, изменяется концентрация свободных электронов.

Схема включения фоторезистора

Характеристики фоторезистора

При Ф = 0 I ф 0 − темновой ток. При наличии освещения I ф возрастает. Разность токов называется световым током или фототоком.

S = I ф/Ф − чувствительность; темновое сопротивление R T = 10 2 − 10 9 Ом. U раб = 100 В.

5. Тензорезистор , R зависит от деформации рабочего тела. Основная характеристика – деформационная характеристика – зависимость ∆R /R = f (∆l /l ), где l − длина рабочего тела.

Характеристики тензорезистора

Основные параметры R ном = 100 − 500 Ом; К = ∆R /R : ∆l /l (−150 ÷ + 150) − коэффициент тензочувствительности. Применяют для измерения деформации твердых тел.

Классификация полупроводниковых приборов и их назначение.

В промышленной электронике используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые можно разделить на несколько основных групп: 1) полупроводниковые резисторы; 2) полупроводниковые диоды; 3) биполярные транзисторы; 4) поле­вые транзисторы; 5) тиристоры.

Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы-трехэлектродными приборами. Тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трехэлектродными.

В полупроводниковых резисторах применяют изотропный (однородный) полупроводниковый материал, электрические свойства которого определяют электрические характеристики резистора. В полупроводниковых диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один р-n-переход. Электрические характеристики диода определяются в основном электрическими свойствами p-n-перехода.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два р-n -перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих р-п-переходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупроводниках с различными типами электропроводности, которые образуют один р-n -переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изо­тропного полупроводникового канала с р-n -переходом.

В тиристорах применяют полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три или более р- n -перехода. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих р- n -переходов.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два вывода.

Классификация и условное графическое обозначение полупроводниковых диодов приведены в табл. 2.2. Как видно из таблицы, все полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм 2 ; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис, 2.5), образующая р- n -переход в месте контакта.

Вольт-амперные характеристики точечного диода при различных температурах приведены на рис.

Из-за малой площади контакта прямой ток и междуэлектродная емкость таких диодов сравнительно невелики, что позволяет применять их в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды служат в основном для выпрямления переменного тока (выпрями­тельные диоды).

В плоскостных диодах р-n -переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

По способу внесения примесей диоды делят на сплавные и диффузионные.

Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками р-n -перехода. В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные характеристики р-n –перехода.

Рассмотрим более подробно типы и характеристики различных плоскостных диодов.

Выпрямительный диод- полупроводниковый прибор, в котором так же, как и в точечном диоде, используются выпрямительные свойства р-n -перехода.

Конструкция мощного выпрямительного диода показана на рис. 2.7. Маломощные выпрямительные диоды, а также выпрямительные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют, как правило, конструкцию, аналогичную точечным диодам.

Вольтамперная характеристика мощного выпрямительного диода приведена на рис. 2.8.

Благодаря большой площади перехода плоскостные диоды рассчитаны на большой прямой ток. Обычно прямое напряжение диода не превышает 1-2 В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1-10 А/мм2, что вызывает некоторое повышение его температуры. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85-100° С. Кремниевые диоды могут работать при температуре 150-200° С.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток (рис. 2.8), обусловленный движением неосновных носителей заряда через р-n -переход.

При повышении температуры р-n -перехода число неосновных носителей заряда увеличивается за счет перехода часта электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейший рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n -перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7-0,8) U проб. Даже кратковременное повышение обратного напряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р-n -перехода и выходу диода из строя.

Основными параметрами точечных и плоскостных выпрямительных диодов являются: прямой ток диода I пр, который нормируется при оп­ределенном прямом напряжении (обычно 1-2 В). Максимально допустимый прямой ток диода I пр max , максимально допустимое обратное напряжение диода U обр max ; обратный ток диода I обр, который нормируется при максимальном обратном напряжении U обр max . Параметры различных выпрямительных диодов приведены в табл.

Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

Полупроводниковый стабилитрон работает на участке электрического пробоя р-n -перехода. Для предотвращения теплового пробоя конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от р-n -перехода. Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис.

Как видно из рис., в области пробоя напряжение на стабилитроне U CT лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I CT . Такую характеристику стабилитрона применяют для получения стабильного напряжения, например в параметрических стабилизаторах напряжения.

Основными параметрами полупроводникового стабилитрона являются: стабилизирующее напряжение U CT ; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = d U CT /dI CT ; минимальный ток стабилитрона I ст min ; максимальный ток ста­билитрона I ст max ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKU = d U CT /dT 100%.

Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р-n перехода.

Туннельный диод - полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости (см. рис.).

В качестве рабочей используют прямую ветвь в. а. х.

Материалом для туннельных диодов служит сильно легированный германий или арсенид галлия.

Основными параметрами туннельного диода являются: ток пика Iп (кривая1 на рис.) и отношение тока пика к току впадины Iп/Iв. Для выпускаемых отечественной промышленностью диодов Iп = 0,1-100 мА, а Iп / Iв =5 - 20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и быстродействующих импульсных переключателях.

Обращенный диод - разновидность туннельного диода, у которого ток пика Iп = 0 (кривая 2 на рис.). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение Uпр < 0,3 В, то пряой ток диода Iпр = 0, в то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток диода достигает нескольких миллиампер в результате туннельного пробоя. Таким образом, обращенный диод обладает вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где обычные выпрямительные диоды этими свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току.

Обращенные диоды применяют, как и туннельные диоды в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости

р-n -перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой величиной емкости. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис.

Основными параметрами варикапа являются: общая емкость варикапа Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uo6p = 2-5 В; коэффициент перекрытия по емкости Кс = Cmax/Cmin, Для большинства варикапов Св = 10-500 пФ, а коэффициент перекрытия по ем­кости Кс = 5-20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Ф о.т о д и о д, фотоэлемент полупроводниковый, светодиод - полупроводниковые диоды, использующие эффект взаимодействия излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-n перехода.

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Транзисторы

Транзистор - это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток - действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor - управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

Классификация транзисторов:

По принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

По значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

По значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

По значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

По функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

По конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим - используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения - говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения - сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки - транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 - Условно - графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости - электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) - слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) - средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой - выходным (включается нагрузка), третий электрод - общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора - в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - диэлектрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристоры

Тиристор - это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 - Условно - графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) - как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы - трехэлектродные) - имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Тиристоры: принцип действия, конструкции, типы и способы включения

Симисторы (симметричные тиристоры) - проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Полупроводниковым диодом называется не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анодаи катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные ) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью (пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температуры окружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

Максимальный прямой ток I ПР ;

Температурная стойкость t 0 max ;

Максимальное обратное напряжение U KP .

Сопротивление постоянному току R 0 = U ПР / I ПР ;

Сопротивление переменному току R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;

Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;

Мощность потерь на аноде P A = U ПР I ПР ;

Область использования диодов : выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы с двумяр-п переходами, позволяющиеусилить электрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные (полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором . От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-п переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n) транзисторы, разница между которыми состоит вполярности подключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер – излучатель зарядов,база – основание иколлектор – собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p , а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

I э I к

Вход Выход

Рис. 2. Биполярный p - n - p транзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p - n иn - p . Первый переход (p - n ) включен впрямом направлении, т.е. минус кn -области, а плюс кр – области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n - p ) включен вобратном направлении, т.е. плюс к базе (n - область), а минус кр – области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратным U K включением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p - n переход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе , дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испы­тывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU K , переходят в кол­лектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в кол­лектор из отрицательного полюса батареи питания. В резуль­тате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI K , несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное - это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, кото­рый зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллектор­ным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощности подводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR н при соответствующем подборе напряжения батареиU к может быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R H >> R ВХ , а входной (эмиттерныйI Э ) и выходной (коллекторныйI К ) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU ВХ = I ВХ * R ВХ ; P вх = I 2 вх * R вх меньше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузкеU = I К * R Н ; P н = I K 2 * R Н . Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI Э ~ = I К ).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора - схема с общим эмиттером, при которой, кроме усиления мощ­ности, имеет место такжеусиление тока. Схема включенияс общим коллектором используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффи­циент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько де­сятков единиц, по напряжению - около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в сле­дующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в боль­шинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей при­водит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k опреде­ляется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная

Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ ВЫХ /ΔΧ ВХ;ΔU ВЫХ /ΔU ВХ;ΔI ВЫХ /ΔI ВХ;ΔP ВЫХ /ΔP ВХ.

Входное сопротивление транзистора переменному току

R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.

Мощность потерь на коллекторе

P K = U K * I K .

Достоинства транзисторов: малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки : существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использования транзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.