Полупроводниковые приборы.

План занятия:

1.Полупроводниковые приборы с одним p-n переходом. ВАХ p-n перехода.

2.Полупроводниковый диод, его свойства и характеристики.

3.Фотодиод, светодиод, стабилитроны и стабисторы. Варикап.

Полупроводники (п.п.) занимают промежуточное положение между диэлектриком и проводником. Их электрические свойства существенно зависят от внешних воздействий (электромагнитных, температурных и др.). Если рассматривать атомную структуру полупроводника при достаточном уровне энергии (например, нагреть его), то внешние электроны будут оторваны от своих ядер, а на его месте образуется дырка. Под воздействием электрического поля в полупроводнике будет протекать ток, обусловленный движением электронов в одну сторону, а дырок – в другую.

Если полупроводник чистый, то количество дырок равно электронам.

В качестве полупроводников наиболее часто используют материалы 4 группы – германий (Ge) и кремний (Si). В последнее время стали использовать арсенид галлия.

- Если п.п. легировать элементом 2 группы (мышьяк As), то в нём будет больше электронов – это полупроводник n-типа (negative).

- Если п.п. легировать элементом 3 группы (индий In), то в нём будет больше дырок – это полупроводник р-типа (positive).

Если монокристалл полупроводника легировать с одного конца примесью р-типа (индий), а с другого n-типа (мышьяк), то между областями с разными проводимостями образуется р-n переход. Он образуется в силу того, что некоторые дырки из р – области за счёт диффузии сместятся в область n, а электроны - из n в p. В тонком слое перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е. уравновешивают друг друга, и в этой p-n области нет свободных носителей зарядов (это обедненный слой). Если к прибору подключить внешний источник тока плюс к А (аноду), минус к К (катоду), то толщина обедненного слоя уменьшится и через диод потечёт ток. С увеличением внешнего напряжения ток через p-n переход будет увеличиваться по exp закону, до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным потенциальному барьеру. Дальнейшее возрастание тока ограничивается только сопротивлением полупроводника.

Если полярность изменить на противоположную минус к А, плюс к К, то величина потенциального барьера увеличится и ток через p–n переход будет обусловлен только I_обр, который остаётся практически постоянным до пробоя. (Аналог: обратный клапан в гидравлике). I_обр для германия ~1÷200 мкА. Для кремния в сотни раз меньше. В любом случае I_обр сильно зависит от температуры.

Основные причины:

- образованиенеосновныхносителей при нагреве;

- поверхностные точки утечки (для Si);

Режим работы диода определяется его ВАХ I=F(U). Обычные диоды работают в области ограниченной U_прmax и U_обрmax. При этом токи также не должны выходить за пределы допустимых.

По конструктивно-технологическому признаку диоды бывают точечные и плоскостные.

В плоскостных диодах р-n переход закрыт защитным слоем двуокиси кремния, поэтому такие диоды обладают меньшим током утечки и могут использоваться в импульсных устройствах.

Точечно-контактные диоды получаются, если вольфрамовую пружину ввести в контакт с полупроводником. В этой контактной области образуется p-n переход. Т.к. площадь контакта мала, то сопротивление таких диодов больше, но ёмкость меньше. Соответственно ВЧ свойства таких диодов лучше. (Сопротивление можно уменьшить, используя золотую спираль).

Сочетание достоинств тех и других получается в диодах, изготовленных по специальным технологиям. Это микроплоскостные и диффузионные диоды.

В качестве материала используют германий (~70℃), кремний(~150℃) и арсенид галлия нескольких сотен градусов Цельсия.

Динамический режим характеризуется конечным временем перехода из закрытого состояния в открытое, которое обусловлено эффектом накопления заряда. Когда входное напряжение положительно, диод открывается и напряжение на нём равно прямому напряжению на диоде. Когда U_E отрицательно диод закрывается и напряжение на нём становится равным U_E . Однако это происходит не мгновенно, а по истечении времени t_р, которое тем больше, чем больше прямой ток через p-n переход.

Для маломощных диодов , для сильноточных это время порядка миллисекунд. Очевидно, что период колебаний должен быть больше, чем t_р. На несколько порядков меньше t_р у диодов, которые имеют переход металл–полупроводник. Заряда в таком переходе весьма мало (t_p , кроме того они обладают малым (по сравнению с обычными кремневыми диодами) прямым напряжением, составляющем ~0,3В. Диоды Шоттки обозначаются:

Выпрямительные диоды. Предназначены для выпрямления токов НЧ, в основном промышленной частоты 50 Гц. В качестве их используют плоскостные кремневые диоды, т.к. они имеют большую площадь и соответственно больший ток.

Основные параметры:

U_пр - постоянное прямое напряжение, при I_пр = const;

U_обр - постоянное обратное напряжение, при I_обр =const;

I_пр - постоянный прямой ток в прямом направлении (диод открыт);

I_обр- постоянный обратный ток (диод закрыт);

r_диф- дифференциальное сопротивление т.е. отношение ∆U_пр к ∆I_пр, характеризует наклон прямой ветви ВАХ.

Максимально допустимые параметры - это параметры, определяющие границы эксплуатационных режимов, при которых диод может работать с заданной вероятностью отказа в течение установленного срока службы.

U_{прmax ,}I_прmax

Пример: КД 105 Г обладает параметрами:

I_прmax = 0.3 A

U_обрmax = 800 В

I_обрmax = 0.05 А

U_прmax = 1 B

Выпрямительные диоды, для выпрямления переменного тока в силовых цепях, чаще используют в полупериодных схемах. Одной из них является мостовая схема. Мостовые схемы из выпрямительных диодов выпускаются промышленностью в виде монолитных блоков, например серии КЦ.

Высокочастотные диоды. Это приборы универсального назначения. Используются для выпрямления ВЧ токов (МГц), модуляции, демодуляции, детектирования и др., нелинейных преобразований. В качестве таковых используют точечные диоды. Их основные параметры такие же, как и у выпрямительных, но диапазон частот (t_max) гораздо выше.

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсных сигналов (в детекторах видеосигналов, ключевых и логических устройствах)

Основные параметры:

U_примп – импульсное прямое напряжение;

U_обримп – импульсное обратное напряжение;

(включая выбросы на фронтах)

С_д – общая ёмкость диода;

τ_уст – время установления U_пр;

τ_вост - время восстановления U_обр;

Максимально допустимые параметры: U_{обр.имп.max}, I_{обр.имп.max}, T_max ÷ T_min

Стабилитроны. Предназначены для стабилизации уровня напряжения при протекании через диод тока. Используют обратную ветвь ВАХ. Обратная ветвь ВАХ стабилитрона имеет крутой излом, обусловленный резким ростом тока. Этот излом соответствует напряжению стабилизации U_ст. В рабочей области (точки А и В). Существенное изменение тока I_ст вызывает малое изменение . При этом качество стабилизации тем выше, чем меньше дифференциальное сопротивление .

Основные параметры:

U_стаб - напряжение стабилизации (~3÷200 Вольт)

U_пр

С_ст – полная ёмкость стабилитрона

- температурный коэффициент. (при I_ст =соnst)

Максимально допустимые параметры:

I_ст.max, U_ст.max, P_max

Существует класс приборов (стабисторы), которые используют свойства прямой ветви ВАХ.

Стабилитроны:Стабисторы:

Варикапы. Ёмкость p-n перехода с увеличением U_обр уменьшается

где - контактный потенциал (десятые доли В),

n - конструктивный элемент (2 3).

Максимальная ёмкость варикапа в зависимости от типа , коэффициент перекрытия по емкости .

Фотодиоды. Обратный ток диода возрастает при освещении p-n переходе. Этот эффект может использоваться для фотометрии. Чувствительность фотодиодов около 0,1мкА/лк.

Как следует из ВАХ фотодиода, напряжение холостого хода составляет примерно 0,5В (для кремния) и мало зависит от нагрузки, пока величина тока нагрузки остаётся меньше величины тока короткого замыкания для данной освещённости J_p. Благодаря этому фотодиоды могут быть использованы для получения электрической энергии.

Граничная частота для обычных фотодиодов ~10 МГц. Для диодов с р-i-n переходом достигнуты частоты порядка 1 ГГц.

Светодиоды. При протекании прямого тока через p-n переход некоторые полупроводники излучают свет определённого, довольно узкого спектра. Светодиоды изготавливают не на основе Si или Ge, как большинство полупроводниковых приборов, а на основе арсенида- фосфида галлия и др. В зависимости от материала получают соответствующее излучение:

арсенид галлия – инфракрасный

арсенид фосфид галлия – красный (оранжевый, жёлтый)

фосфид галлия - зелёный.

КПД инфракрасных , остальных .

Яркость свечения в широком диапазоне пропорционального I_пр.

Полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами

Биполярные транзисторы – это полупроводники, в которых используются заряды носителей обеих полярностей. Основанием прибора служит пластина п.п., называемая базой. С двух сторон в неё вплавлены полупроводники с проводимостью, отличной от проводимости базы. Если крайние области с электронной проводимостью n, а база с дырочной р, то получают n-p-n транзистор. Если наоборот, то p-n-p – транзистор. Переходы могут быть включены как в прямом, так и в обратном направлении.

При этом:

1) Если оба перехода включены в обратном направлении, т.е. оба заперты – транзистор работает в режиме отсечки.

2) Если оба перехода включены в прямом направлении (оба перехода открыты) – транзистор работает в режиме насыщения.

3) Промежуточный режим – активный (линейного усиления)

Активный режим получают подачей отрицательного (относительно эмиттера) напряжения на базу (переход база-эмиттер открыт), а коллектор смещают в обратном направлении, подачей отрицательного относительного эмиттера напряжения.

В соответствии с теорией четырёхполюсников, транзистор можно представить в виде:

Напряжения, и токи связаны через h – параметры:

U₁ = h₁₁I₁ + h₁₂U₂

I₂ = h₂₁I₁ + h₂₂U₂

Физический смысл h- параметров:

h₁₁= U₁/I₁ – входное сопротивление в транзисторе, при U₂=0

h₁₂= U₂/U₂ – коэффициент ОС по U, при I₂=0

h₂₁= I₂/I₁ – коэффициент передачи по току, для сх. с ОБ это α

ОЭ β=

h₂₂=I₂/U₂ – выходная проводимость при I₁=0

ВАХ транзистора; связывающие входные и выходные токи и напряжения, называются соответственно входными и выходными характеристиками.

Входная ВАХ связывает напряжение . В активном режиме переход э-б смещён в прямом направлении. В этом случае ВАХ представляет собой прямую ветвь р-n переходе. Открывающее напряжение . Через открытый переход протекает ток . Зависимость входных характеристик от объясняется уменьшением толщины базы при увеличении обратного напряжения (эффект Эрли).

Усилительные свойства транзистора объясняются тем, что при увеличении тока базы I_Б, существенно увеличивается ток коллектора I_К. Из выходных характеристик видно, что Iк, начиная с некоторого значения U_нас, мало изменяется. Напряжение, при котором ВАХ имеет изгиб, называется напряжением насыщения. При напряжение на коллекторе становится меньше напряжения базы. В этом случае коллекторный переход открывается, возникает режим насыщения и I_К резко уменьшается. При большом U_K, I_К резко возрастает – наступает тепловой (лавинный) пробой.

Из анализа ВАХ следует, что транзистор, как и диод является нелинейным элементом, однако в активном режиме U_проб > U_КЭ > U_нас ток I_Б и I_К связаны почти линейно.

Классификация биполярных транзисторов:

1) -германиевые ( )

-кремниевые ( )

2) по диапазону частот: НЧ, СЧ, ВЧ.

3) по мощности:

-маломощный;

-средней мощности;

-большой мощности.

Транзисторы малой мощности:

1) усилители НЧ и ВЧ;

2) малошумящие;

3) переключатели.

Транзисторы большой мощности:

1) усилители;

2) генераторы;

3) переключатели;

4) по технологическому признаку:

- сплавные;

- сплавно-диффузионные;

- планарные;

и др.

В соответствии с ГОСТ 10862-72 транзисторы обозначаются комбинацией букв и цифр.

Первый элемент обозначает полупроводниковый материал:

Г или 1 - Германий

К или 2 - Кремний

А или 3 - соединение галлия

Второй элемент означает подкласс прибора:

Т - биполярный транзистор

П - полевой транзистор.

Третий элемент – назначение прибора.

Четвёртый и пятый – номер разработки.

Шестой – деление технологического признака (буквы от А до Я).

ГТ115А – германиевый, низкочастотный малой мощности номер разработки 1Б, группа А.

Параметры постоянного тока характеризуют неуправляемые токи транзистора, связанные с обратными токами переходов

- обратный ток коллектора I_КБО,

- обратный ток эмиттера I_ЭБО,

- обратный ток «коллектор – эмиттер» I_КЭО

ВЧ – параметры характеризуют работу транзистора на ВЧ:

- граничная частота, частота выше которой транзистор не может быть использован как усилительный элемент;

- граничная частота по току (сх.ОЭ), f_гр- это частота, при которой ;

- максимальная частота генерации - частота, при которой транзистор может работать в режиме автогенерации;

- ёмкость коллекторного перехода C_К (между базой и коллектором) при заданном обратном напряжении U_ЭБ;

- сопротивление базы r_Б – сопротивление между базой и эмиттером (h_11э);

- постоянная времени ;

- коэффициент шума К_ш – отношение мощности P_шума на выходе транзистора к той её части, которая обусловлена тепловыми шумами сопротивления источника сигнала.

К_ш = f (U_K, I_Э, f, T, R_{ист.сигн.})

Для обеспечения малошумящего режима транзистор используют при малых токах (I_Э 0.1 ÷ 0.5 мА) и малом напряжении .