Пряме включення р-n-переходу.

Якщо “+” джерела напруги підключити до області р-типу, а “ – “ до області n-типу, то отримаємо пряме включення.

Електричне поле джерела, напруженістю Е_n, направлене на зустріч контактному полю напруженістю Е. Тоді результуюча напруженісті дорівнює:

Е_пр=E-E_n

Зменшення напруженості електричного поля р-n-переходу викликає зниження висоти потенційного бар'єру на значення прямої напруги Е_n (Е джерела).

Зменшення висоти потенційного бар'єру, приводить до того, що збільшується число основних носіїв заряду через р-n-перехід, тобто збільшується дифузійний струм. Навіть невелика напруга, прикладена до р-n-переходу створює великий струм, оскільки потенційний бар'єр невеликий (0.35В для германію; 0.6В для кремнію).

В результаті дії зовнішнього поля, в прямому напрямі в області р-n-переходу відбувається перерозподіл концентрації носіїв зарядів. Дірки р-області і електрони n-області дифундують в глибину р-n-переходу і рекомбінують там. Ширина переходу при цьому зменшується, внаслідок чого знижується опір запірного шару.

Зворотне включення р-n-переходу.

Електричне поле джерела напруженістю E_n, напрямлене в ту ж сторону, що й контактне поле p-n-переходу, напруженістю E. Тому напруженість результуючого поля в переході дорівнює:

E_зв=E+E_n

Збільшення напруги електричного поля в p-n-переході підвищує потенційний бар'єр значення зворотної напруги джерела. Це у свою чергу приводить до зменшення числа основних носіїв заряду, здатних подолати потенційний бар'єр, тобто до зниження дифузійного струму.

Вольт-амперна характеристика р-n переходу.

Залежність струму через p-n-перехід від прикладеної до нього напруги I=f(U) називається вольт-амперною характеристикою p-n-переходу.

Сімейство вольт-амперних

характеристик:

 

 

 

Зворотний струм, в основному, на декілька порядків менший від прямого, тому p-n-перехід володіє властивістю односторонньої провідності. При підвищенні температури, прямий струм через p-n-перехід незначно збільшується, оскільки він залежить від концентрації основних носіїв заряду, яка незначно змінюється. На зворотній струм підвищення температури впливає істотно, оскільки він залежить від концентрації неосновних носіїв заряду, яке при підвищенні температури експотенціально зростає.

Пробій р-n переходу.

Різке зростання зворотного струму, що виникає навіть при незначному збільшенні зворотної напруги понад певне значення називається пробоєм р-n-переходу.

Інжекція -(вприскування) при прямому зсуві потенційний бар'єр знижується і через нього основні носії заряду переміщаються в суміжну область, де вони є неосновними.

Екстракція -(витягання)під дією поля р-n-переходу неосновні для даної області носії заряду переміщаються через р-n-перехід в сусідню область. Процес виведення неосновних носіїв заряду через перехід під впливом поля цього переходу при підключенні р-n-переходу до джерела зовнішньої напруги.

Емітер -область, з якої інжектуються носії заряду (низькоомна область).

База -область, в яку інжектуются носії заряду, і де вони є неосновними (високоомна область).

У напівпровідниках через різну концентрацію домішок різна концентрація носіїв заряду. Звідси розрізняють низькоомну і високоомну області. Як правило, переважає інжекція з низькоомної області званої - емітером, а високоомної - базою.

Пробій може бути:

- електричним - при якому р-n-перехід не руйнується і зберігає працездатність.

- тепловим - при якому руйнується кристалічна структура напівпровідника.

Електричний пробій пов'язаний із значним збільшенням напруженості електричного поля в р-n-переході.

Існує 2 типи електричного пробою:

1) Туннельний пробій - спостерігається в напівпровідниках з вузьким р-n-переходом (забезпечується високою концентрацією домішок), він пов'язаний з тунельним ефектом, це коли під впливом дуже сильного поля носії заряду можуть переходити з однієї області в іншу без затрат енергії (тунелірувати через р-n-перехід). Тунельний пробій спостерігається при зворотній напрузі в декілька вольт (до 10 В).

2) Лавинний пробій - спостерігається в напівпровідниках з широким р-n-переходом. У сильному електричному полі може виникнути ударна іонізація атомів р-n-переходу. Носії заряду на довжині вільного пробігу набувають кінетичної енергії (в тому разі якщо потенційна енергія переходить в кінетичну), достатньої для того, щоб при зіткненні з атомами кристалічної решітки напівпровідника, вибити з ковалентного зв'язку електрони. Пара, що утворилася при цьому, електрон-дірка теж бере участь в ударній іонізації. Процес наростає лавиноподібно і приводить до значного збільшення зворотного струму. Напруга лавинного пробою десятки і сотні вольт.

Тепловий пробій виникає тоді, коли потужність, що виділяється в р-n-переході, при проходженні через нього зворотного струму, перевищує ту, яку він може розсіяти. Відбувається значний перегрів переходу, зворотний струм, що є тепловим, різко зростає, що приводить до ще більшого перегріву переходу, відбувається лавиноподібне збільшення струму, в результаті виникає тепловий пробій р-n-переходу.

Напівпровідникові діоди

Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним електричним переходом і двома омічними контактами, до яких приєднуються два виходи.

p-n перехід

 

Вихід вихід

Омічними контактами називається контакт металу з напівпровідником, який не володіє випрямляючими властивостями.

- позначення діода на принциповій схемі.

 

Електричний перехід утворюється між двома напівпровідниками з різним типом домішкової електропровідності.

Низкоомна область – емітер.

Високоомна область – база.

Діоди класифікуються

1. За основним напівпровідниковим матеріалом:

- кремнієві

- германієві

- арсенід-галієві

 

2. За фізичною природою процесу:

- тунельні діоди

- фотодіоди

- світлодіоди

і т.д.

 

3. За призначенням:

- випрямні

- імпульсні

- варікапи

- стабілітрони

 

4. За технологією виготовлення електричного переходу:

- сплавні

- дифузійні

5. За типом електричного переходу:

- точкові

- площинні

Точкові діоди

Мають дуже малу площу електричного переходу. Лінійні розміри площі менші за p-n перехід, завдяки цьому їх ємкість дуже мала і складає долі пФ. Застосовують їх для випрямляння струму високої частоти I в імпульсних схемах, все це при дуже малих струмах через невелику площу (струми 10-20 мА).

 

Площинні діоди

Мають плоский електричний перехід. Лінійні розміри його значно більші ширини p-n переходу (до декількох десятків кв.см). Через велику бар'єрну ємність p-n переходу ці діоди застосовуються на частотах до 10 кГц. Вони бувають:

- середньої потужності до 1А і до 600 В;

- великої потужності до 2000 А.

 

Випрямні діоди

У цих діодах основний параметр – використання односторонньої провідності p-n переходу. І його якість (p-n переходу) залежить від того, наскільки малий зворотний струм.

Вольт-амперні характеристики реальних діодів дуже нагадують

характеристики

p-n переходу.

 

 

 

 

 

Відмінності викликані родом напівпровідника, температурою p-n переходу.

 

Проста схема однонапівперіодного випрямляча:

 

 

 

 

Імпульсні діоди

 

Вони призначені для роботи в імпульсних схемах. У імпульсних режимах через проміжки часу, що дорівнюють одиницям мікросекунд (мкс), діоди перемикаються з прямого на зворотний. При цьому, кожен новий стан діода не може встановитися миттєво, тому важливого значення набувають так звані перехідні процеси.

 

 

 

 

Час t_вс (час встановлення) протягом якого зворотний струм змінюється від max до сталого називається часом встановлення зворотного опору (або струму) діода.

Це важливий параметр імпульсних діодів, зазвичай t_вс менше десятих доль мкс.

Тунельні діоди.

Тунельним діодом називається напівпровідниковий діод, змонтований на основі напівпровідника з великим вмістом домішок, в якому при зворотній і невеликій прямій напрузі виникає тунельний ефект, і вольт-амперна характеристика має ділянку з негативним диференціальним опором.

r_диф=dU/dI позначається:

Вольт – амперна

характеристика

 

 

Зворотний струм тунельного діода набагато більший, ніж у інших діодів, тому вони не володіють вентильною властивістю. Тунельний діод володіє підсилювальною властивістю і може працювати в схемах на ділянках а і в як активний елемент.

 

I₀

 

 

Е

U_вх

 

Величиною струму I_0, змінюючи опір R_1, ми потрапляємо на ділянку першого перегину вольт-амперної характеристики. Вихідна напруга при цьому дорівнюватиме:

U_вих=Е-I₀R₁.

Подаючи змінний сигнал на вхід підсилювача через резистор R₂, ми змінюємо струм через тунельний діод на величини:

I_0-1; I₀₊₁;

При збільшенні струму I_0+i ми потрапляємо на ділянку характеристики відповідної напруги U₃, яка має набагато більше значення падіння напруги. Таким чином, схема має підсилювальні властивості відповідні ключовому режиму.

Діоди Шоттки.

Потенційний бар'єр, отриманий на контакті метал, - напівпровідник називається бар'єром Шоттки, а діоди на його основі - діодами Шоттки.

Умовне позначення:

 

Утворений на межі між металом-напівпровідником шар, розташовується в напівпровіднику на межі з металом. Цей шар є таким, що замикає і володіє випрямляючою властивістю. У такому контакті можна забезпечити малу бар'єрну ємність, що дозволяє створити діоди і транзистори з ідеальними характеристиками для роботи в імпульсних схемах.

 

Стабілітрони.

Принцип роботи цих діодів заснований на тому, що при зворотній напрузі на р-n-переході в області електричного пробою, напруга на ньому незначно змінюється при значній зміні струму.

Умовне позначення:

 

Вольт-амперна характеристика

 

Стабілітрони призначені для стабілізації напруги і використовуються в параметричних стабілізаторах як джерело опорної напруги в схемах обмеження Дьюдеса. Напруга стабілізації (пробійна напруга) є для цих діодів робочою.

 

Схема простого параметричного стабілізатора.

R_б - баластне

R_н - навантаження

Напруга на R_н, не може перевищити напругу пробою стабілітрона, оскільки він підключений до нього паралельно. Надлишок напруги погашується на резисторі R_б

_. Основні параметри стабілітрона.

Напруга стабілізації: від 3 до 400 В.

Максимальний струм: від десятків до сотень мА

Диференціальний опір: r_е=U_ст/I_ст

 

ВАРІКАПИ.

Умовне позначення:

 

Діоди в яких використано властивість р-n-переходу, змінюють бар'єрну ємність при зміні зворотної напруги. Варікап можна розглядати як конденсатор з електронним управлінням ємністю.

 

Вольт-фарадна характеристика.

 

Показує залежність ємності конденсатора від прикладеної до нього напруги.

ОСНОВНІ ПАРАМЕТРИ ВАРІКАПА.

1. Ємність між виводами варікапа при заданій зворотній напрузі: максимальне значення від 5 до 300 пФ залежно від типу.

2. Коефіцієнт перекриття по ємності - це відношення ємності варікапа при мінімально, максимально допустимій напрузі.

Ємність варікапа як і будь-якого іншого діода визначається за формулою:

C=ЕS/d

де E-діалектрик проникності напівпровідника.

S-площа р-n- переходу

d- ширина р-n-переходу.

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ.

Розрізняють транзистори біполярні і уніполярні.

1.Транзистор біполярний -напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими електричними переходами і трьома (або більш) виводами, підсилювальні властивості якого зумовлені явищами інжекції і екстракції неосновних носіїв заряду.

2. Транзистором називається электроперетворюючий прилад з декількома електричними переходами, який придатний для посилення потужності, що має три або більше виводів.

 

 

Структура з таким розташуванням напівпровідникових матеріалів називається р-n-p типу або структура прямої провідності. Якщо напівпровідники поміняти місцями, то такий тип транзистора називатиметься транзистором зворотної провідності або n-p-n типу.

Електричний перехід між базою і емітером називається емітерним переходом.

Перехід між базою і колектором називається колекторним переходом.

Позначення:

p-n-p типу

 

 

n-p-n типу

 

 

безкорпусний транзистор

 

 

Rе

 

 

Для нормальної роботи будь-якого транзистора необхідно подати на його електроди початковий зсув так, щоб емітерний перехід був включений в прямому, а колекторний у зворотному напрямі.

Падіння напруги на емітерному переході складає декілька десятих доль вольта, а на колекторному - одиниці або десятки вольт.

Вольт- амперна характеристика емітерного переходу.

 

 

Вольт- амперна характеристика колекторного переходу

 

 

Поєднювальна вольт-амперна характеристика

 

 

У активному режимі прямий зсув емітерного переходу створюється за рахунок включення постійного джерела живлення U емітер-бази (U_еб), а зворотний зсув колекторного переходу за рахунок включення U колектора бази (U_кб).

 

 

I_е=I_к+I_б

У р-n-p транзисторі струм створюється переважно дірками, а в n-p-n - електронами.

Величина U_еб має невелике значення, близьке до висоти потенційного бар'єру, і становить долі вольт. Величина U_кб принаймні на порядок більша напруги U_еб і обмежується лише напругою пробою колекторного переходу.

При включенні джерел живлення U_еб і U_кб потенційні бар'єри емітерного переходу знижуються за рахунок U_еб, а потенційний бар'єр колекторного переходу підвищується за рахунок U_кб.

Дірки емітера легко долають потенційний бар'єр, що знизився, і за рахунок дифузії інжектуються в базу, а електрони бази в емітери з тієї ж причини.

Дірки емітера дифузують в базі до напряму колекторного переходу за рахунок переходу щільності дірок по довжині бази (1). Більшість з них доходять до колекторного переходу, а незначна частина рекомбінується з електронами бази. Для зменшення втрат дірок на рекомбінацію базу роблять тонкою.

Оскільки поле колекторного переходу для дірок є прискорюючим, вони втягуються через колекторний перехід колекторами, тобто відбувається екстракція дірок в колектор. Розповсюджуючись уздовж колектора за рахунок перепаду щільності, дірки досягають контакту колектора і рекомбінують з електронами, які проходять до виводу від джерела. Основні носії заряду колекторів (дірки), унаслідок того, що потенційний бар'єр колекторного переходу великий, практично не можуть піти з колектора в бази.

Через транзистор відбувається наскрізне ковзання дірок від емітера через базу до колектора і тільки незначна частина їх через рекомбінацію з електронами бази не доходить до колектора. Частина з дірками емітера заповнюється електронами джерела, які поступають в базу через її вивід. З основними носіями заряду через емітерний і колекторний переходи рухаються і неосновні для кожної з областей трнзистора носії, особливо через колекторний перехід: дірок бази в колектор; і електронів колектора в базу. Їх кількість росте з підвищенням температури. Таким чином, струм із кола емітера передаються в коло колектора з коефіцієнтом a в такій залежності: a=Iк/I_е, де коефіцієнт a називається коефіцієнтом передачі струму емітера в колектор. У сучасних транзисторах a дорівнює:

a= 0,95¸0,99 і навіть більшим, але завжди меншим за 1.

В залежності від полярності напруги прикладеної до емітерних і колекторних переходів транзистора розрізняють 4 режими його роботи.

1. Активний режим. На емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний - зворотня. Він є основним режимом роботи колектора. Через те, що напруга в колі колектора значно перевищує напругу, підведену до емітерного переходу, а струми в колах емітера і колектора практично рівні, то потужність корисного сигналу на виході з схеми (колекторному колі) набагато більша, ніж у вхідному (емітерному колі транзистора).

2.Режим відсічення. До обох переходів підводиться зворотня напруга. Тому через них проходить лише незначний струм, обумовлений рухом неосновних носіїв заряду. Практично транзистор в режимі відсічення замкнутий.

3. Режим насичення. Обидва переходи знаходяться під прямою напругою. Струм у вихідному колі транзистора максимальний і практично не регулюється струмом вхідного кола. Транзистор -керований прилад. У цьому режимі транзистор повністю відкритий.

4. Інверсний режим. До емітерного переходу підводиться зворотна напруга, а до колекторного - пряма. Емітер і колектор міняються своїми ролями - емітер виконує функцію колектора, а колектор - емітера. Цей режим, як правило, не відповідає нормальним умовам експлуатації транзистора.