Температурные свойства p - n перехода

При повышении температуры возрастает генерация пар носителей заряда, т.е. увеличивается концентрация неосновных носителей и собственная проводимость полупроводника. Это наглядно показывают ВАХ перехода, снятые при различных температурах. При повышении температуры прямой и обратный токи растут, но обратный быстрее. При определённых значениях температуры переход теряет основное свойство – одностороннюю проводимость.

Для германиевых приборов верхний температурный предел 70…90⁰С, для кремниевых – 120…150⁰С.

 

Частотные свойства p - n перехода

При обратном смещении p-n перехода носители заряда обоих знаков находятся по обе стороны перехода, а в области самого перехода их очень мало, поэтому переход подобен ёмкости, величина которой пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости полупроводника. Эту ёмкость называют барьерной (С_Б).

При работе на высоких частотах ёмкостное сопротивление уменьшается и обратный ток может пройти через эту ёмкость, что нарушает нормальную работу перехода, т.к. теряется односторонняя проводимость.

Поэтому для работы на высоких частотах используются точечные приборы, у которых площадь p-n перехода незначительна и собственная ёмкость мала.

  Фотоэффект в p - n переходе

При освещении перехода поток падающих на полупроводник фотонов создаёт в нём некоторое количество носителей заряда – электронов и дырок. Часть из них достигает границы перехода, не успев рекомбинировать. Неосновные носители, для которых поле перехода будет ускоряющим, выбрасываются этим полем через переход: дырки в p-область, а электроны в n- область. Основные носители заряда задерживаются полем перехода в своей области. В результате происходит накопление нескомпенсированных зарядов и на p-n переходе создаётся добавочная разность потенциалов – фото э.д.с.

Величина фото э.д.с. зависит от интенсивности светового потока и обычно составляет десятые доли вольта.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – прибор с двумя выводами и одним p-n переходом.

Наибольшее применение получили кремниевые и германиевые диоды, а также диоды на основе арсенида галлия.

В зависимости от способа получения p-n переходов различают точечные (рисунок а) и плоскостные (рисунок б) диоды.

 

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод – это диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Основная характеристика – ВАХ.

Условное графическое обозначение (УГО) диода согласно ГОСТ имеет определённые размеры:    

 

Мощные выпрямительные диоды используют в цепях с большими токами и напряжениями и выполняют плоскостными.

Точечные диоды являются менее мощными и используются в схемах аппаратуры, работающей на высоких частотах.

Анод – вывод от p-области, катод – вывод от n-области.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рисунок а). В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рисунок б). При этом напряжение распределяется между всеми диодами поровну (если диоды одинаковы и величины шунтирующих сопротивлений R_Ш равны).

 

Стабилитрон

Стабилитрон – кремниевый диод, предназначенный для поддержания с определённой точностью постоянного напряжения в цепи обратного тока при изменении тока в определённых пределах.

Нормальный режим работы стабилитрона – работа при обратном напряжении, соответствующем электрическому пробою p-n перехода.

 

Основные параметры стабилитрона: максимальное и минимальное значение тока стабилизации I_СТ и напряжения стабилизации U_СТ.

УГО стабилитрона:

 

 

Стабилитроны используют для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.

Варикап

Варикап (от англ. vari(able) – переменный и cap(acitance) – ёмкость) – полупроводниковый диод, у которого используется барьерная ёмкость запертого p-n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду напряжения.

Основной характеристикой варикапа является вольтфарадная – зависимость величины ёмкости перехода от величины обратного напряжения.

Основное применение варикапа – электронная настройка частоты колебательного контура в различных радиоэлектронных устройствах.

УГО варикапа:

 

Туннельный диод

Туннельный диод – полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через переход и в характеристике которого есть область отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. Для этого используются материалы (германий, арсенид галлия) с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³), в то время как обычная концентрация примесей < 10¹⁵ см³. Такие полупроводники называются вырожденными, т.к. по свойствам они близки к металлам.

Особенностью ВАХ туннельного диода является то, что при подаче напряжения, превышающего U_п, прямой туннельный ток начинает резко убывать. В интервале U_п – U_в между точками А и В переход имеет отрицательное дифференциальное сопротивление:

R _диф =

Основные параметры туннельного диода:

I_п и I_в – токи пика и впадины;

U_п, U_в, U_рр – напряжение пика, впадины, раствора.

Отрицательное дифференциальное сопротивление играет роль клапана, регулирующего поступление электрической энергии от источника питания в нагрузку.

УГО туннельного диода:

 

Фотодиод

Фотодиод – полупроводниковый диод, в работе которого используется внутренний фотоэффект.

Фотодиод можно включать в схемы как с внешним источником питания – фотодиодный режим, так и без него, т.к. под действием светового потока в фотодиоде возникает фотоэ.д.с. – вентильный режим.

ВАХ фотодиода: при полном затемнении (Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток. С ростом светового потока обратный ток увеличивается.

Фотодиоды используются в фотометрии, для контроля источников света, измерения интенсивности освещения, прозрачности среды, автоматического регулирования и контроля температуры и т.п. Широко используются в оптоэлектронных схемах.

УГО фотодиода:

 

Светодиод

Светодиод – излучающий полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

При прямом смещении p-n перехода происходит интенсивная инжекция основных носителей: электронов из n- в p-область и дырок из p- в n-область. Инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями и при этом выделяется энергия. У большинства полупроводников в виде тепла, а у некоторых выполненных на основе карбида кремния, галлия, мышьяка, энергия рекомбинации выделяется в виде квантов света – фотонов. Излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части спектра.

 

Важнейшие характеристики светодиода (на примере светодиода АЛ301):

¾ спектральная – зависимость относительной мощности излучения  от длины излучаемой волны λ;

¾ характеристика направленности – зависимость величины интенсивности излучения от направления излучения.

светодиоды применяют в качестве индикаторов, в оптоэлектронных                   схемах.

 

УГО светодиода:

 

 

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трёх выводов, пригодный для усиления мощности.

Биполярный транзистор (БТ)

БТ – это наиболее распространённый транзистор, имеющий два p-n перехода. В нём используются носители заряда обоих полярностей, отсюда и название биполярный. Основным элементом БТ является кристалл кремний (германия), в котором созданы три области различных проводимостей. Различают n-p-n и p-n-p транзисторы. УГО БТ изображены на рисунке. Предпочтительным является изображение без круга.

 

Эмиттер (Э) – внешний слой БТ, предназначенный для инжекции (внедрения) носителей заряда в базу.

База (Б) – внутренняя область кристалла.

Коллектор (К) – внешний слой, предназначенный для экстракции (вытягивания) носителей заряда из базы.

Рассмотрим изготовление БТ методом диффузии: кристалл полупроводника n-типа (рисунок а) нагревают в парах акцепторной примеси, в результате происходит диффузия примеси в поверхностные слои (рисунок б). Затем так же производят диффузию донорной примеси (рисунок в). После удаления лишних слоев образуется транзисторная структура n-p-n типа (рисунок г).

 

Принцип действия БТ

В БТ имеются два p-n перехода: эмиттерный ЭП (между эмиттером и базой) и коллекторный КП (между коллектором и базой). База – очень тонкий слой (несколько микрометров). Концентрация примеси в базе во много раз меньше, чем в эмиттере. Это важнейшее условие работы БТ.

При подключении БТ к источникам питания Е_Э и Е_К переходы смещаются: ЭП прямо, а КП обратно. Потенциальные барьеры меняются: у ЭП снижается, у КП – увеличивается. Если бы концентрация дырок в эмиттере была равна концентрации электронов в базе, то эмиттерный ток I_Э создавался бы перемещением одинакового количества основных носителей из Э в Б и обратно. Но концентрация носителей в Э значительно превышает концентрацию носителей в Б, поэтому почти весь эмиттерный ток обусловлен дырками, инжектированными эмиттером в базу. Коэффициент инжекции γ = 0,999.

Инжектированные дырки проникают вглубь базы и начинают там рекомбинировать с электронами. Но электронов в Б мало и слой Б очень тонкий, поэтому почти все дырки успевают достичь КП прежде, чем произойдёт рекомбинация. Дырки для Б – неосновные носители, а поле КП – обратное, поэтому дырки втягиваются полем КП в коллектор и создают ток коллектора I_К. Ток коллектора незначительно меньше тока эмиттера. Те дырки, которые успели рекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока базы I_Б. Получаем уравнение:

I_Э = I_К + I_Б

Одним из основных параметров БТ является дифференциальный коэффициент прямой передачи тока – отношение приращения выходного тока к вызвавшему его приращению входного тока:

α =

Обычно α = 0,95…0,99

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода I_КБО , то полный ток коллектора равен

I_К= α I_Э + I_КБО

 

Учитывая, что ток I_КБО по величине незначителен, можно принять

I_К= α I_Э

БТ представляет собой управляемый прибор, т.к. выходной ток определяется величиной входного тока.

Режимы работы БТ

В зависимости от полярности напряжений,приложенных к ЭП и КП, различают четыре режима его работы.

Активный режим: ЭП смещён прямо, КП – обратно.

Вследствие того, что напряжение U_КБ значительно превышает U_ЭБ, а токи в цепях эмиттера и коллектора почти равны, мощность полезного сигнала на выходе схемы становится гораздо больше, чем на входе. Т.е. БТ усиливает входной сигнал.

Это – основной режим работы БТ.

Режим насыщения: ЭП смещён прямо, КП – прямо.

Ток в выходной цепи максимален и практически не регулируется током эмиттера. Направление тока коллектора определяется величиной U_ЭБ и U_КБ.

В этом режиме транзистор полностью открыт и насыщен.

 

 

Режим отсечки: ЭП смещён обратно, КП – обратно.

Через переходы протекает незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Транзистор заперт.

 

 

Инверсный режим:  ЭП смещён обратно, КП – прямо.

Эмиттер и коллектор меняются ролями: коллектор внедряет носители заряда в базу, а эмиттер вытягивает их оттуда.

Режим не соответствует нормальным условиям эксплуатации.

 

Схемы включения БТ

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают 3 схемы включения: с общей базой – ОБ, с общим эмиттером – ОЭ и с общим коллектором – ОК.

Схема ОБ

Для схемы ОБ входным током является ток эмиттера, а выходным – ток коллектора.

I_ВХ = I_Э

I_ВЫХ = I_К

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

α =

Как рассматривалось ранее, α имеет величину меньше 1.

Входной ток в данной схеме I_Э – наибольший из всех токов БТ, поэтому схема ОБ имеет малое входное сопротивление, равное сопротивлению прямо смещённого эмиттерного перехода. Это низкое сопротивление резко снижает усиление по напряжению и мощности предыдущего каскада в многокаскадных усилителях.

Достоинство:

¾ хорошее усиление по напряжению.

Недостатки:

¾ нет усиления по току;

¾ малое входное сопротивление.

 

Схема ОЭ

Для схемы ОЭ входным током является ток базы, а выходным – ток коллектора.

I_ВХ = I_Б

I_ВЫХ = I_К

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

β =

 

Коэффициенты α  и β связаны между собой: β =

 

Если α =0,98, то  β будет равно 49.

Входное сопротивление в схеме ОЭ значительно больше, чем в ОБ.

Достоинства:

¾ хорошие усиления по току и напряжению;

¾ большое входное сопротивление;

¾ возможность питания схемы от одного источника, т.к. на Б и К подаются питающие напряжения одного знака.

Недостаток:

¾ низкая температурная стабильность.

Схема ОЭ наиболее распространена.

 

Схема ОК

Для схемы ОК входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера.

I_ВХ = I_Б

I_ВЫХ = I_Э

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

+1

Схема ОК не позволяет получить усиления по напряжению и поэтому применяется редко, обычно для согласования сопротивлений между каскадами многокаскадного усилителя.

Достоинство:

¾ хорошее усиление по току;

¾ большое входное сопротивление.

Недостаток:

¾ нет усиления по напряжению.

 

Ориентировочные показатели схем включения транзисторов: