Элементы физики полупроводников

Лекция 1

Задачи курса

Данная дисциплина читается студентам второго курса специальности 2201 и рассчитана на 34 часа лекций.

Материал курса разбит на несколько частей, излагаемых последовательно со связью между разделами. Это требует последовательного изучения материала т.к. последующий материал может быть освоен только по изучению предыдущего.

В курс включены разделы:

- элементы физики полупроводников (P-N переход и его работа),

- полупроводниковые элементы (диоды, биполярные транзисторы, полевые транзисторы и т.п.),

-электронные устройства (аналоговые электронные устройства: усилители на локальных транзисторах, операционные усилители, источники тока, источники напряжения, функциональные устройства и т.д.; импульсные электронные устройства: формирователи импульсов, логические элементы и т.д.).

Элементы физики полупроводников

P-N переход, структура, работа.

Рис.4. Структура p-n перехода.

Основой построения большинства полупроводниковых элементов является p-n переход. Структура перехода условно показана на рис.4. Сущность перехода состоит в том, что полупроводниковый кристалл составлен из двух слоёв, один из которых имеет высокую концентрацию электронов, а концентрация дырок мала. Другой слой имеет обратные концентрации носителей зарядов, т.е. концентрация дырок велика а концентрация электронов мала. Слой, имеющий высокую концентрацию электронов называют n-слой, а другой слой называют p-слой. Крайние поверхности кристалла металлизируют и к ним приваривают выводы. Вывод p-слоя называют анод, а вывод приваренный к n-слою называют катод. Подключение внешнего источника напряжения к выводам диода (p-n перехода) организует его работу.

Если внешний источник напряжения подключить отрицательным полюсом (минусом) к аноду, а положительным полюсом (плюсом) к катоду, то правая обкладка получит отрицательный заряд а левая — положительный. Основные носители зарядов в слоях за счёт электростатической индукции отойдут от границы между слоями (гальванической границы) и сконцентрируются около обкладок. Неосновные носители будут отталкиваться от обкладок, и концентрироваться в области гальванической границы, где будет происходить их аннигилиция (взаимное уничтожение). Таким образом, при таком подключении источника питания в области гальванической границы создается высокоомная зона, и проводимость в p-n переходе отсутствует. Подобное состояние p-n перехода называют обратным смещением, которое характеризуется отсутствием тока образованного основными носителями. Однако часть неосновных носителей в электростатическом поле получает достаточно большую кинетическую энергию, т.е. разгоняется до высокой скорости, которая позволяет им перескочить потенциальный барьер образованный в районе гальванической границы. Эти носители образуют обратный ток, т.е. ток при обратном смещении p-n перехода. Величина этого тока зависит от подвижности неосновных носителей, которая существенно определяется температурой кристалла. Поэтому обратный ток называют тепловым током.

Другое подключение источника напряжения (плюс к аноду и минус к катоду) приводит к следующим процессам. Основные носители зарядов, отталкиваясь от обкладок имеющих обратные по знаку заряды начинают разгоняться, т.е. приобретают кинетическую энергию. Чем длительнее пробег, тем больше энергия. Часть носителей скапливаются в области гальванической границы и образуют объёмный заряд, в котором носители аннигилируют. Большая часть носителей приобретает настолько большую энергию, что преодолевает потенциальный барьер и проходит в противоположную зону. Такой механизм движения носителей зарядов приводит к образованию электрического тока большой величины. Рассмотренное подключение источника напряжения называют прямым смещением p-n перехода.

Какое либо конструктивное оформление p-n перехода называют полупроводниковым диод ом. Для многих маломощных диодов при токе прямого смещения (прямой ток) сотни миллиампер обратный ток не превышает 1мКа.

Таким образом, полупроводниковый диод, представляющий собой p-n переход, обладает односторонней проводимостью. Изображение диода используемое на принципиальных электрических схемах электронных устройств приведено на рис.2 — это стилизованная стрелка, обращённая остриём к n слою (к катоду).

Лекция 2

 

Лекция 3

 

Полупроводниковые диоды.

Прямое использование p-n перехода привело к появлению полупроводникового устройства — диода, основное назначение которого — организация прохождения тока в одном направлении в цепи, в которой установлен диод.

Используя различные конструкции переходов (плоскостные, точечные, с тонкими или толстыми слоями), различные технологические приёмы получают различные по характеристикам и по назначению диоды.

По функциональному назначению диоды подразделяют на:

- выпрямительные,

- стабилитроны и стабисторы,

- светоизлучающие,

- фоточувствительные,

- генераторные.

Выпрямительные диоды.

Эта разновидность диодов имеет наибольшую номенклатуру и наиболее широко применяется. Основное их назначение — преобразование переменного тока в пульсирующий, импульсный или постоянный ток, т.е. основная область их применения это выпрямители. Выпрямительные диоды между собой различаются по предельным параметрам.

Предельные параметры диодов:

- максимально допустимый прямой ток — Iпр мак,

- максимально допустимое обратное напряжение — Uоб мак,

- максимально допустимая рассеиваемая мощность — Pмак,

- максимально допустимая частота тока без снижения параметров — Fмак.

Максимально допустимый ток определяется площадью p-n перехода и концентрацией основных носителей в слоях кристалла. Поэтому диоды, рассчитанные на большие прямые токи имеют большие площади переходов и соответственно большие геометрические размеры.

Допустимое обратное напряжение зависит от толщины слоёв кристалла и от качества технологии (минимальное количество примесей и высокая степень чистоты кристалла и его поверхностей).

Современные технологии позволяют получать при малых габаритах диоды с достаточно большими прямыми токами и большими обратными напряжениями. Примером может служить диод КД226, который при диаметре 5,5мм и длине 9,6мм имеет Iпр мак = 1,7А и Uоб мак = 800В, а диод 1N4007 при диаметре 4мм и длине 7мм имеет Iпр мак = 1А и Uоб мак = 1300В.

Большое значение для нормальной работы имеет максимальна частота, т.к. при превышении этого параметра допустимые ток и наряженное резко уменьшаются. Эта особенность требует выбирать диоды для применения в схемах в соответствии частотой тока.

Для использования при повышенных частотах необходимо использовать диоды с малым временем рассасывания и восстановления. Обычно таким требованиям отвечают диоды, у которых полупроводящие свойства образуются за счёт контакта полупроводник - металл — диоды Шоттки. Так диод КД213 сохраняет прямой ток до 10А при частоте 100кГц.

Маломощные выпрямителные диоды (малые токи и напряжения) обычно имеют значительно лучшие частотные параметры.

Выпрямительные диоды, предназначенные для работы в цепях высокой частоты (до 600 МГц) называются высокочастотными. Как было указано ранее, они изготавливаются на основе точечного контакта (малые прямые токи и малые рассеиваемые мощности) или на использовании контакта металл - полупроводник (явление Шоттки). Малое прямое сопротивление и малая емкость барьера Шоттки позволяют этим диодам работать до частот порядка 250 ГГц.

В вычислительной технике, где сигналы обычно имеют импульсную форму, используют специальные так называемые импульсные диоды, которые характеризуются малыми барьерными емкостями и малым временем жизни неосновных носителей заряда в области p-n перехода. Такие специфические характеристики достигаются за счет специальных конструктивно-технологических мероприятий. По способу выполнения p-n перехода импульсные диоды подразделяются на точечные, сплавные, сварные и диффузные (меза и планарные). Наименьшим временем переключение обладают диффузные диоды, у которых оно может составлять единицы и доли наносекунд [нс].

Стабилитроны и стабисторы.

Рис.14. Параметрический стабилизатор.

Диоды у которых при обратном смещении возможен туннельный или лавинный пробой называют стабилитронами. Основное их использование — стабилизация напряжения на нагрузке (резисторе), включённой параллельно диоду, диод при этом включают при обратном смещении перехода. Подобное использование называют параметрической стабилизацией (рис.14).

Параметрический стабилизатор сохраняет неизменным напряжение на нагрузке Rн как при изменении напряжения источника питания U, так и при изменении нагрузки. Однако изменения должны быть небольшими.

В диапазоне напряжения стабилизации от 3В до 30В обычно используют туннельный пробой, для напряжений стабилизации более 30В используют лавинный пробой. Для стабилизации напряжений менее 3В применяют стабисторы, которые работают при прямом смещении.

В качестве максимально допустимых параметров для стабилитронов и стабисторов применяют:

- напряжение стабилизации - Uст,

- минимальный ток стабилизации - Iмин,

- максимальный ток стабилизации - Iмакс.

Напряжение стабилизации — напряжение пробоя для данного типа устройства, минимальный ток стабилизации — минимальное значение обратного тока при котором сохраняется режим пробоя, максимальный ток стабилизации — значение обратного тока при превышении которого электрический пробой (туннельный или лавинный) переходит в тепловой пробой, приводящий устройство в нерабочее состояние. Таким образом, при использовании стабилитронов или стабисторов необходимо выбирать ток не менее минимального и не более максимального.

Светодиоды.

При подаче на p-n переход прямого напряжения наблюдается интенсивная инжекция неосновных носителей. Инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями с выделением энергии. У многих полупроводников энергия, выделяющаяся при рекомбинации отдаётся кристаллической решётке в виде тепла. Однако у полупроводников, выполненных на основе карбида кремния (SiC), галлия (Ga) и мышьяка (As) энергия рекомбинации выделяется в виде квантов излучения — фотонов. Поэтому у таких полупроводников прохождение прямого тока сопровождается некогерентным оптическим излучением определённого спектрального состава. Диоды, обладающие такими особенностями называют светоизлучающими диодами (СИД). Часто используется термин — светодиод. В зависимости от ширины запрещенной зоны и особенностей рекомбинации излучение может находиться в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой частях спектра. Наибольшее распространение получили светодиоды с инфракрасным, красным, жёлтым или зелёным свечением.

Основными параметрами СИД являются:

- постоянное прямое напряжение Uпр [B],

- максимальный прямой ток Iпр мак [мА],

- максимально допустимое обратное напряжение Uоб мак [B],

- полная мощность излучения Pполн [мВт],

- яркость свечения диода при максимальном прямом токе В [кд/м²].

Рис.15. Включение светодиода.

Помимо применения СИД в качестве индикаторов они часто используются в оптронах.

На рис. 15 приведён пример включения светодиода для индикации положительной полуволны импульсного источника сигнала U(t). Если амплитуда сигнала больше Uпр обязательна установка добавочного резистора Rд для ограничения тока через диод. Величина этого резистора определяется выражением , где Ua — амплитуда сигнала, Iпр — прямой ток СИД, который может быть менее максимально допустимого прямого тока.

Фотодиоды.

Фотодиод представляет собой фотогальванический приёмник излучения, чувствительный элемент которого является полупроводниковым диодом. Освещение перехода каким либо излучением эквивалентно дополнительному энергетическому воздействию и приводит к дополнительному переходу неосновных носителей (электронов из p слоя в n слой и дырок из n слоя в p слой), что является увеличением обратного тока. Таким образом, при обратном включении фотодиода величина тока протекающего через диод пропорциональна его освещённости.

Рис.16. Основные схемы включения фотодиода.

Фотодиод можно включать в схемы, как с внешним источником напряжения, так и без него. Режим работы фотодиода с внешним источником называют фотодиодным, а без него — вентильным. В вентильном режиме за счёт перераспределения носителей заряда на выводах диода возникает э.д.с., величина, которой зависит от освещённости фотодиода. Однако вентильный режим используется редко, т.к. Э.Д.С. сильно зависит от температурного состояния перехода. Основные схемы включения приведены на рис.16 (а — фотодиодное, б — вентильное включения). Приняты обозначения: U — источник питающего напряжения, VD — фотодиод, R — резистор, определяющий ток в цепи, Uвых — выходное (пропорциональное освещённости) напряжение.

Основными характеристиками фотодиодов являются:

- максимальное рабочее напряжение Uрмакс[B] — постоянное напряжение, приложенное к диоду, при котором обеспечиваются номинальные параметры при длительной работе,

- темновой ток Iт[A] — ток, протекающий по фотодиоду при заданном напряжении и отсутствии потока облучения p-n перехода, который является суммой теплового тока и тока утечки фотодиода,

- интегральная чувствительность Sинт [A/люкс]— отношение фототока к интенсивности немонохроматического излучения, облучающего p-n переход: ,

- световая характеристика Ivd =f(Ф) — зависимость фототока от величины светового потока при постоянном напряжении на диоде, представляющая практически линейную зависимость тока от светового потока мало зависящую от напряжении на диоде,

- спектральная характеристика показывает зависимость фототока от длины волны излучения, облучающего диод,

- вольтамперная характеристика Ivd=f(Uvd) — зависимость тока диода от напряжения на диоде при постоянной величине светового потока, при фотодиодном включении ток мало зависит от напряжения (но существенно от светового потока).

Туннельные диоды.

Полупроводниковые диоды у которых используется эффект туннельного переноса зарядов назвали туннельными и они обладают специфическими характеристиками, что обуславливает области их применения.

.   Рис. 17. ВАХ туннельного диода.

Рис.18.Туннельный диод.

Использование туннельных диодов в импульсных схемах позволяет получить импульсные сигналы с крутыми фронтами и спадами, так как увеличение тока через диод больше чем I1 приводит к резкому возрастанию напряжения на диоде от U1 до U3 и время затрачиваемое на это переключение минимально. Это связано с тем, что ток изменяется очень мало и этот процесс не связан с накоплением заряда. Следовательно в вычислительной технике туннельные диоды целесообразно использовать при токовом управлении (в цепи коллектора транзисторного ключа) для формирования импульсов с крутыми фронтами и спадами

На рис. 18 показано изображение туннельного диода, используемое на принципиальных электрических схемах электронных устройств.

Варикапы.

Имеется разновидность полупроводниковых диодов которые обычно используются при обратном смещении p-n перехода и выполняют роль управляемого конденсатора. Основные носители в слоях полупроводника имеют высокую концентрацию и при обратном смещении они собираются в области гальванической границы, между слоями образуется высокоомная зона. При малой величине обратного напряжения ширина высокоомной зоны мала, что соответствует малому расстоянию между обкладками конденсатора. При повышенном напряжении на переходе основные носители оттягиваются от гальванической границы, т.е. ширина высокоомной зоны увеличивается, что соответствует большему расстоянию между обкладками конденсатора. Обкладками такого конденсатора являются основные носители в слоях полупроводниковой структуры. Известно, что если при неизменной площади обкладок конденсатора увеличивается расстояние между обкладками, то емкость уменьшается. Таким образом, изменяя обратное напряжение на варикапе мы изменяем величину его емкости.

Рис. 19. Включение варикапа.

На рис. 19 показано включение варикапа в колебательный контур. На потенциометр подается управляющее напряжение, а величина напряжения на варикапе определяется положением движка потенциометра. Чтобы малое сопротивление катушки контура не шунтировало управляющее напряжение поставлена развязка по постоянному току в виде конденсатора С.

Частота колебаний определяется соотношением

, где , — емкость варикапа.

Лекция 4

Транзисторы.

Полупроводниковое устройство, предназначенное для преобразования электрических сигналов. По принципу организации проводимости транзисторы подразделяются на биполярные и униполярные (полевые).

У биполярных транзисторов проводимость организуется за счет использования, как электронов, так и дырок, т.е. частицы, как с отрицательным, так и с положительным зарядом. Поэтому такие транзисторы называют биполярными.

У полевых транзисторов проводимость организуется за счет носителей только одного типа носителей либо электронов, либо дырок. Если проводимость организуется электронами, то такой транзистор называют n - канальным, если же проводимость обусловлена дырками, то транзистор называют p - канальным.

Транзистор — трехэлектродное устройство, т.е. он имеет три вывода, но некоторые разновидности транзисторов имеют четыре вывода.

Биполярные транзисторы.

Биполярный транзистор построен на трехслойной структуре полупроводника и имеет два p-n перехода. Каждый слой металлизируется и к металлизации приваривается вывод, таким образом, получаем три электрода (вывода).

В зависимости от чередования слоев полупроводника биполярные транзисторы разделяются на две большие группы: n-p-n — транзисторы и p-n-p — транзисторы.

а б в

Рис.20. Структура и изображения биполярных транзисторов.

На рис. 20а приведена условная структура n-p-n транзистора, а на рис. 20б и в приведены рекомендуемые изображения соответственно n-p-n и p-n-p транзисторов. Если изображение взято в окружность, то в схеме используется локальный (отдельно выполненный) транзистор, если же окружности нет, то транзистор — элемент интегральной схемы.

Как видно на рисунке крайние слои полупроводника (n слои) имеют высокую концентрацию электронов и при прямом смещении инжектируют их в средний р слой. Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, а слой, в который инжектируются неосновные носители, называют базой. При работе транзистора в линейном режиме только один переход смещен в прямом направлении, и поэтому только один вывод транзистора имеет обозначение Э — эмиттер. Вывод от среднего слоя имеет обозначение Б — база. Другой переход обычно смещен в обратном направлении и n слой этого перехода называют коллектор (собиратель) и его вывод обозначают — К. Если рассмотреть структуру, то можно обратить внимание на то, что относительно среднего слоя она симметрична. Эта особенность в принципе позволяет менять коллектор на эмиттер (инверсный режим работы биполярного транзистора). Однако у реальных конструкций транзисторов переход на инверсный режим не позволяет получить приемлемое качество работы, так как реальная структура несимметрична и различными технологическими приемами сформированы эмиттер и коллектор.

Лекция 5

Статические характеристики.

Под статическими характеристиками будем понимать зависимости между переменными и параметрами биполярного транзистора на постоянном токе. Такими зависимостями являются: Iэ=f(Uбэ, Uкб), Iк=f(Uкб, Iэ) — для схемы включения с общей базой и Iб=f(Uбэ, Uкэ), Iк=f(Uкэ, Iб) — для схемы включения с общим эмиттером. Функции Iэ и Iб называют входными, а Iк — выходными характеристиками.

 

Рис. 27. Входная характеристика в схеме с общим эмиттером.

Рис.26.Входная характеристика в схеме с общей базой.

При снятии входной характеристики в схеме с общей базой для получения истинной зависимости вывод коллектора транзистора нужно оставить не подключенным. Это связано с тем, что миллиамперметр необходимо включать в цепь эмиттера, так как ток эмиттера почти равен току коллектора. При подключении к коллекторному выводу источника напряжения будет сформирован ток коллектора, значительно превышающий входной ток и миллиамперметр покажет именно его. При отключенном коллекторе снимаем вольтамперную характеристику базово-эмиттерного перехода и она имеет такой же вид, как и ВАХ перехода диода.

Существенное отличие ВАХ базово - эмиттерного перехода от ВАХ диода состоит в том, что из-за малой толщины слоя базы обратное напряжение перехода значительно ниже и составляет единицы вольт.

При снятии входной характеристики в схеме с общим эмиттером миллиамперметр нужно включать в цепь базы, и он будет показывать входной ток даже при подключении источника напряжения к выводу коллектора.

На полученных характеристиках видно одно из проявлений эффекта Эрли, состоящее в том, зависимость тока базы от напряжения база-эмиттер изменяется в зависимости от напряжения на коллекторе. Увеличение напряжения на коллекторе приводит к уменьшению тока базы при сохранения неизменным напряжения база-эмиттер.

Другой важной статической характеристикой является зависимость тока коллектора от напряжения коллектор-база (в схеме включения с общей базой) или от напряжения коллектор-эмиттер (в схеме с общим эмиттером). На рисунке 28 представлено семейство выходных характеристик в схеме включения с общей базой.

Особенностью данной характеристики является то, что при постоянном приращении тока эмиттера она становится регулярной, правая полуплоскость соответствует линейному режиму, загиб характеристик в правой части характеристик соответствует режиму пробоя (резкое возрастание тока коллектора при очень малом изменении напряжения коллектор-база).

Особенная точка характеристики Uкэ = 0, что соответствует соединению выводов коллектора и эмиттера. Левая полуплоскость соответствует режиму насыщения, так как напряжение коллектор-база становится отрицательным и смещает p-n в прямом направлении, т.е. в этом режиме и базово-эмиттерный и базово - коллекторный переходы смещены в прямом направлении, а ток коллектора определяется внешней цепью.

Рис. 28. Выходные характеристики при включении с общей базой.

Если выполняется условие Uкб=Uбэ источники питания взаимно компенсируются и Iб =Iэ =Iк = 0.

Проявление эффекта Эрли состоит в наклоне характеристик на линейном активном участке.

Наибольшее распространение в схемотехнике функциональных устройств получила основная схема включения с общим эмиттером и поэтому существенно знание основных характеристик для этого включения.

Следует напомнить основную особенность этого включения, общей точкой соединения источников питания является эмиттер. Поэтому входным током в этом случае является ток базы — Iб, а выходным — ток коллектора — Iк.

Указанные особенности приводят к изменению вида характеристик, что особенно заметно на выходных характеристиках — выходные характеристики располагаются только в положительной полуплоскости аргумента.

Рис. 29. Выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером.

На рис.29 показаны выходные характеристики в схеме включения с общим эмиттером. Все характеристики обычно разбивают на три области: 1 — режим насыщения, 2 — линейный усилительный режим, 3 — режим пробоя.

В линейной электронике наибольшее применение находит второй режим, для которого характерна зависимость . В этом выражении b — коэффициент передачи тока базы в цепь коллектора, — дифференциальное сопротивление коллектора. Причем третье слагаемое отображает влияние эффекта Эрли.

Каждая из характеристик получена при определенном значении тока базы Iб1 < Iб2 < Iб3 < Iб4. Если Iб(i+1) - Iбi = DIб — const, то семейство характеристик получается регулярным.

В режиме насыщения выполняется соотношение , т.е. нарушена линейная зависимость тока коллектора от тока базы, а величина тока коллектора определяется внешней цепью (сопротивлением в цепи коллектора транзистора).

Третья область характерна наступлением либо электрического пробоя переходящего в тепловой, либо теплового пробоя связанного с рассеиванием на коллекторе большой электрической мощности.

ВАХ дают полное описание транзистора, но использование их достаточно сложное, позтому на основе ВАХ вводят статические параметры биполярных транзисторов. К ним относятся: дифференциальное сопротивление базы — , коэффициент передачи базового тока в цепь коллектора — b, дифференциальное сопротивление коллектора — . Указанные параметры могут быть определены либо экспериментально, либо из статических характеристик.

Рассмотрим определение параметров по статическим характеристикам.

Для определения дифференциального сопротивления базы необходимо в рабочей точке к характеристике провести касательную, к которой линиями параллельными осям координат достроить прямоугольный треугольник. Катет параллельный оси тока дает приращение тока базы —dIб, а катет параллельный оси напряжения дает приращение напряжения база-эмиттер —dUбэ. Параметр — дифференциальное сопротивление базы определяется соотношением . Построения, связанные с определением показаны на рисунке 30.

Рис.30. Построения графика для определения .

Для нахождения остальных параметров необходимы выходные характеристики (смотри рис. 28).

Нахождение дифференциального сопротивления коллектора состоит в том, что в рабочей точке выходной ВАХ проводится касательная (на рисунке касательная совпадает с характеристикой) к которой достраивается прямоугольный треугольник с катетами dIк и dUкэ, и искомый параметр определяют по выражению .

Для нахождения основного параметра — коэффициента передачи базового тока в цепь коллектора — b необходимо выполнить следующее (см. рис. 31). Произвольно на втором участке ВАХ провести вертикальную линию — П. По точкам пересечения проведенной линии с двумя линиями ВАХ, построенных соответственно с токами базы Iб1 и Iб2, определить значения токов коллектора Iк1 и Iк2.

Параметр определиться соотношением b = dIк/dIб,

где dIк = Iк2 - Iк2, dIб = Iб2 - Iб1.

Рис.31. Определение параметров транзистора по выходным характеристикам.

Замечание. Обычно выходные характеристики строятся при выполнении условия dIб = Iб(i+1) - Iбi — постоянная величина. Поэтому семейство выходных характеристик является регулярным, а это дает возможность оценить влияние тока базы на коэффициент передачи базового тока. Эта зависимость получается если определить b для всех соседних значений тока базы, и на основе полученных данных построить зависимость b = f(Iб).

Для простейших расчетов усилительных каскадов на биполярных транзисторах во многих случаях достаточно знание рассмотренных параметров.

В электротехнике для описания характеристик (параметров) неизвестных электрических и электронных устройств широко используется метод четырехполюсника. Под четырехполюсником понимается электрическая схема или часть схемы, которая отображается прямоугольником и имеет четыре вывода, два входных и два выходных. На рис. 32 показано изображение четырехполюсника с вписанным в него транзистором.

Рис.32. Четырехполюсник.

Обозначим: u1, i1 — напряжение и ток на входе четырехполюсника; u2, i2 — напряжение и ток на выходе четырехполюсника.

Из указанных переменных две являются не зависимыми, а другие две -- функциями. Если в качестве независимых переменных выберем i1, u2, то четырехполюсник описывается уравнениями

 

u1 = A*i1 + B*u2

i2 = C*i1 + D*u2.

Коэффициенты A,B,C,D являются параметрами четырехполюсника и соответственно параметрами транзистора. В зависимости от того, в каких единицах измерения представлены параметры они получают общее название: если они измеряются в омах, то — Z - параметры, если в 1/ом, то — Y - параметры. Однако в полупроводниковой электронике повсеместно распространены h - параметры (гибридные). При использовании h - параметров уравнения четырехполюсника будут иметь вид

 

.

Рассмотрим, как могут быть определены параметры четырехполюсника, и каков их физический смысл.

При переходе от мгновенных значений к приращениям переменных будем иметь:

* , при u2 = 0, т.е. при коротком замыкании на выходе четырехполюсника, но с другой стороны при включении с общим эмиттером . Таким образом, параметр четырехполюсника h11 является дифференциальным сопротивлением базы.

* , при u2 = 0, но , следовательно, в схеме включения с общим эмиттером параметр h21 является коэффициентом передачи базового тока в цепь коллектора — b.

* , при i1 = 0, т.е. при холостом ходе на входе схемы. Но и, следовательно .

* , при i1=0 — характеризует степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи, поэтому он называется коэффициентом обратной связи.

В справочниках по транзисторам в качестве параметров даются h - параметры. Помимо гибридных параметров среди справочных данных публикуют производный параметр , при Uкэ = const, который называют “крутизна” и который характеризует изменение тока коллектора при изменении напряжения база-эмиттер на единицу. Этот параметр можно выразить через другие параметры . Помимо этого показано .

Составные транзисторы.

Рис.36.Составной транзистор — схема Дарлингтона.

 

В зависимости от назначения транзистора меняется его конструкция. Так транзисторы, рассчитанные на работу с большими рассеиваемыми мощностями имеют большие площади p-n переходов и относительно большую толщину слоев, а это приводит к малым значениям коэффициента b. С целью улучшения характеристик мощных транзисторов были разработаны так называемые составные транзисторы. Один из вариантов такой разработки — схема Дарлингтона приведена на рис.36.

Схема состоит из двух транзисторов: первый транзистор малой или средней мощности, а второй — большой мощности. Схема имеет три вывода, что соответствует выводам обычного транзистора, они на рисунке имеют соответствующие обозначения. Анализируя схему, запишем:

dIб = dIб1,

dIэ1 = dIб2 = (1+b1)dIб1,

dIк = dIк1+ dIк2 = b1*dIб1+ b2[(1+b1)dIб1].

Учитывая, что для всей схемы dIк/dIб = bå, получаем

bå = b1+b2+b1*b2. Для схемы включения с общим эмиттером остальные параметры: , и .

Лекция 6

Лекция 7

Тиристоры.

Полупроводниковые приборы с тремя p-n переходами, имеющие участок на вольт-амперной характеристике с отрицательным сопротивлением, называют тиристоры. Двухэлектродные тиристоры называют динисторами, а трехэлектродные – тринисторами.

Простейший тиристор (динистор) можно представить четырехслойной структурой изображенной на рис. 50.

Как видно из рисунка 50 данное устройство имеет четыре чередующихся слоя p1-n1-p2-n2 и соответственно три p-n перехода П1-П2-П3. Если к устройству подключить источник напряжения как показано на рисунке то потечет ток I в указанном направлении. При этом переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. Таким образом, поучится как бы сочетание двух транзисторов в одном устройстве: одним транзистором является комбинация слоев p1-n1-p2, другим – n1-p2-n2, т.е. первый транзистор структуры p-n-p, а другой – n-p-n. Подобная замена динистора транзисторной схемой действительно обладает свойствами динистора и находит применение в практике. Слой p1 называют анодом динистора, слой n2 – катодом, соответственно слой n1и p2 – базами. При подаче ан динистор напряжения в указанной полярности коллекторный переход П2 смещен в обратном направлении, т.е. находятся в непроводящм состоянии. Достигнуть проводящего состояния возможно только если предположить, что в обратносмещенном переходе будет наступать явление пробоя. Обычно это лавинный обратимый пробой, и явление пробоя не доходит до своего конечного состояния, определяемого большим током коллектора ограниченным только внешними цепями. Подобное положение объясняется тем, что как только появляется ток пробоя коллекторного перехода сразу же появляется ток базы, т.е. транзисторы открываются и находятся в активном усилительном режиме, для которого характерно Iк = b*Iб. Следовательно возрастание тока базы приводит к возрастанию тока коллектора и уменьшению напряжения на коллекторном переходе. Этот процесс лавинообразен и приводит к тому, что напряжение на динисторе будет равно напряжению насыщения Uкнас, и транзисторы переходят в насыщенный режим, т.е. величина тока будет определяться только внешней цепью. Выключиться динистор может только при услов