Физические основы электроники

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

Утверждено в качестве учебного пособия

Ученым советом Федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет»

 

 

Комсомольск-на-Амуре 2013

УДК 621.38 (07)

ББК 32.85 я7

Г 85

 

 

Гринфельд С.Н. (автор-составитель)

Г 85 Физические основы электроники: Учебное пособие. – Комсомольск-на-Амуре: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение «Комсомольский-на-Амуре гос. техн. ун-т», 2013. – с.

 

 

Рассмотрены физические процессы, устройство, характеристики и параметры основных полупроводниковых приборов – диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров.

Предназначено для студентов электротехнических специальностей заочной формы обучения с использованием дистанционных технологий.

 

 

ББК 32.85 я7

 

© Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013.

 

© Институт новых информационных технологий Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет», 2013.

.

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии
внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна – n-типа, другая – р-типа). Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n⁺ - переход) и дырочно-дырочный ( р-р ⁺- переход). Знак «плюс» относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 2.1, а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми:

p_p = n_n,

где p_p – концентрация дырок в р-области; n_n – концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричным

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:

p_n << n_n и n_p << p_p,

где p_n – концентрация дырок в n-области;n_p – концентрация электронов в р-области.

Из распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре (рис. 2.1, 6) видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны – из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере продвижения дырок вглубь их концентрация уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация электронов уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p-и n-областей создает ток диффузии в p-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I_диф = I_{p диф} + I_{n диф}.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси:

· уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n-области;

· уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 2.1, а, в).

Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р-и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в p-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальнымбарьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (j), измеряемой в электрон-вольтах (рис. 2.1, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где «выступили» неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно p-n-переход. Из него уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем или областью пространственного заряда (ОПЗ). Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через p-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в p-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I_др = I_рдр + I_nдр.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока (I_т), поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому:

I_диф = I_др,

т.е. ток через p-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера j₀.

Установившаяся высота потенциального барьера (j₀) в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U_к) в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы:

j₀ = U_к.

Величина j₀ зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается, с увеличением концентрации примеси и ширины запрещенной зоны потенциальный барьер возрастает.

В состоянии равновесия p-n переход характеризуется также шириной (l₀).

Рассмотренный симметричный p-n-переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей. В этом случае p-n-переход называют несимметричным.

В несимметричном p-n-переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой. В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два-три, порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.

2.2. Электронно-дырочный переход
при прямом напряжении

При подаче на p-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области (рис. 2.2, а), а минусом к n-области, называют прямым напряжением(U_пр). Напряжение U_пр почти полностью падает на p-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р - и n-областей.

Полярность внешнего напряжения (U_nр)противоположна полярности контактной разности потенциалов (U_к), поэтому электрическое поле, созданное на p-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на p-n-переходе (рис. 2.2, б):

j = U_{к –} U_nр.

Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и p-областях основные носители заряда диффундируют через p-n-переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через p-n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к p-n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая, таким образом, ширину (l)обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления p-n-перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока U_nр < U_к, еще существует потенциальный барьер. Обедненный носителями заряда слой p-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до U_к = U_nр потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя p-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через p-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током (I_пр), который с увеличением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией. В симметричном p-n-переходе инжекции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область по интенсивности одинаковы.

Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в n-область дырки компенсируются электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у p-n перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.

Движение основных носителей заряда через p-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из n-области к p-n-переходу и далее в р-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в р-области, ушедших к p-n-переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектированные из р-области в n-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи p-n-перехода, а дрейф – вдали от него, внутри соответствующей области. На определенном расстоянии от p-n-перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т.е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда в сторону от p-n-перехода внутрь области создает тепловой ток (I_т). Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока (I_пр), и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда – дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

Мы рассмотрели процессы в симметричном p-n-переходе. В используемых на практике несимметричных p-n-переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если концентрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n-области (p_p >> n_n), то диффузия дырок в n-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в р-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в n-область, а диффузионный ток через p-n-переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляющей. Таким образом, в несимметричном p-n-переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.

При несимметричном p-n-переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, – базой.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Общие характеристики диодов

Диод – это электропреобразовательный полупроводниковый прибор (ПП) с одним электрическим переходом и двумя выводами (рис. 3.1). База Б и эмиттер Э с помощью базового БЭ и эмиттерного ЭЭ электродов, обеспечивающих омические контакты с n- и p-областями, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается во внешнюю цепь.

Принцип работы большинства диодов основан на использовании физических явлений в электрическом переходе, таких, как асимметрия вольт-амперной характеристики, пробой электронно-дырочного перехода, зависимость барьерной емкости от напряжения и т.д.

Различают диоды:

в зависимости от назначения:

ü выпрямительные;

ü стабилитроны;

ü варикапы;

ü туннельные;

ü импульсные и др.;

по применяемым исходным материалам:

ü германиевые;

ü кремниевые;

ü из арсенида галлия;

по технологии изготовления:

ü сплавные;

ü диффузионные;

ü планарные;

по частотному диапазону:

ü низкочастотные;

ü высокочастотные;

ü СВЧ-диоды (сверхвысокочастотные диоды);

по типу р-n-перехода:

ü плоскостные;

ü точечные.

Плоскостным называют р-n-переход, линейные размеры которого, определяющие его площадь, значительно больше толщины. К точечным относят переходы, размеры которых, определяющие их площадь, меньше толщины области объемного заряда.

Плоскостные диоды малой и средней мощности выполняются обычно со сплавным p-n-переходом. Сплавной р-n-переход в германиевых диодах (рис. 3.2) получается путем вплавления таблетки примесного акцепторного элемента (индия) в кристалл германия n-типа. При этом расплавленный индий частично диффундирует в германий, придавая близлежащей области кристалла германия дырочную проводимость. Область с дырочной проводимостью (р-типа) имеет очень низкое удельное сопротивление и является эмиттером по отношению к более высокоомному кристаллу полупроводника n-типа – базе диода. Устройство германиевого плоскостного диода показано на рис. 3.2. Кремниевые плоскостные диоды получаются путем вплавления алюминия в кристалл кремния. Кремниевые и германиевые диоды оформляются в металлическом сварном корпусе со стеклянными изоляторами и гибкими выводами.

В мощных плоскостных диодах p-n-переход чаще выполняется путем диффузии из газовой фазы атомов примеси в кристалл полупроводника. При диффузионном методе обеспечивается лучшая воспроизводимость параметров диодов. Мощные диоды часто выполняются с охлаждающими радиаторами.

В точечных диодах (рис. 3.2, б) выпрямляющий p-n-переход образуется между металлическим острием контактной пружины (диаметром 10...20 мкм) и кристаллом полупроводника обычно n-типа. Переход создается за счет пропускания коротких и мощных импульсов прямого тока через диод. При этом острие контактной пружины сплавляется с кристаллом, и вблизи места сплавления за счет диффузии расплавленного металла острия в кристалл получается область полупроводника p-типа. Точечные диоды вследствие малой площади p-n-перехода выпускаются на малые токи.

Теоретические вольт-амперные характеристики n-p-перехода и полупроводникового диода (рис.3.3) несколько отличаются. В области прямых токов это объясняется тем, что часть внешнего напряжения, приложенного к выводам диода, падает на объемном омическом сопротивлении базы (r_б), которое определяется ее геометрическими размерами и удельным сопротивлением исходного материала. Его величина может лежать в пределах от единиц до нескольких десятков ом. Падение напряжения на сопротивлении r_б становится существенным при токах, превышающих единицы миллиампер. Кроме того, часть напряжения падает на сопротивлении выводов. В результате, напряжение непосредственно на n-р-переходе будет меньше напряжения, приложенного к внешним выводам диода. Реальная характеристика идет ниже теоретической и становится почти линейной. Реальная ВАХ в области прямых напряжений описывается выражением:

.

Отсюда напряжение, приложенное к диоду, равно:

U_эб = I r_б + U_pn.

Необходимо заметить, что сопротивление базы (r_б) зависит от величины прямого тока диода, поэтому вольт-амперная характеристика и в области больших токов является нелинейной функцией.

При увеличении обратного напряжения ток диода не остается постоянным и равным току I₀. Одной из причин увеличения тока является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная при выводе выражения для теоретической ВАХ. Составляющая обратного тока через переход, зависящая от количества генерируемых в переходе носителей, называется током термогенерации (I_тг). С ростом обратного напряжения переход расширяется, количество генерируемых в нем носителей растет и ток I_тг также увеличивается.

Другой причиной увеличения обратного тока является конечная величина проводимости поверхности кристалла, из которого изготовлен диод. Этот ток называется током утечки (I_у). В современных диодах он всегда меньше термотока. Таким образом, обратный ток в диоде, обозначаемый I_обр, определяется как сумма токов:

I_обр = I₀ + I_тг + I_у.

Каждый тип диодов характеризуется параметрами – величинами, определяющими основные свойства приборов, а также имеет отличные от других вольт-амперные характеристики. Различают параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные, присущие только отдельным диодам.

Полупроводниковые диоды имеют следующие основные параметры:

· постоянный обратный ток диода (I_обр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

· постоянное обратное напряжение диода (U_обр) – значение постоянного напряжения, приложенного к диоду в обратном направлении;

· постоянный прямой ток диода (I_пр) – значение постоянного тока, протекающего через диод в прямом направлении;

· постоянное прямое напряжение диода (U_пр) – значение постоянного напряжения на диоде при заданном постоянном прямом токе;

Предельный режим работы диодов характеризуют максимально допустимые параметры – параметры, которые обеспечивают заданную надежность и значения которых не должны превышаться при любых условиях эксплуатации:

· максимально допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах);

· максимально допустимый постоянный прямой ток (I_{пр. mах}), значение которого ограничивается разогревом р-n-перехода;

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение (U_{обр. mах});

· дифференциальное сопротивление (r_диф);

· минимальная (Т_мин) и максимальная (Т_mах) температуры окружающей среды для работы диода.

Допустимая рассеиваемая мощность (Р_mах) определяется тепловым сопротивлением диода (R_т), допустимой температурой перехода (Т_{п mах}) и температурой окружающей среды (Т_о) в соответствии с соотношением:

.

Максимально допустимый прямой ток можно определить по заданной, максимально допустимой мощности:

.

Обратное максимально допустимое напряжение (U_{обр. mах}) для различных типов диодов может принимать значения от нескольких единиц до десятков тысяч вольт. Оно ограничивается пробивным напряжением:

U_{обр max} ≈ 0,8 U_проб.

Дифференциальное сопротивление (r_диф) равно отношению приращения напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока через диод:

.

Сопротивление r_диф зависит от режима работы диода.

Минимальная температура окружающей среды (Т_мин), при которой могут эксплуатироваться полупроводниковые диоды, обычно равна -60°С. При более низких температурах ухудшаются электрические и механические свойства полупроводниковых кристаллов и элементов конструкций диодов.

Для германиевых диодов максимальная температура Т_макс= +70 °С. Для кремневых она может достигать +150 °С. При более высоких температурах происходит вырождение полупроводника: концентрации основных и неосновных носителей становятся одинаковыми, переход перестает обладать свойствами односторонней проводимости

Обозначение диодов состоит из шести символов:

· первый символ (буква или цифра) обозначает материал диода (цифрой обозначаются диоды, способные выдерживать более высокую температуру):

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия;

· второй символ (буква) указывает подкласс приборов:

А – сверхвысокочастотный;	Б – с объёмным эффектом Ганна;
В – варикапы;	Г – генераторы шума;
Д – выпрямительные, универсальные, импульсные;	И – туннельные и обращенные;
К – стабилизаторы тока;	Л – излучающие;
Н – динисторы;	С – стабилитроны стабисторы;
У – тиристоры;	Ц – выпрямительные столбы и блоки;

· третий символ (цифра) обозначает классификационный номер, по которому различают диоды внутри данного типа (например: 1 – малой мощности, 2 – средней мощности, 3 – большой мощности, 4 – универсальные и т.д).

· четвертый и пятый символы (цифры) обозначают порядковый номер разработки (от 1 до 99).

· шестой символ (буква), указывает различие по параметрам, которые не являются классификационными.

Для полупроводниковых диодов с малыми размерами корпуса используется цветная маркировка в виде меток, наносимых на корпус прибора.

Виды диодов

Выпрямительные диоды. Выпрямительным полупроводниковым диодом
(рис. 3.4) называется полупро­водниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Это плоскостные диоды с относительно большой площадью p-n-перехода.

Выпрямительные диоды до­полнительно характеризуются электрическими величинами, опреде­ляющими их работу в выпрямителях:

· средним за период значением обратного напряжения (U_обр.ср);

· средним за период значением обратного тока (I_обр.ср);

· максимальным значением выпрямленно­го тока (I_{вп.ср.max});

· среднем за период значением прямого напряжения (U_пр.ср) при заданном среднем значении прямого тока.

Рабочая частота выпрямительных диодов: малой и средней мощности от 5 до 50 Гц, большой мощности от 50 до 500 Гц.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода (рис. 3.5) описывается уравнением:

,

где I₀– тепловой обратный ток; φ_т – температурный потенциал, при комнатной температуре 25 °С.

Импульсные диоды. Импульсный полупроводниковый диод – это диод имеющий малую длительность переходных процессов и предназначен для работы в импульсном режиме.

Основное применениеимпульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов в цифровых схемах, кроме того, для детектирования высокочастотных сигналов и в высокочастотной преобразовательной технике.

При переключении диода с прямого напряжения на обратное, в начальный момент через диод течёт неуправляемый обратный ток (рис. 3.6). Этот обратный ток ограничен только объемным сопротивлением базы диода и сопротивлением нагрузки (R_H). С течением времени, накопленные в базе неосновные носители зарядов рекомбинируют или уходят из базы через р-n-переход, после чего обратный ток уменьшается до обычного значения.

Переходный процесс, в течение которого обратное сопротивление диода восстанавливается до постоянного значения после быстрого переключения с прямого напряжения на обратное, называется восстановлением обратного сопротивления диода. Одним из основных параметров импульсного диода является время восстановления обратного сопротивления (t_в). По его значению импульсные диоды делятся на 6 групп:

1) tв > 500 мс;	2) 150 < tв < 500 мс;
3) 30 < tв < 150 мс;	4) 5 < tв < 30 мс;
5) 1 < tв < 5 мс;	6) tв < 1 мс.

Стабилитроны. Полупроводниковый стабилитрон (рис.3.7) – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения.

В стабилитронах, используется лавинный или туннельный пробой, следовательно, используемый материал чаще всего кремний. Участок 1 вольт-амперной характеристики стабилитрона (рис. 3.8) соответствует неустойчивому лавинному или туннельному пробою.

Основные параметры стабилитрона:

1) напряжение стабилизации;

2) температурный коэффициент напряжения стабилизации;

3) минимальный ток;

4) максимальный ток;

5) дифференциальное сопротивление;

6) статическое сопротивление.

Напряжение стабилизации – это значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации: от 3 до 400 В.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации является одним из наиболее важных параметров стабилитрона. Он определяется по формуле:

при I_ст = const.

Температурный коэффициент напряжения стабилизации показывает относительное изменение напряжения стабилиза­ции при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока.

При лавинном характере пробоя a_ст положителен. С увеличением температуры напряжение лавинного пробоя увеличивается, при понижении температуры – уменьшается. При туннельном пробое a_ст становится отрицательным, так как с увеличением температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается, с понижением температуры увеличивается. Смена знака a_ст происходит при напряжении электри­ческого пробоя 5 – 6 В. Для уменьшения a_ст стабилитрона иногда применяют комбинацию из последовательно включенных (двух или более), специально подобранных p-n-переходов с противоположным по знаку температурным коэффициентом напряжения. Одним из ва­риантов температурной компенсации является включение последова­тельно со стабилитроном диода в прямом направлении.

Минимальный ток стабилитрона (I_ст.min) определяется гарантированной устойчивостью состояния электрического пробоя p-n-перехода.

Максимальный ток стабилитрона (I_ст.max) определяется отношением максимально допустимой мощности к напряжению стабили­зации:

I_max» P_max / U_ст.

Дифференциальное сопротивление стабилитрона – величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации на стабилитроне к вызвавшему его малому приращению тока в задан­ном диапазоне частот:

.

Этот параметр характеризует основное свойство стабилитрона. Чем меньше r_ст, тем лучше осуществляется стабилизация.

Статическое сопротивление или сопротивление стабилитрона на постоянном токе в рабочей точке определяется по формуле:

.

Cтабисторы. Это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области прямого смещения слабо зависит от тока в заданном его диапазоне. Отличительной особенностью его по сравнению со стабилитроном является меньшее напряжение стабилизации, которое определяется прямым падением напряжения на диоде, и составляет 0,7 В.

Последовательное соединение двух, трёх и т.д. стабисторов даёт возможность получить удвоенное, утроенное напряжение стабилизации.

Стабистор имеет отрицательный температурный коэффициент и поэтому часто используется для температурной компенсации стабилитрона с положительным температурным коэффициентом. Для этого последовательно со стабилитроном необходимо включить один или несколько стабисторов.

Туннельные диоды. Туннельный диод (рис. 3.9) – это полупроводниковый диод, на прямом участке ВАХ которого (рис. 3.10) имеется участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Туннельные диоды изготавливают из материала, имеющего повышенное количество примесей. В результате этого в туннельном диоде создаётся полупроводник с высокой концентрацией носителей зарядов, что приводит к малой толщине р-n-перехода и к большей величине диффузионного электрического поля.

При обратном включении туннельный диод работает в режиме туннельного пробоя.

Основные параметры туннельного диода:

1) пиковый ток (I_n)

2) ток впадины (I_в);

3) отношение (I_n / I_в);

4) напряжение пика (U_n);

5) напряжение впадины (U_вп).

Туннельные диоды используют для генерации и усиления электрических колебаний и в переключающихся схемах.

Обращённые диоды. Обращённым называют диод (рис. 3.11), у которого проводимость при обратном смещении значительно больше, чем при прямом. Прямая ветвь ВАХ обращённого диода (рис. 3.12) аналогична ВАХ туннельного, а обратная ветвь ВАХ аналогична ВАХ выпрямительного диода.

Основные особенности обращённого диода:

1) способны работать только в диапазоне малых напряжений.

2) обладают хорошими частотными свойствами.

3) малочувствительны к воздействию проникающей радиации.

Варикапы. Варикап – это полупроводниковый диод (рис. 3.13), действие которого осно­вано на использовании зависимости емкости от обратного напряже­ния и который предназначен для применения в качестве элемента с элек­трически управляемой емкостью. Принцип действия варикапа основан на свойстве зарядной емкости обратно смещенного p-n-перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Основной характеристикой варикапа служит вольт-фарадная характеристика (рис. 3.14) – зависимость емкости варикапа (С_в) от значения приложенного обратного напряжения. В выпускаемых промышленностью варикапах значение емкости (С_в) может изме­няться от единиц до сотен пикофарад.

Основными параметрами варикапа являются:

· емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении (С_в);

· коэффициент перекрытия по емкости (К_С), используе­мый для оценки зависимости C_в = f (U­_обр) и равный отношению емкостей варикапа при двух заданных значениях обратного напря­жения (К_С = 2...20);

· температурный коэффициент емкости, который характери­зует зависимость параметров варикапа от температуры:

ТКЕ_в = DС_в / (С_вDT),

где DС_в/С_в – относительное изменение емкости варикапа при из­менении температуры DT окружающей среды.

 

 

Биполярные транзисторы

Общая характеристика

Биполярный транзистор (в дальнейшем просто транзистор) – это трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих р-n-перехода. Транзистор (рис. 4.1) состоит из трех основных областей: эмиттерной, базовой и коллекторной. К каждой из областей имеется омический контакт.

Переход, который образуется на границе областей «эмиттер – база», называется эмиттерным, а на границе «база – коллектор» – коллекторным. Проводимость базы может быть как дырочной, так и электронной; соответственно различают транзисторы со структурами n-p-n и p-n-p. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, за исключением того, что в транзисторе типа n-p-n ток, текущий через базу от эмиттера к коллектору, создают электроны, а в транзисторе типа p-n-p этот ток создают дырки. Полярность рабочих напряжений и направления токов в транзисторах n-p-n-типа и p-n-p-типа противоположны.

На схемах эмиттер изображают стрелкой, которая указывает прямое направление тока эмиттерного перехода.

Рассматривая трехслойную полупроводниковую структуру, можно убедиться, что у транзистора нет принципиальных различий между эмиттерным и коллекторным переходами и (при включении транзистора в схему) их можно поменять местами, т.е. коллекторный переход использовать в качестве