Биполярные и полевые транзисторы.

2.1. Полупроводниковый стабилитрон

Стабилитрон – это полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области электрического пробоя. На этом участке напряжение очень слабо зависит от тока, что и используется в практических целях для стабилизации напряжения при изменении в некоторых пределах тока через диод (рис. 2.1). Для изготовления стабилитронов используют кремний, поскольку кремниевые p-n переходы имеют небольшие обратные токи, не приводящие к саморазогреву полупроводника в области электрического пробоя. Напряжение пробоя U_{обр. ПР}, являющееся напряжением стабилизации U_СТ, зависит от параметров исходного полупроводника и технологии его обработки.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в.

 

Основными параметрами стабилитрона являются:

- U_ст - напряжение стабилизации при указанном номинальном токе стабилизации;

- I_ст._min, I_ст._max - минимальный и максимальный токи на участке стабилизации;

- дифференциальное сопротивление - характеризует степень стабильности напряжения стабилизации при изменении тока стабилизации;

- температурный коэффициент напряжения стабилизации (ТКН) α _СТ , который определяет изменение в процентах напряжения U _СТ при изменении температуры окружающей среды на 1 ^○С:

при I _СT = const. Для кремниевых стабилитронов ТКН зависит от величины напряжения стабилизации: при U _СТ < 5,4 B он отрицателен, а при U _СТ > 5,4 B – положителен.

Стабилитроны включают в цепи постоянного тока, как показано на рис. 2.1, в. Эта схема носит название «параметрический стабилизатор напряжения».

Основные расчетные соотношения:

E_ср = 0,5(E_min + E_max) - среднее напряжение стабилизируемого источника;

I_ср = 0,5(I_min + I_max) - средний ток стабилитрона.

 

Ток нагрузки I_Н = U_CT / R_H. Сопротивление ограничительного резистора

R_ОГР = (Е_СР + U_СТ ) / (I_CT + I_H).

Кроме обычных стабилитронов промышленностью выпускаются двухсторонние стабилитроны, имеющие симметричную вольт–амперную характеристику относительно оси токов. При этом напряжение стабилизации при прямом смещении стабилитрона равно напряжению стабилизации при обратном смещении.

Стабисторы – это полупроводниковые диоды, прямое напряжение на которых слабо зависит от тока в заданном диапазоне, то есть стабисторы работают на прямой ветви ВАХ (рис. 2.2).

 

 

Основные параметры стабисторов: U_ст = 0,7 В; I_ст = 1… - несколько десятков мА.

Особенность стабисторов состоит в том, что они имеют отрицательный температурный коэффициент напряжения: с ростом температуры уменьшается U_ст. Поэтому стабисторы являются термостабилизирующими элементами. Их соединяют последовательно со стабилитронами, у которых температурный коэффициент напряжения положительный.

 

2.2. Полупроводниковые излучающие диоды (светодиоды)

Светодиоды представляют собой полупроводниковые приборы с прямосмещенным p-n переходом, который излучает свет, вызванный рекомбинацией носителей заряда, прошедших электронно-дырочный переход. Как известно, рекомбинация характеризуется переходом электрона из зоны свободных уровней на уровни валентной зоны. При этом при переходе электрона на более низкий энергетический уровень происходит излучение кванта света. Этот процесс свойственен всем полупроводникам. Но в германии и кремнии излучаемая энергия мала из-за малой ширины запрещенной зоны ∆W_З. Излучение видимого света при рекомбинации носителей заряда генерируют полупроводниковые материалы, имеющие большую, чем у германия и кремния, ширину запрещенной зоны. Например, фосфид галлия GaP имеет ∆W_З = 2,2 эВ, арсенид галлия GaAs - ∆W_З = 1,5 эВ, карбид кремния SiC - ∆W_З = 2,3 …3,1 эВ. Длина волны (цвет) излучаемого света определяется разностью энергий уровней, между которыми происходит преимущественный переход электронов при рекомбинации. Эта разность может быть близка к ширине запрещенной зоны (как в арсениде галлия – инфракрасное излучение) или меньше (как в фосфиде галлия или карбиде кремния – видимый диапазон). В первом случае рекомбинация носителей заряда сопровождается непосредственным переходом электронов из зоны проводимости в валентную зону – прямая рекомбинация. Во втором случае рекомбинация происходит через рекомбинационные центры (ловушки), локальные уровни энергий которых располагаются

 

 

внутри запрещенной зоны – непрямая рекомбинация. Внося дополнительные примеси можно задавать требуемые значения локальных уровней и тем самым получать необходимый цвет свечения – красный, желтый, зеленый, синий. Электронно-дырочный переход светодиода выполняется несимметричным (рис.2.3), с концентрацией дырок в р-слое (эмиттере), много больше концентрации электронов в n-слое (базе). Тем самым при прямом напряжении смещения ток в светодиоде создается преимущественно дырками эмиттера, переходящими под действием инжекции в базу, где они рекомбинируют с электронами.

Вольт-амперная характеристика светодиодов подобна характеристикам кремниевых и германиевых диодов. Основными параметрами светодиодов являются:

- прямой ток через p-n переход I_ПР (5 – 20 мА);

- падение напряжения на p-n переходе при протекании прямого тока U_ПР (1,5 – 2 В);

- яркость свечения L – 10…100 кд / м² ;

- срок службы – до 100 тыс.ч.

Светодиоды характеризуются высоким быстродействием (10 ^{- 8} - 10 ^{- 6} с). К источнику питания светодиоды подключатся прямой полярностью через балластный резистор, ограничивающий прямой ток:

, где - напряжение источника питания.

 

Биполярные транзисторы

Название транзистор происходит от английского Transfer Resistor – преобразующий сопротивление, а биполярный означает тот факт, что в процессе создания тока учавствуют носители зарядов двух типов – электроны и дырки.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n-переходами и тремя выводами, обладающий усилительными свойствами.

Существует две полупроводниковые структуры биполярных транзисторов: p-n-p и

n-p-n типа (рис. 2.4.а и б соответственно). Биполярный транзистор имеет три чередующиеся полупроводниковые области различной проводимости - эмиттер (Э), база (Б), коллектор (К). Переход между эмиттером и базой (П₁) называется эмиттерным, переход между базой и коллектором (П₂) - коллекторным. База транзисторавыполняется тонкой, меньше диффузионной длины росителей заряда (несколько микрометров), то есть меньше , где D – коэффициент диффузии носителей заряда, τ – время жизни неравновесных носителей заряда.

 

 

Диффузионная длина L – это расстояние, на котором избыточная концентрация носителей заряда вследствие их рекомбинации уменьшается в е раз( 2,7 раза). Для электронов и дырок диффузионная длина и время жизни величины разные.

В транзисторе степень легирования полупроводниковых областей разная: эмиттерная и коллекторная области – сильно легированы, база - слабо легирована, то есть обеднена основными носителями заряда (НЗ).

 

2.3.1. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три основных способа включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ) (рис. 2.5). При любом способе включения в цепь входного электрода включается источник входного сигнала, а в цепь выходного – нагрузка. Набольшее применение находит схема с ОЭ, т.к. она обладает наибольшим коэффициентом усиления по току. Рассмотрим её работу на примере p-n-p-транзистора. На рис. 2.6 в областях Э и К показаны только основные НЗ - дырки, в области Б – основные НЗ и не- основные НЗ. Источник Е₂ смещает эмиттерный переход в прямом направлении; источник Е₁– смещает коллекторный переход в обратном направлении. За счет источника Е₂ через прямосмещенный эмиттерный переход начинается инжекция основных НЗ (дырок) из Э в Б транзистора, где они становятся неосновными НЗ.

 

Это дырочная составляющая эмиттерного тока. Электроны из Б инжектируются в Э, образуя электронную составляющую тока эмиттера. Но, поскольку база обеднена основными НЗ, то электронная составляющая тока эмиттера будет очень незначительной. Можно считать, что ток эмиттера полностью состоит из дырочной составляющей.

 

 

 

Большая часть дырок, инжектированных в Б, диффундирует к коллекторному переходу, захватывается полем этого перехода и перебрасывается из Б в К, создавая в коллекторной цепи ток, пропорциональный току эмиттера:

I_к^' = aI_э,

 

где a - коэффициент передачи тока эмиттера. Обычно a близок к 1 (> 0,99).

Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток I_к0 (за счет собственных неосновных НЗ - дырок в базе). То есть, полный ток коллектора

I_к = I_к^' + I_к0 = aI_э + I_к0.

 

Небольшая часть дырок, попадая в область Б, рекомбинирует с основными НЗ базы - электронами, образуя ток базы I_б, величина которого небольшая - несколько % тока эмиттера.

Ток базы состоит из суммы очень небольшой электронной составляющей тока эмиттера и тока за счет рекомбинации некоторой части дырок с электронами в базе транзистора за вычетом обратного тока коллектора, то есть

 

I_б = I_эn + I_э.рек - I _к0.

 

Таким образом, в транзисторе существуют три тока, причем всегда ток эмиттера равен сумме двух токов - тока коллектора и базы:

 

I_э = I_б + I_к.

 

Так как I_к aI_э, то то есть или I_к (1 - a) = a I_б, откуда

.

Величина b = называется коэффициентом передачи тока базы:

Iк = bI_б.

Поскольку коэффициент a близок к 1, коэффициент b может достигать .

При включении с общей базой ток коллектора ,

где = – интегральный коэффициент передачи тока эмиттера , - обратный ток коллекторного перехода.

Схема с ОК обладает коэффициентом усиления по напряжению К _U ≤ 1 и большим входным и малым выходным сопротивлениями. Её часто называют эмиттерным повторителем и используют для согласования высокоомных и низкоомных цепей.

2.3.2. Статические характеристики транзисторов

Для каждой схемы включения транзисторов существует четыре семейства статических характеристик:

- входные I _ВХ = f(U _ВХ) при U _ВЫХ = const;

- выходные I _ВЫХ = f(U _ВЫХ) при I _ВХ= const;

- передачи по току I _ВЫХ = f(I _ВХ) при U _ВЫХ = const;

- характеристики обратной связи по напряжению U _ВХ = f(U _ВЫХ) при I _ВХ = const;

Для схемы включения ОЭ общий вид входных и выходных характеристик приведен на рис. 2.7.

 

 

2.3.3. Динамический режим работы транзистора

Динамический режим – это режим, при котором в коллекторную цепь транзистора включен резистор (рис. 2.8).

 

Для транзистора, с включенным в коллекторную цепь сопротивлением нагрузки R_К, справедливо соотношение:

, (2.1)

где - напряжение источника коллекторного питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистора является функцией тока коллектора. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линия, называемая нагрузочной прямой на постоянном токе (рис. 2.7 прямая MN). Её можно построить по двум точкам, если в уравнении (2.1) последовательно положить

= 0 и = 0 и найти точки M и N. Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению коллекторного тока соответствует конкретное значение и конкретное падение напряжения на нагрузке . Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному коллекторному току, называется рабочей точкой (точка Р на рис. 2.7). При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала), рабочая точка под действием управляющего базового сигнала будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения .

 

2.3.4. Параметры транзистора как четырехполюсника

Транзистор является нелинейным элементом, так как его характеристики определяются нелинейными зависимостями между токами и напряжениями. Однако, если входной сигнал по амплитуде будет меньше по сравнению с постоянным напряжением, соответствующим точке покоя, то в некоторой рабочей области участки статических ВАХ можно считать линейными. В этом режиме (режим малого сигнала) приращения между токами и напряжениями так же можно считать линейными, а транзистор представлять в виде четырехполюсника (рис. 2.9)

 

Связь между входными (U₁, I₁) и выходными (U₂, I2₂) переменными четырехполюсника наиболее просто можно описать системой уравнений, в которой две величины являются независимыми, а две другие – зависимыми. Для транзистора практично принять независимыми входной ток I₁ и выходное напряжение U₂. Тогда зависимые величины можно выразить через независимые:

U₁ = f₁ (I₁, U₂); I₂ = f₂ (I₁, U₂). (2.2)

Если при малых изменениях независимых величин приращения зависимых величин разложить в ряд Тейлора и пренебречь членами второго и высших порядков, то (2.2) можно представить в виде:

∆U₁ = ∆I₁ + ∆U₂

∆I₂ = ∆I₁ + ∆U₂ (2.3).

Заменив приращения значениями токов и напряжений и введя для частных производных обозначение через параметр h_ij, (2.3) можно преобразовать к форме:

 

U₁ = h₁₁ I₁ + h₁₂ U_2; I₂ = h₂₁ I₁ + h₂₂ U₂ (2.4)

 

 

где - постоянные коэффициенты, которые принято называть -параметрами. Эти коэффициенты имеют определенный физический смысл:

· h ₁₁ = при U ₂ = const - входное сопротивление в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

· h ₁₂ = при I ₁ = const - коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе четырехполюсника;

· h ₂₁ = при U ₂ = const - коэффициент передачи тока в режиме малого сигнала при коротком замыкании на выходе четырехполюсника;

· h ₂₂ = при I ₁ = const - выходная проводимость в режиме малого сигнала при холостом ходе на входе четырехполюсника.

Эти параметры могут быть записаны для любой схемы включения биполярного транзистора. Для схемы ОЭ при замене дифференциала на приращения - параметры могут быть определены по статическим характеристикам транзистора:

h ₁₁ = ∆U _бэ / ∆I _б при U _кэ = const; h ₁₂ = ∆U _бэ /∆U _кэ при I _б = const;

h ₂₁ = ∆I _к / ∆I _б при U _кэ = const; h ₁₂ = ∆I _к /∆U _кэ при I _б = const.

Используя - параметры в схемах замещения биполярного транзистора, можно достаточно просто проводить аналитический расчет схем на основе известных уравнений для линейных цепей.

 

 

 

Рис.2.10. Схема замещения БТ системой h-параметров

 

 

Полевой транзистор

Принцип действия полевого транзистора (ПТ) основан на использовании носителей заряда одного наименования (электронов или дырок), движение которых осуществляется через канал с изменяющейся посредством поперечного электрического поля проводимостью. Различают полевые транзисторы с управляемым p-n переходом и с изолированным затвором. Структура полевого транзистора с управляемым p-n переходом и каналом n-типа, а также условное графическое обозначение приведены на рис. 2.11.

В приведенной конструкции канал протекания тока представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n переходами. Электрод, от которого двигаются носители зарядов (в данном случае электроны), называется истоком (Source), а электрод, к которому они движутся – стоком (Drain). Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором (Gate). Перенос носителей заряда между истоком и стоком осуществляется под действием продольного электрического поля при U_СИ > 0. При этом через канал протекает ток стока I_C. Управляющие свойства полевого транзистора объясняется тем, что при подаче на затвор напряжения U_ЗИ < 0 под действием возникающего поперечного электрического поля увеличивается ширина p-n переходов (в основном за счет более высокоомного n-слоя). Это приводит к уменьшению сечения канала проводимости и уменьшению выходного тока I_C. При U_СИ = 0 сечение канала приблизительно одинаково по всей его длине. С ростом напряжения U_СИ увеличивается падение напряжения в канале при протекании тока и уменьшение его сечений в направлении от истока к стоку (p-n переходы расширяются в направлении стока). Поскольку управление выходным током ПТ производится, как правило, напряжением входной цепи U _ЗИ, для них представляет интерес переходная или стоко-затворная характеристика при U_СИ = const (рис. 2.12, а).

Стоковые (выходные) характеристики ПТ с p-n переходом отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор- исток при U_ЗИ = const. Входные характеристики – зависимость тока затвора от напряжения затвор-исток в полевых транзисторах не имеют практического применения. Это связано с тем, что при управлении током стока на затвор подается относительно истока отрицательное напряжение (см. рис. 2.11,а). При этом оба p-n

 

перехода находятся в закрытом состоянии, и через них и цепь затвор-исток протекает обратный ток p-n перехода, составляющий доли микроампер. Это определяет высокое входное сопротивление полевого транзистора , что выгодно отличает его от биполярного транзистора. Можно считать, что полевой транзистор практически не потребляет мощность по цепи управления.

В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор отделен от токопроводящего канала слоем диэлектрика. Если в качестве диэлектрика используется окисел кремния SiO ₂ , то такой транзистор называют МОП – транзистором (структура металл – окисел – полупроводник). Если изоляция между металлическим затвором и полупроводником осуществляется с помощью тонкой диэлектрической пленки, то такой прибор называют МДП-транзистором (металл – диэлектрик – полупроводник). Наличие диэлектрика обеспечивает высокое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов (10¹² – 10¹⁴ Ом). Различают МОП и МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналом проводимости (рис. 2.13, а и 2.13, б соответственно). ПТ данных типов имеют четвертый электрод, выводимый наружу, который носит название подложки (П).

 

ПТ со встроенным каналом работают в двух режимах: обеднения и обогащения. В режиме обеднения для ПТ со встроенным каналом n-типа на затвор необходимо подать напряжение U_ЗИ < 0. В этом случае поле затвора будет оказывать отталкивающее действие на электроны (носители заряда в канале), что приведет к уменьшению их концентрации в канале и снижению его проводимости, а, следовательно, и уменьшению тока стока. В режиме обогащения на затвор необходимо подать напряжение U_ЗИ > 0. В этом случае поле затвора притягивает электроны в канал из глубины р-слоя. Концентрация носителей заряда в канале увеличивается, проводимость канала возрастает и ток стока увеличивается.

В полевых транзисторах с индуцированным каналом (рис. 2.13, б – канал n-типа) канал проводимости специально не создается. Он образуется (индуцируется) вследствие притока электронов из р-слоя при приложении к затвору напряжения положительной полярности. В приповерхностной области при этом происходит изменение электропроводности полупроводника, т.е. индуцируется токопроводящий канал n-типа, который соединяет области истока и стока. Проводимость канала тем больше, чем больше приложенное к затвору положительное напряжение.

Примерный вид стоко–затворной характеристики и стоковых (выходных) характеристик ПТ с индуцированным каналом n-типа в схеме с общим истоком приведены на рис. 2.14.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

- внутреннее сопротивление при ; оно характеризует наклон выходной характеристики на участке насыщения;

 

- крутизна стоко–затворной характеристики при ; отражает влияние напряжения затвора на выходной ток транзистора. Крутизну S находят по стоко–затворной характеристике транзистора.

При включении в цепь стока резистора R _C транзистор переходит в динамический режим работы (рис. 2.15).

 

 

 

Для транзистора, с включенным в цепь стока сопротивлением нагрузки R_С, справедливо соотношение:

, (2.5)

где -напряжение источника питания. Таким образом, напряжение на выходе транзистора является функцией тока стока. Приведенному выше уравнению в системе координат выходных характеристик соответствует прямая линия NМ (рис. 2.15, б), называемая нагрузочной прямой на постоянном токе. Она может быть построена по двум точкам, если в уравнении (2.5) последовательно положить = 0 и = 0 и найти координаты точек N и M. Смысл нагрузочной прямой заключается в следующем. Каждому значению тока стока соответствует конкретное значение напряжения и конкретное падение напряжения на нагрузке . Точка на нагрузочной прямой, соответствующая данному току, называется рабочей точкой.

При линейном усилении (усилении без искажения формы сигнала) рабочая точка под действием управляющего напряжения затвора будет перемещаться по нагрузочной прямой в пределах зоны статических характеристик, обеспечивая тем самым изменение выходного напряжения .