Реферат: Физические основы электроники

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются (рисунок 2.1):

- максимальный прямой ток Iпр max;

- падение напряжения на диоде при заданном значении прямого тока Iпр (Uпр » 0.3...0,7 В для германиевых диодов и Uпр » 0,8...1,2 В -для кремниевых);

- максимально допустимое постоянное обратное напряже­ние диода

Uобр max ;

- обратный ток Iобр при заданном обратном напряжении Uобр (значе­ние обратного тока германиевых диодов на два -три порядка боль­ше, чем у кремниевых);

- барьерная емкость диода при подаче на него обратного напря­жения некоторой величины;

- диапазон частот, в котором возможна работа диода без суще­ственного снижения выпрямленного тока;

- рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне -60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рисунок  2.1  К определению параметров выпрямительных диодов.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды ма­лой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0.3, от 0,3 до 10 и свыше 10 А соответственно.

Для работы на высоких напряжениях (до 1500 В) предназначе­ны выпрямительные столбы, представляющие собой последова­тельно соединенные  p-n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие Iпр max до 1 А и Uo6p max до 600 В.

При протекании больших прямых токов Iпр и определенном паде­нии напряжения на диоде Uпp B нем выделяется большая мощность. Для отвода данной мощности диод должен иметь большие размеры p-n перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода ис­пользуются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушное или даже водяное).

Среди выпрямительных диодов следует выделить особо диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродейст­вием и малым падением напряжения (Uпp < 0,6 В). К недостаткам ди­ода следует отнести малое пробивное напряжение и большие об­ратные токи.

2.3 Стабилитроны и стабисторы

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на об­ратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимо­стью тока от напряжения (рисунок 2.2), т.е. с большим значением крутиз­ны DI/DU (DI= Icт max - Iст min).  Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для соз­дания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации Uст равно напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n перехода при некотором заданном токе стабилиза­ции Iст (рисунок  ). Стабилизирующие свойства ха­рактеризуются дифференциальным со­противлением стабилитрона rд = DU/DI, которое должно быть возможно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации Ucт, минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min  Iст max.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: Ucт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,4 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

                Рисунок 2.2 К определению параметров стабилитронов.

2.4 Универсальные и импульсные диоды

Они применяются для преобразования высокочастотных и им­пульсных сигналов. В данных диодах необходимо обеспечить мини­мальные значения реактивных параметров, что достигается благо­даря специальным конструктивно-технологическим мерам.

Одна из основных причин инерционности полупроводниковых диодов связана с диффузионной емкостью. Для уменьшения времени жизни t используется легирование материала (например, золотом), что создает много ловушечных уровней в за­прещенной зоне, увеличивающих скорость рекомбинации и следовательно уменьшается Сдиф.

Разновидностью универсальных диодов является диод с корот­кой базой. В таком диоде протяженность базы меньше диффузион­ной длины неосновных носителей. Следовательно, диффузионная емкость будет определяться не временем жизни неосновных носи­телей в базе, а фактическим меньшим временем нахождения (вре­менем пролета). Однако осуществить уменьшение толщины базы при большой площади p-n перехода технологически очень сложно. Поэтому изготовляемые диоды с короткой базой при малой площа­ди являются маломощными.

В настоящее время широко применяются диоды с p-i-n-структурой, в которой две сильнолегированные области p- и n-типа разде­лены достаточно широкой областью с проводимостью, близкой к собственной (i-область). Заряды донорных и акцепторных ионов расположены вблизи границ i-области. Распределение электричес­кого поля в ней в идеальном случае можно считать однородным (в отличие от обычного p-n перехода). Таким образом, i-область с низ­кой концентрацией носителей заряда, но обладающей диэлектриче­ской проницаемостью можно принять за конденсатор, «обкладками» которого являются узкие (из-за большой концентрации носителей в p- и n-областях) слои зарядов доноров и акцепторов. Барьерная ем­кость p-i-n диода определяется размерами i-слоя и при достаточно широкой области от приложенного постоянного напряжения прак­тически не зависит.

Особенность работы p-i-n диода состоит в том, что при прямом напряжении одновременно происходит инжекция дырок из p-области и электронов из n-области в i-область. При этом его прямое со­противление резко падает. При обратном напряжении происходит экстракция носителей из i-области в соседние области. Уменьшение концентрации приводит к дополнительному возрастанию сопротив­ления i области по сравнению с равновесным состоянием. Поэтому для  p-i-n диода характерно очень большое отношение прямого и об­ратного сопротивлений, что при использовании их в переклю­чательных режимах.

В качестве высокочастотных универсальных использу­ются структуры с Шоттки и Мотта. В этих приборах про­цессы прямой проводимости определяются только основными носи­телями заряда. Таким образом, у рассматриваемых диодов отсутст­вует диффузионная емкость, связанная с накоплением и рассасы­ванием носителей заряда в базе, что и определяет их хорошие вы­сокочастотные свойства.

Отличие барьера Мотта от барьера Шоттки состоит в том, что тон­кий i-слой создан между металлом М и сильно легированным полу­проводником n+, так что получается структура М-i-n. В высокоомном   i-слое падает все приложенное к диоду напряжение, поэтому толщи­на обедненного слоя в n+-области очень мала и не зависит от напря­жения. И поэтому барьерная емкость практически не зависит от на­пряжения и сопротивления базы.

Наибольшую рабочую частоту имеют диоды с барьером Мотта и Шоттки, которые в отличие от p-n-перехода почти не накаплива­ют неосновных

носителей заряда в базе диода при прохождении прямого тока и поэтому имеют малое время восстановления tВОСТ (около 100 пс).

Разновидностью импульсных диодов являются диоды с накоп­лением заряда (ДНЗ) или диоды с резким восстановлением обрат­ного тока (сопротивления). Импульс обратного тока в этих диодах имеет почти прямоугольную форму (рисунок 4.2). При этом значение t1 может быть значительным, но t2 должно быть чрезвычайно малым для использования ДНЗ в быстродействующих импульсных устройствах.

Получение малой длительности t2 связано с созданием внутреннего поля в базе около обедненного слоя p-n-перехода путем неравномерного распре­деления примеси. Это поле является тормозящим для носителей, пришед­ших через обедненный слой при пря­мом напряжении, и поэтому препятст­вует уходу инжектированных носителей от границы обедненного слоя, заставляя     их компактнее концентрироваться зи  грани­цы. При подаче на диод обратного    напряжения (как и в обычном диоде)  происходит рассасывание накопленного в базе заряда, но при этом внутреннее электрическое поле уже будет способство­вать дрейфу неосновных носителей к обедненному слою перехо­да. В момент t1, когда концентрация избыточных носителей на границах перехода спадает до нуля, оставшийся избыточный за­ряд неосновных носителей в базе становится очень малым, а, следовательно, оказывается малым и время t2 спадания обратно­го тока до значения I0.

Рисунок 2.3 Временные диаграммы тока через импульсный диод.

2.5 Варикапы

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство p-n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рисунок 2.4).

Основные параметры варикапа: номинальная емкость СН при заданном номинальным напряжением UН (обычно 4 В ), максимальное обратное напря- жение Uобр max и добротность Q.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода  используется металл.

Рисунок 2.4 Зависимость емкости варикапа от напряжения.

Основное применение варикапов - электрическая перестройка частоты колебательных контуров. В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах ис­пользуется и диффузионная емкость.

3  БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1 Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.

3.1.1 Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими   p-n переходами, предназначенный для усиления электрических колеба­ний по току, напряжению или мощности. Слово “биполярный” оз­начает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодей­ствие переходов обеспечивается тем, что они располагаются дос­таточно близко - на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n-перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка че­редования различают БТ типа

n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p), условные изображения которых по­казаны на рисунке  3.1.

Структура реального транзистора типа n-p-n изображена на рисунке 3.2. В этой структуре существуют два перехода с неодинаковой площадью: площадь левого перехода n1+-p меньше, чем у перехода n2-p. Кроме того, у большинства БТ одна из крайних областей (n1 с меньшей площадью) сечения легирована гораздо сильнее, чем другая крайняя область (n2).

                          Рисунок 3.2 Структура реального БТ типа n-p-n.

Сильнолегированная  об­ласть обозначена верхним индексом “+” (n+). Поэтому БТ является асимметрич­ным прибором. Асимметрия отражается и в названиях крайних об­ластей: сильнолегированная область с меньшей площадью (n1+) называется эмиттером, а область n2 - коллектором. Соответст­венно область (p) называется базовой (или базой). Правая область n+ служит для переход n1+-р называют эмиттерным, а n2-p коллектор­ным. Средняя  снижения сопротивления коллектора. Конта­кты с областями БТ обозначены на рисунках 3.1 и 3.2 буквами: Э - эмиттер; Б - база; К- коллектор.

Основные свойства БТ определяются процессами в базовой об­ласти, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллек­торного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (обычно меньше 1 мкм). Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсут­ствует электрическое поле и носители совершают в базе только диффузионное движение. В случае неравномерного распределения примеси (неоднородная база) в базе существует “внутреннее” электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузи­ей, так и дрейфом. БТ с однородной базой называют бездрейфовы­ми, а с неоднородной базой - дрейфовыми.

Биполярный транзистор, являющийся трехполюсным прибором, можно использовать в трех схемах включения: с общей базой (ОБ) (рисунок 3.3,а), общим эмиттером (ОЭ) (рисунок 3.3,б), и общим коллектором (ОК) (рисунок 3.3,в). Стрелки на ус­ловных изображениях БТ указывают (как и на рисунке 3.1) направление прямого тока эмиттерного перехода. В обозначениях напряжений вторая буква индекса обозначает общий электрод для двух источни­ков питания.

 В общем случае возможно четыре варианта полярностей напря­жения переходов, определяющих четыре режима работы транзисто­ра. Они получили названия: нормальный активный режим, инверс­ный активный режим, режим насыщения (или режим двухсторонней инжекции) и режим отсечки.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение (напряжение эмиттер - база UЭБ), а на коллекторном переходе - обратное (напряжение коллектор - ба­за UКБ). Этому режиму соответствуют полярности источников пита­ния на рисунке 3.4 и направления токов для p-n-p транзистора. В случае n-p-n транзистора полярности напряжения и направления токов из­меняются на противоположные.

Рисунок 3.4 Физические процессы в БТ.

Этот режим работы (НАР) является основным и определяет на­значение и название элементов транзистора. Эмиттерный переход осуществляет инжекцию носителей в узкую базовую область, кото­рая обеспечивает практически без потерь перемещение инжектиро­ванных носителей до коллекторного перехода. Коллекторный пере­ход не создает потенциального барьера для подошедших носите­лей, ставших неосновными носителями заряда в базовой области, а, наоборот, ускоряет их и поэтому переводит эти носители в коллекторную область. “Собира­тельная” способность этого перехода и обусловила название “кол­лектор”. Коллектор и эмиттер могут поменяться ролями, если на коллекторный переход подать прямое напряжение UКБ, а на эмиттерный -обратное UЭБ. Такой режим работы называется инверсным активным режимом (ИАР). В этом случае транзистор “работает” в обратном направлении: из коллектора идет инжекция дырок, кото­рые проходят через базу и собираются эмиттерным переходом, но при этом его параметры отличаются от первоначальных.

Режим работы, когда напряжения на эмиттерном и коллектор­ном переходах являются прямыми одновременно, называют режи­мом двухсторонней инжекции (РДИ) или менее удачно режимом насыщения (РН). В этом случае и эмит­тер, и коллектор инжектируют носители заряда в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из переходов собирает носители, приходящие к нему от другого перехода.

Наконец, режим, когда на обоих переходах одновременно действуют обратные напряжения, называют ре­жимом отсечки (РО), так как в этом случае через переходы протекают ма­лые обратные токи.

Следует подчеркнуть, что классификация режимов производится по комбинации напряжений переходов, В схеме включения с общей базой (ОБ) они равны напряжениям источни­ков питания UЭБ и UКБ.  В схеме включения с общим эмиттером (ОЭ) напряжение на эмиттерном переходе определяется напря­жением первого источника (UЭБ = -UБЭ), а напряжение коллектор­ного перехода зависит от напряжений обоих источников и по обще­му правилу определения разности потенциалов UКБ = UКЭ + UЭБ. Так как UЭБ = -UБЭ, тo UКБ = UКЭ - UБЭ; при этом напряжение источ­ников питания надо брать со своим знаком: положительным, если к электроду присоединен положительный полюс источника, и от­рицательным - в другом случае. В схеме включения с общим кол­лектором (ОК) напряжение на коллекторном переходе определя­ется одним источником: UКБ = -UБК. Напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников: UЭБ = UЭК + UКБ = UЭК - UБК, при этом правило знаков прежнее.

3.1.2 Физические процессы в бездрейфовом биполярном

транзисторе при работе в активном режиме.

Основные физические процессы в идеализированном БТ удобно рассматривать на примере схемы с общей базой (рисунок 3.4), так как напряжения на переходах совпадают с напряжениями источников питания. Выбор p-n-p транзистора связан с тем, что направление движения инжектируемых из эмиттера носителей (дырок) совпадает с направлением тока.

В нормальном активном режиме (НАР) на эмиттерном переходе действует прямое напряжение UЭБ. Поэтому прямой ток перехода

 ,       (3.1)

где Iэ р, Iэ n - инжекционные токи дырок (из эмиттера в базу) и электронов (из базы в эмиттер), а Iэ рек - составляющая тока, вы­званная рекомбинацией в переходе тех дырок и электронов, энергия которых недостаточна для преодоления потенциального барьера. Относительный вклад этой составляющей в ток перехода Iэ в (3.1) тем заметнее, чем меньше инжекционные составляющие Iэр и Iэn, определяющие прямой ток в случае идеа­лизированного р-n перехода. Если вклад Iэ рек незначителен, то вместо (3.1) можно записать

.                (3.2)

Полезным в сумме токов выражения (3.1) является только ток Iэ р, так как он будет участвовать в создании тока коллекторного перехода. “Вредные” составляющие тока эмиттера Iэ n и Iэ рек протекают через вывод базы и являются составляющими тока ба­зы, а не коллектора. Поэтому вредные компоненты Iэ n, Iэ рек долж­ны быть уменьшены.

Эффективность работы эмиттерного перехода учитывается ко­эффициентом инжекции эмиттера

,        (3.3)

который показывает, какую долю в полном токе эмиттера составля­ет полезный компонент. В случае пренебрежения током Iэ рек

.         (3.4)

Коэффициент инжекции gЭ "тем выше (ближе к единице), чем меньше отношение Iэ n/ Iэ р. Величина Iэ n/ Iэ р << 1, если концентрация акцепторов в эмиттерной области p-n-p транзистора NАЭ на несколь­ко порядков выше концентрации доноров NДБ в базе (NАЭ >> NДБ). Это условие обычно и выполняется в транзисторах.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7