- •2.4.1. Классификация диодов.
- •Полевые транзисторы.
- •Тиристор. Типы, назначение, хар-ки.
- •Интегральные микросхемы. Виды, технологии.
- •Компенсационные стабилизаторы
- •Стабилизаторы тока
- •Импульсные стабилизаторы напряжения
- •Демультиплексоры
- •Дешифраторы
- •Триггеры
- •Регистры
- •Оперативные и постоянные запоминающие устройства
ЭДП при отсутствии напряжения
В результате того, что носители заряда в каждом ПП совершают беспорядочно тепловое движение, то происходит их диффузия из одного ПП в другой. Как и при любой другой диффузии, например, в газах или жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их кон- центрация больше, туда, где их концентрация меньше. Т.о. из n-типа в ПП р-типа диффун- дируют электроны, а в обратном направлении из ПП р-типа в n-типа диффундируют дырки. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух ПП с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n воз- никает объемный положительный заряд. Он образован главным образом положительно за- ряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени – пришедшими в эту об- ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, об- разованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и, отчасти, при- шедшими сюда электронами.
Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная раз- ность потенциалов Uk = Un – Up, а следовательно, и электрическое поле с напряженностью Ек, т.е. в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно со- ставляет десятые доли вольта. Причем, чем больше концентрация примесей, тем выше кон- центрация основных носителей и тем больше их число диффундирует через границу. Плот- ность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов Uк, т.е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода d (рис.1) уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.
Рис.1 – Структурная схема и потенциальная диаграм-
ма n-р перехода
Одновременно с диффузионным перемещением ос-
новных носителей через границу происходит и обрат-
ное перемещение носителей под действием электриче-
ского поля контактной разности потенциалов. Это по-
ле перемещает дырки из n-области обратно в р-
область и электроны из р-области обратно в n-область
(дрейф). При постоянной температуре р-n-переход на-
ходится в состоянии динамического равновесия. Каж-
дую секунду через границу в противоположных на-
правлениях диффундирует определенное число элек-
тронов и дырок, а под действием поля столько же их
дрейфует в обратном направлении. Перемещение но-
сителей за счет диффузии – это диффузионный ток (Iдиф), а движение носителей под дейст-
вием поля – ток дрейфа (Iдр). В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии
перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через
переход равен 0.
В р-n-переходе концентрация электронов и дырок плавно меняется от минимального значе-
ния к максимальному. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой
концентрацией носителей (обедненный носителями слой). Соответственно и удельная элек-
трическая проводимость р-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях
областей n и р. Таким образом, в р-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и
обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объек-
тов n- и р- ПП.
1
ЭДП при прямом напряжении
Область на границе двух ПП с различными типами электропроводности называется элек- тронно-дырочным или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несиммет- ричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства ППП основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.
Напряжение на ЭДП, у которого полярность совпадает с полярностью основных носите- лей, называется прямым.
Рис.2.2. ЭДП при прямом переходе.
Электрическое поле создаваемое прямым напря-
жением действует навстречу полю контактной
разности потенциалов. Результирующее поле ста-
новиться слабее, и разность потенциалов в пере-
ходе уменьшается, т.е. высота потенциального
барьера понижается, возрастает диффузионный
ток, так как большее число носителей может пре-
одолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при
этом почти не изменяется, т.к. он зависит главным
образом от числа не основных носителей, попа-
дающих за счет своих тепловых скоростей на p-
n—переход из n- и р- областей. Напряжение на
переходе можно считать равным Uк - Uпр.
При прямом напряжении iдиф>iдр и поэтому полный ток через переход, т.е. прямой ток,
уже не равен 0: iпр=iдиф-iдр>0
Если барьер значительно понижен, то тогда iдиф>>iдр и можно считать, что iпр=iдиф, т.е.
прямой ток в переходе является чисто диффузионным.
Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения по-
тенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется ин-
жекцией носителей заряда. Область ППП, из которой инжектируются носители, называется
эмиттером. А область, в которой инжектируются не основные для этой области носители
заряда, называется базой. Т.о. если рассматривать инжекцию электронов, то n-область явля-
ется эмиттером, а р-область - базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-
область, а базой - n-область.
Обычно концентрация примесей, а, следовательно, и основных носителей в n- и р- облас-
тях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентра-
цией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называются
―эмиттер‖ и ―база‖. Например, если nn>pp, то инжекция электронов из n-области в р-
область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном слу-
чае эмиттером считают n-область, а базой р-область, т.е. инжекцией дырок можно пренеб-
речь.
При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также умень-
шается толщина запирающего слоя (dпр<d) и его сопротивление в прямом направлении ста-
новиться малым (единицы- десятки Ом).
Поскольку высота потенциального барьера Uк при отсутствии внешнего напряжения со-
ставляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и
уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к p-n переходу такое
же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно полу-
чить при очень небольшом прямом напряжении.
2
ЭДП при обратном напряжении
Рис.2.3. ЭДП при обратном напряжении.
Область на границе двух ПП с различными типами
электропроводности называется электронно-дырочным
или p-n переходом. Электронно-дырочный переход об-
ладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет не-
линейное сопротивление. Работа большинства ППП
основана на использовании свойств одного или не-
скольких p-n переходов.
Под действием обратного напряжения Uобр через пе-
реход протекает очень небольшой обратный ток iобр,
что объясняется следующим образом. Поле, создавае-
мое обратным напряжением, складывается с полем
контактной разности потенциалов. Результирующее
поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна Uк+Uобр. Уже при не-
большом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через пере-
ход прекращается, т.е. iдиф=0, т.к. собственные скорости носителей недостаточны для пре-
одоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он опреде-
ляется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n переход из n- и
р- областей. Выведение неосновных носителей через p-n переход ускоряющим электриче-
ским полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей заряда.
Т.о. обратный ток iобр представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением не-
основных носителей. Обратный ток получается не очень большим, т.к. неосновных носите-
лей очень мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении
очень велико. Т.к. при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становить-
ся сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из по-
граничных слоев в глубь n- и p- областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения
увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя
(dобр>d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно
возрастает, т.е. Rобр>>Rпр. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обрат-
ный ток становиться практически постоянным.
3
П/п диоды. Типы, назначение, характеристики
Полупроводниковый диод, по существу, представляет собой электронно-дырочный пере- ход. ВАХ диода достаточно точно соответствует выражению:
I = I ( е
0
qU
kT -1),
где I0 - ток насыщения, q = 1,6·10-19 Кл - заряд электрона, Т - абсолютная температура, U - внешне приложенное напряжение, к = 1,38·10-23 Дж/К – постоянная Больцмана
Рис.4.1. Вольтамперная характеристика диода.
При комнатной температуре величина Uт=кТ/q=25 мВ (представляет собой термодинамический потен- циал и зависит только от температуры), следователь- но, при отрицательном (т.е. обратном) приложенном напряжении от десятых долей вольта и выше слагае- мым е(-U / 0.025) можно пренебречь по сравнению с единицей и ток оказывается равным I = I0 не завися- щим от напряжения. При положительном (т.е. пря-
мом) приложенном напряжении в десятые доли вольта и выше можно пренебречь единицей по сравнению со слагаемым e( U / 0.025) и, следовательно, ВАХ оказывается близкой к экспо- ненте.
ВАХ реального диода совпадает с кривой, соответствующей выражению до значений об- ратного напряжения, близких к Uобр.max. При дальнейшем увеличении Uобр наступает пробой диода, при котором обратный ток резко возрастает.
Различают два вида пробоя:
а) электрический (обратимый); б) тепловой (не обратимый), выводящий ППП из строя.
Электрический пробой может быть двух видов: лавинный и туннельный.
Лавинный пробой объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной иони-
зации и за счет вырывания электронов из атомов сильным электрическим полем. Этот про-
бой характерен для р-n переходов большой толщины, получающихся при сравнительно ма-
лой концентрации примесей в полупроводниках. (Uобр=(10…100) В).
Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта. Сущность последнего
состоит в том, что при поле напряженностью 105 В/см, действующем в p-n переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой кон- центрации примесей (Uпр=1В).
При обратном напряжении p-n переход уподобляется конденсатору, пластинами которого
являются p- и n- области, разделенные диэлектриком (переходом, почти свободным от но-
сителей заряда). Эту емкость называют барьерной, ее значение зависит от площади p-n пе-
рехода и может составлять от единиц до сотен пФ.
При прямом напряжении емкость p-n перехода определяется так называемой диффузион-
ной емкостью, обусловленной неосновными носителями, которые диффундируют через по-
ниженный потенциальный барьер и накапливаются, не успевая рекомбинировать. Диффу-
зионная емкость значительно больше барьерной, но использовать ее не удается, т.к. она за-
шунтирована малым прямым сопротивлением диода.
4
2.4.1. Классификация диодов.
По конструктивно- технологическим признакам диоды подразделяют: а) точечные и плоскостные; б) сплавные и диффузионные.
По функциональному назначению и принципу образования p-n перехода:
а) выпрямительные; б) стабилитроны; в) варикапы; г) туннельные; д) импульсные;
е) диоды Шотки; ж) фотодиоды; з) светодиоды, и т.д.
По мощности:
а) диоды малой мощности (прямой дополнительный ток до 0.3 А); б) средней мощно-
сти (от 0.3 А до 10 А); в) большой мощности (свыше 10 А).
В ыпр ям и те л ь н ые ди оды.
Диоды, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный, называются выпрямительными. Для выпрямления низкочастотных сигналов при-
меняются плоскостные низкочастотные выпрямительные диоды.
Им пул ьс ные д и оды.
Диоды работают в импульсном режиме при длительности импульсов, равной единицам или долям микросекунды.
Ди од ы Ш от к и.
Принцип действия основан на использовании выпрямительного перехода между металлом и полупроводником. Так как в металлической базе диода не происхо- дит накопления и рассасывания неосновных носителей, то диоды Шотки обла-
дают большим быстродействием и могут работать на частотах до 20ГГц.
Стаб ил и тр оны.
Стабилитроны - полупроводниковые приборы, имеющие на своей ВАХ при обратном включении в области электрического пробоя участок, на котором на- пряжение слабо зависит от изменения тока. Может быть использован для стаби- лизации напряжения. Характеристика для прямого тока стабили-
трона такая же, как у обычных диодов.
Рис.4.5. Вольтамперная характеристика стабилитрона.
Стаб ис т оры.
ПП диоды, предназначенные для работы в стабилизаторах напряжения, причем в отличие от стабилитронов у стабилизаторов используется не обратное, а прямое напряжение, значение которо- го в среднем не более 0.7 В. Особенность стабисторов - отрица- тельный ТКН. Поэтому их применяют также в качестве термоком- пенсирующих элементов, соединяя их последовательно с обычны-
ми стабилитронами, имеющими положительный ТКН.
В ари кап ы.
Варикапы представляют собой конденсаторы переменной емкости, управляе- мые изменением обратного напряжения. (Используется барьерная емкость p-n
перехода.) Применяются главным образом для настройки колебательных контуров.
Т унне л ьн ые ди од ы.
Вследствие возникновения контактной разности потенциалов в p-n переходе границы всех энергетических зон в одной из областей сдвинуты относительно со- ответствующих зон другой области на высоту потенциального барьера (в ЭВ). В обычных ПП диодах высота потенциального барьера равна примерно половине ширины запрещенной
5
зоны, а в туннельных диодах она несколько больше этой ширины, т.к. они обычно изготав- ливаются из полупроводников с очень высокой концентрацией примесей.
Основные параметры туннельных диодов:ток максимума Imax; ток минимума Imin (или со- отношение Imax/Imin);напряжение максимума
U1; напряжение минимума U2; наибольшее напряжение U3, соответствующее току Imax на втором восходящем участке ВАХ (участок БВ). Разность U = U3 – U1 называется на- пряжением переключения или напряжением скачка. Токи в современных диодах состав- ляют единицы миллиампер. Напряжения – де- сятые доли вольта. На рисунке изображена ВАХ туннельного диода.
Обра ще нн ые д и од ы.
Принцип действия тоже основан на туннельном эффекте, причем высота потен- циального барьера при отсутствии внешнего напряжения равна ширине запрещен-
ной зоны, в результате чего при прямом напряжении обращенный диод работает как обыч- ный выпрямительный диод, а при обратном - как туннельный. Поэтому обращенный диод при обратном включении обладает лучшей проводимостью, чем при прямом. Обращенные диоды могут работать в качестве детекторов на более высоких частотах, чем обычные дио- ды.
6
Биполярные транзисторы. Типы, назначение, хар-ки.
Представляют собой ППП, пригодные для усиления мощности, имеющие 3 или более вы- водов. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-n переходами, называемые бипо- лярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. По сво- им структурным признакам биполярные транзисторы делятся на два основных типа: n-p-n и p-n-p .
Рис.5.1. Структура и УГО биполяр- ных транзисторов.
Средняя область транзистора называ- ется базой, одна крайняя область - эмиттером, другая - коллектором. Та-
ким образом, в транзисторе имеются 2 p-n перехода: эмиттерный (между эмиттером и ба- зой) и коллекторный (между базой и коллектором). Транзистор может работать в трех ре- жимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эммитерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих пе- реходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения.
Транзисторы классифицируются:
)По мощности: на малой мощности (Р до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт),
и большой мощности (свыше 1,5Вт).
)По предельной рабочей частоте: низкой частоты (менее 3МГц), средней частоты (3 -
30МГц), высокой частоты (свыше 30МГц).
Характеристики и параметры биполярных транзисторов.
Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются статическими характеристиками транзисторов, снятыми при постоянном токе и отсутствии нагрузки в вы- ходной цепи. В транзисторах всегда взаимно связаны четыре величины: i1, i2, u1, u2- входные и выходные токи и напряжения. Одним семейством характеристик эту зависимость пока- зать нельзя. Необходимо, как минимум, два. Наиболее удобно рассматривать семейство входных характеристик i1=f(u1) вместе с семейством выходных характеристик i2=f(u2).
Для каждой из трех схем включения транзистора существует свое семейство характери- стик.Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому, они аналогичны характеристике для прямого тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике для обратного тока диода, т.к. оно ото- бражают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.
Входные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой
семейство кривых iб=f(uбэ) при постоянных выходных напряжениях (uкэ=const). Характери-
стика при uкэ=0 идет из начала координат, так как,
если все напряжения равны нулю, нет никакого тока.
При uкэ>0 характеристика сдвигается вправо, ток ба-
зы уменьшается и при малых uбэ становится отрица-
тельным.
Рис.5.7. Входные характеристики БТ, включенного
по схеме ОЭ.
Изменение uкэ мало влияет на ток базы. Входные ха- рактеристики при разных значениях uкэ расположены
7
очень близко друг к другу. В справочниках поэтому, обычно, приводится лишь одна вход- ная характеристика для рекомендованного значения uкэ.
Семейство выходных характеристик представляет зависимость iк=f(uк) при постоянных токах базы.
Рис.5.8. Выходные характеристики БТ, включенного по схеме ОЭ.
Первая характеристика iб=0 напоминает обычную ха- рактеристику для обратного тока ПП диода. Условие iб=0 соответствует разомкнутой цепи базы. При этом через весь транзистор от эмиттера к коллектору прохо- дит сквозной ток iкэ0.
Если iб>0, то выходная характеристика расположена
выше, и тем выше, чем больше ток базы. Увеличение
тока базы означает, что за счет повышения напряжения uбэ соответственно увеличился ток
эмиттера, частью которого является ток базы. Следовательно, пропорционально возрастает
и ток коллектора.
8