- •1. Предмет электроники, ее роль в науке и технике
- •2. Полупроводниковые приборы
- •2.1. Электрические свойства полупроводниковых материалов
- •2.2. Механизм электропроводности полупроводников
- •2.2.1. Собственная электропроводность
- •2.2.2. Примесная проводимость
- •2.3. Электронно-дырочный переход (эдп)
- •2.3.1. Технологии изготовления эдп
- •2.3.1.1. Сплавная технология
- •2.3.1.2. Диффузионная технология
- •2.3.2. Эдп при отсутствии внешнего напряжения
- •2.3.3. Эдп при прямом напряжении
- •2.3.4. Эдп при обратном напряжении
- •2.3.4.1. Механизм установления обратного тока при приложении
- •3. Полупроводниковые диоды
- •3.1. Вольт-амперная характеристика (вах) диода
- •3.2. Параметры полупроводниковых диодов
- •4. Виды пробоев эдп
- •4.1. Зеннеровский пробой
- •4.2. Лавинный пробой
- •4.3. Тепловой пробой
- •4.4. Поверхностный пробой
- •5. Основные типы полупроводниковых диодов
- •5.1. Устройство точечных диодов
- •5.2. Устройство плоскостных диодов
- •5.3. Условное обозначение силовых диодов
- •5.4. Условное обозначение маломощных диодов
- •5.5. Конструкция штыревых силовых диодов
- •5.6. Лавинные диоды
- •5.7. Конструкция таблеточных диодов
- •5.8. Стабилитрон
- •5.9. Туннельный диод
- •5.10. Обращенный диод
- •5.11. Варикап
- •5.12. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды
- •6. Транзисторы
- •6.1. Распределение токов в структуре транзистора
- •6.2. Схемы включения транзисторов. Статические вах
- •6.3. Схема включения транзистора с общей базой
- •6.4. Схема включения транзистора с общим эмиттером
- •6.5. Схема включения транзистора с общим коллектором
- •6.6. Схемы включения транзистора как усилителя
- •6.7. Краткие характеристики схем включения транзистора. Области применения схем
- •6.7.1. Схема включения транзистора с общей базой
- •6.7.2. Схема включения транзистора с общим эмиттером
- •6.7.3. Схема включения транзистора с общим коллектором
- •6.8. Режимы работы транзистора
- •6.9. Работа транзистора в ключевом режиме
- •6.10. Малосигнальные и собственные параметры транзисторов
- •6.11. Силовые транзисторные модули
- •6.12. Параметры биполярных транзисторов
- •6.13. Классификация и системы обозначений (маркировка) транзисторов
- •6.14. Полевые транзисторы
- •6.14.1. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом
- •6.14.2. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора
- •6.14.3. Основные параметры полевого транзистора
- •6.14.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором
- •6.14.4.1. Мдп-транзисторы со встроенным каналом
- •6.14.4.2. Мдп-транзистор с индуцированным каналом
- •6.14.5. Достоинства и недостатки полевых транзисторов
- •6.15. Технологии изготовления транзисторов
- •6.16. Биполярные транзисторы с изолированным затвором (igbt - транзисторы)
- •6.17. Силовые модули на основе igbt-транзисторов
- •7. Тиристоры
- •7.1 Назначение и классификация
- •7.2. Диодные и триодные тиристоры
- •7.3. Переходные процессы при включении и выключении тиристора
- •7.3.1. Переходные процессы при включении тиристора
- •7.3.2. Переходные процессы при выключении тиристора
- •7.4. Основные параметры тиристоров
- •7.5. Маркировка силовых тиристоров
- •7.6. Лавинные тиристоры
- •7.7. Симметричные тиристоры (симисторы)
- •7.8. Полностью управляемые тиристоры
- •7.9. Специальные типы тиристоров
- •7.9.1. Оптотиристоры
- •7.9.2. Тиристоры с улучшенными динамическими свойствами
- •7.9.2.1. Тиристоры тд (динамические)
- •7.9.2.2. Тиристоры тб (быстродействующие)
- •7.9.2.3. Тиристоры тч (частотные)
- •7.9.3. Тиристор, проводящий в обратном направлении (асимметричный)
- •7.9.4. Тиристор с обратной проводимостью (тиристор-диод)
- •7.9.5. Комбинированно-выключаемый тиристор (квк)
- •7.9.6. Полевой тиристор
- •7.10. Конструкции тиристоров
- •8. Групповое соединение полупроводниковых приборов
- •8.1. Неравномерности распределения нагрузки при групповом соединении
- •8.2. Параллельное соединение полупроводниковых приборов
- •8.3. Последовательное соединение полупроводниковых приборов
- •8.4. Параллельно-последовательное соединение полупроводниковых приборов
- •9. Охлаждение силовых полупроводниковых приборов
- •9.1. Способы охлаждения полупроводниковых приборов
- •9.2. Воздушное естественное и принудительное охлаждение
- •9.3. Испарительное охлаждение с промежуточным теплоносителем
- •9.4. Сравнение систем охлаждения
6.14.4.2. Мдп-транзистор с индуцированным каналом
Схема включения МДП-транзистора с индуцированным каналом приведена на рис. 6.37.
Рис. 6.37. Структурная схема МДП-транзистора с индуцированным каналом
Канал проводимости тока в этом типе транзистора не создается, а индуцируется благодаря притоку электронов из p-области при приложении к затвору напряжения положительной полярности. Транзистор с индуцированным каналом работает только в режиме обогащения.
ВАХ транзистора с индуцированным каналом приведены на рис. 6.38.
а б
Рис 6.38. Вольт-амперные характеристики транзистора с индуцированным
каналом: а – стоковая Ic = f(Uси) при Uзи = const (выходная);
б – стоко-затворная Ic = f(Uзи) при Uси = const (передаточная)
6.14.5. Достоинства и недостатки полевых транзисторов
Достоинствами полевых транзисторов являются:
1) высокое входное сопротивление, что соответствует повышенному коэффициенту усиления по мощности управления;
2) обусловленность рабочего тока только основными носителями заряда и, как следствие, высокое быстродействие. Время переключения современных МОП-транзисторов составляет единицы наносекунд (10-9с). Такая скорость переключения обусловлена тем, что в них практически исключены токи накопленных зарядов неосновных носителей;
3) почти полное разделение выходного сигнала от входного;
4) малый уровень шумов;
5) возможность работы на высокой частоте (до 100 кГц).
К недостаткам полевых транзисторов можно отнести:
1) низкие значения коммутируемого тока (десятки ампер) и напряжения (до 500-600 В);
2) высокие значения прямых потерь вследствие большого сопротивления во включенном состоянии (0,2-0,5 Ом).
Полевые транзисторы имеют такую же маркировку как и биполярные, но с заменой второй буквы на букву П. Например, КП-302 А, КП-904 Б.
6.15. Технологии изготовления транзисторов
Имеются различные технологические способы изготовления полупроводниковых транзисторных структур: сплавления, диффузии, эпитаксиально-диффузионный, планарно-эпитаксиальный, ионной имплантации и др.
При сплавлении на поверхность кремния помещается, например, алюминий и нагревается в атмосфере инертного газа. После охлаждения расплава образуется капля смеси Аl–Si, в которой формируется область, насыщенная акцептором. Эпитаксия представляет метод выращивания кристалла в результате химической реакции на поверхности исходного монокристалла кремния. Через нагретый до 1150 °С очищенный исходный кремний в кварцевом реакторе продувается поток водорода с примесью SiС14 или SiН4, и атомы кремния выпадают в осадок, наращивая кристаллическую решетку подложки. Добавляя в газовую смесь РН3 или В2Н6, можно получить донорную или акцепторную примеси. Получается тонкая пленка с точно дозируемой концентрацией примеси.
Метод ионной имплантации связан с воздействием на поверхность кремниевой пластины ионов примеси, разогнанных в вакууме до энергий в несколько килоэлектрон-вольт. Это наиболее контролируемый и точный способ внедрения примеси.
Для биполярных транзисторов используются диффузионно-сплавная с меза-структурой и планарная технологии (рис. 6.39).
Полупроводниковая структура (рис. 6.39, а), полученная диффузионно-сплавным способом, включает в себя низкоомный высоколегированный кремний (диффузия, эпитаксия), области р- и n-типов (диффузия) с вплавленным электродом базы и область р-типа (сплавление) на границе с металлом вывода эмиттера. Выемка меза-структуры выполнена для ограничения активной области структуры для снижения собственной емкости.
Планарная технология (от английского слова planar – плоский) – высокопроизводительный метод группового изготовления полупроводниковых приборов и интегральных микросхем с предварительным нанесением "маски" на кремний. Технология включает в себя следующие основные операции: нанесение тонкой диэлектрической пленки на поверхность кремния, удаление способом фотолитографии или электронно-фотолитографическим способом определенного участка этой пленки, введение в кристалл через образовавшиеся "окна" донорных или акцепторных примесей, металлизация области вывода электродов. Пленка наносится на исходную кремниевую подложку, чтобы предотвратить проникновение примеси в определенные области структуры. Наиболее удобна "маска" из слоя SiO2. Для этого кремниевая пластина помещается в печь и нагревается в атмосфере влажного кислорода. Образуется пленка SiO2 толщиной около 1 мкм.
а б
Рис. 6.39. Диффузионно-сплавная (а) и планарная (6) полупроводниковые структуры биполярных транзисторов
Планарная полупроводниковая структура (рис. 6.39, 6) получена диффузией алюминия в исходный кремний n-типа. Эмиттерный переход и n+-слой сформированы диффузией фосфора в исходный кремний n-типа со стороны вывода коллектора и в диффузионный p-слой через центральное "окно" в пленке SiO2. Металлизация выполнена напылением алюминия. Подобная технология обеспечивает получение высокоомного коллектора, что по мере увеличения напряжения на коллекторе приводит к расширению объемного заряда в основном в сторону коллектора. Благодаря этому эффект модуляции базы выражен незначительно. Высокоомный слой в ключевом режиме транзистора вызывает значительное падение напряжения на коллекторе. Такая структура используется в высоковольтных транзисторах. В этом случае применяется кремниевая структура в форме диска (как в диодах), выполняется фаска. Для снижения толщины высокоомного слоя коллектора в низковольтных транзисторах применяется эпитаксиальное наращивание тонкого n-слоя на исходной пластине низкоомного n+-кремния.
Для уменьшения явления вытеснения эмиттерного тока в небольшой участок около базового вывода применяют специальную разветвенную сеть базовых и эмиттерных электродов мощных транзисторов. Применяется гребенчатая, эвольвентная и многоэмиттерная конструкция эмиттерных переходов.
Полупроводниковые структуры полевых транзисторов изготавливаются методом планарной технологии.
Полупроводниковая структура транзистора обычно помещается в герметический корпус из металла (рис. 6.40, а), пластмассы или керамики. Транзисторы малой мощности могут изготавливаться в бескорпусном исполнении (рис. 6.40, б).
В транзисторе с металлическим корпусом полупроводниковая структура 1 закрепляется на коваровом фланце 2, электроды эмиттера и базы (истока и затвора) 3 выводятся из корпуса через стеклянные изоляторы 4. Герметический корпус 5 приваривается к фланцу швом холодной сварки 6. Размеры транзистора такой конструкции могут иметь значения: Н = 2,5 + 12 мм и D1=13,7 + 30 мм. Мощные транзисторы на токи до сотен ампер имеют конструкцию, аналогичную силовым диодам, имеющую дополнительный третий вывод.
а б
Рис. 6.40. Конструкции транзисторов в металлическом корпусе (а)
и бескорпусные (б)
На рис. 6.40, б показан один из видов бескорпусного транзистора, используемого в гибридных микросхемах с гибкими выводами. К полупроводниковому кристаллу 1 методом термокомпрессии припаивают к контактным площадкам гибкие выводы 2 из золотой проволоки диаметром 30-50 мкм. Выводы дополнительно механически закрепляют с помощью защитного компаунда 3.
Кроме указанных основных конструктивных типов различают транзисторы других модификаций р–n–р- и n–р–n-типов, в стеклянно-металлическом, пластмассовом и металлокерамическом корпусах, с гибкими и жесткими выводами.