Лекция 3 Диод.Биполярный транзистор

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В современной электронной технике широко применяются полупроводниковые приборы, в которых используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении в материал IV группы периодической системы (в основном, германия и кремния) примеси из элементов III или V группы. В зависимости от вида примеси, получающиеся полупроводниковые материалы обладают либо электронной, либо дырочной проводимостью. В полупроводнике с электронной проводимостью (типа n) концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда, существенно превышает концентрацию неосновных носителей, дырок. В полупроводнике с дырочной проводимостью (типа p) основными носителями заряда являются дырки. Их концентрация существенно превышает концентрацию электронов, неосновных носителей зарядов.

1.1.Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой. Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1.1. Полупроводниковый диод: а- структурная схема,

б- схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р- слоем, катодный - с n- слоем, как показано на рис.1.1,а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1.1,б. Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 1.2,а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.1.2,а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис.1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а- при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б- при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис.1.2,а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 1.2,а).

На рис.1.2,б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого - бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис.1.2,а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис.1.2,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис.1.3,а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис.1.3,б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис.1.3,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз ) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис.1.3,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис.1.3,а является однополупериодной.

Рис.1.3. Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис.1.4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование

двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе

На рис.1.4,а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис.1.4,б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе

• максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.2,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.3. Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Вид этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рис.1.5. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n-p-n и p-n-p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя, что схематически представлено на рис.1.6 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.1.6. Распределение токов в транзисторе n-p-n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.6. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к нему должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока I (см. рис.1.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 - 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

Рис.1.7. Схемы включения биполярного транзистора

а - с общей базой, б - с общим эмиттером

На рис.1.6 и 1.7,а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I≈ I, эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.1.7,б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.1.7, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.