Ответы на билеты по фоэ

Составитель-Автор-Издатель: Анатолий

2018

1. Процессы в p – n переходе. Вольтамперная характеристика (ВАХ) перехода.

Процессы в p – n переходе.

Граница раздела двух областей с различной проводимостью называется p-n переходом. Из-за встречной диффузии (из n в p область) в таком слое в близи p-n перехода происходит рекомбинация (взаимная компенсация) дырок и электронов (дырки заполняются электронами).

Дырка – это место в кристаллической решетке полупроводника, где недостает электрона.

В проводнике n – типа ток переносят отрицательно-заряженные частицы электроны.

В проводнике p – типа ток переносят положительно-заряженные частицы дырки.

В результате между p и n областями образуется так называемый объединенный слой, который имеет очень мало свободных носителей заряда. Как только электроны покидают n – область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних положительных ионов, который будет тянуть свободный электрон обратно и препятствовать их движению в сторону p-n перехода. Точно также, когда дырки покидают p область, в ней начинает действовать суммарный заряд лишних отрицательных ионов который будет тянуть свободные дырки обратно и препятствовать их движению в сторону p-n перехода. Заряды неподвижных ионов примесей окажутся не скомпенсированными и создадут по обе стороны p-n перехода область объемного заряда. Этот объемный заряд образует потенциальный барьер. Энергия носителей зарядов окажется недостаточной , чтобы преодолеть этот барьер, поэтому их диффузия прекращается.

Вольтамперная характеристика перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

j_т - тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов на границе перехода.

I н – номинальный ток.

150 С – 170 С – макс допустимая температура применения .

При увеличении температуры напряжение уменьшается и растет ток утечки.

Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (U_{обр.проб}) приводит к пробою  электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда.

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем.

2. Устройство, принцип действия, статическая ВАХ диода. Характеризующие параметры.

Основой полупроводникового диода является двухслойная структура, созданная на основе кристалла полупроводника, имеющего две области. В одну область кристалла вводится донорная примесь (n- область), а в другую – акцепторная (p- область).

Если к полупроводниковому диоду приложить внешнее напряжение так, чтобы его положительный потенциал присоединен к p-слою, то дырки и электроны будут как бы отталкиваются источником внешнего напряжения в сторону р-n перехода. Потенциальный барьер уменьшается, переход основных носителей зарядов через границу (электронов из n-слоя и дырок из p-слоя) и их взаимная компенсация возрастают, следовательно, через диод будет протекать ток. Источник будет поставлять в n-слой новые электроны, а в p-слое создавать новые дырки.

При обратном знаке напряжения электроны притягиваются к положительному потенциалу источника, а дырки - к отрицательному, потенциальный барьер в области p-n перехода увеличивается, переход зарядов через границу почти прекращается, ток через диод очень мал. Этот ток обусловлен тепловым разрушением ковалентных связей в обоих слоях и образованием пар электрон-дырка. Неосновные носители (электроны в p-слое и дырки в n-слое) имеют такой знак заряда, который способствует их прохождению через переход.

При обратном включении диода через него протекает незначительный обратный ток.

Свойства диода определяются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Приближенно она может быть описана уравнением:

I=IO(e U/mjт –1), (1)

где IO – ток насыщения обратносмещенного перехода (обратный тепловой ток); U – напряжение на p-n переходе; jт = kT/q – тепловой потенциал, равный контактной разности потенциалов jк на границе p-n перехода при отсутсвии внешнего напряжения; k =1,38×10-23 Дж/К– постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; q =1,6×10-19кулон – заряд электрона; m - поправочный коэффициент, учитывающий отклонение от теории.

На ВАХ различают две ветви: прямая ветвь, которая находится в первом квадрате и обратная ветвь в третьем квадрате. Уравнение (1) хорошо описывает характеристику реального диода в прямом направлении и для небольших токов, В соответствии с (1) сопротивление диода является нелинейным. В случае линейного сопротивления ВАХ была бы прямая линия.

На прямой ветви реальной ВАХ имеется резкий загиб, который характеризуется напряжением включения. Для германиевых диодов напряжение включения равно примерно 0,3В, для кремниевых – примерно 0,6В.

Значение обратного тока на обратной ветви примерно постоянно в широком диапазоне напряжения. При превышении определенного значения обратного напряжения, называемого напряжением пробоя Uпроб, начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока, соответствующий электрическому пробою p-n перехода. Если в этот момент ток не ограничить, то электрический пробой перейдет в тепловой. Тепловой пробой обусловлен ростом числа носителей в p-n переходе. При этом мощность, выделяющаяся в диоде Uобр х Iобр, не успевает отводиться от перехода, его температура растет, растет обратный ток и, следовательно, продолжает расти мощность. Тепловой пробой необратим, т.к. разрушает p-n переход.

У любого диода оговаривается несколько основных параметров:

* номинальный прямой ток;

* максимальное обратное напряжение;

* прямое падение напряжения;

* постоянный обратный ток;

* максимальный прямой ток

По назначению различают следующие типы диодов:

1. Выпрямительные.

2. Импульсные.

3. Высокочастотные.

4. Стабилитроны и стабисторы.

3. Частотные и импульсные свойства диодов.

Частотные свойства

Они определяют быстродействие диода. На частотные свойства влияют:

1)Барьерная емкость - образована ионами донорами и акцепторами, которые образуют электростатический заряд в области р-n перехода. Она определяется параметрами р-n перехода:

е- диэлектрическая проницаемость; S- площадь р-n перехода; δ-ширина р-n перехода

Барьерная емкость возникает между зарядами, образующими контактную разность потенциалов. Величина ее пропорциональна площади n-р-перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупроводника. Когда внешнее напряжение приложено к диоду в прямом направлении, расстояние между зарядами, образующими контактную разность потенциалов, уменьшается и Сб увеличивается. Если напряжение приложено в обратном направлении, расстояние между зарядами увеличивается, а Сб уменьшается.

2)Диффузионная емкость - образуется в результате инжекции носителей зарядов из одной области в другую.

Дырки перемещаясь из р области в n не успевают рекомбинировать в соседние области и скапливаются в р-n переходе. Также и электроны. Создается заряд Q.

Частотные свойства ограничивает барьерная емкость, потому что диффузионная шунтирована относительно малым активным сопротивлением р-n перехода

Для выпрямления переменных напряжений на частотах, значительно больших, чем промышленная, используются высокочастотные диоды.

Выпрямительные свойства диода с увеличением частоты ухудшаются из-за емкостей диода. Высокочастотные диоды имеют малую емкость, которая является одним из основных параметров этих диодов. Уменьшение емкости достигается уменьшением площади p-n-перехода. Кроме емкости высокочастотные диоды характеризуются теми же параметрами, что и выпрямительные диоды. Как правило, высокочастотные диоды работают при малых токах и напряжениях.

Импульсные свойства

Импульсные диоды. Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов и предназначены для работы в импульсных цепях.

От выпрямительных диодов они отличаются малыми емкостями p-n-перехода (доли пикофарад) и рядом параметров, определяющих переходные характеристики диода. Уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них невелики (30-40 мВт).

Основные параметры импульсных диодов

1) Общая емкость диода Сд (доли пФ — несколько пФ).

2) Максимальное импульсное прямое напряжение Uпритах.

3) Максимально допустимы импульсный ток /при mах.

4) Время установления прямого напряжения диода Туст - интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до достижения заданного значения прямого напряжения на нем — зависит от скорости движения внутрь базы инжектированных через переход неосновных носителей заряда, в результате которого наблюдается уменьшение ее сопротивления (доли нс - доли мкс).

5) Время восстановления обратного сопротивления диода tвос - интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого значения (порядка 0,1/, где /—ток при прямом напряжении; tBOC - доли не - доли мкс).

4. Процессы в p – n – p переходе. Принцип действия биполярного транзистора.

Принцип действия биполярного транзистора.

Биполярные транзисторы - это приборы на основе трехслойной структуры. Существуют две структуры, которые представлены на рис.

Структура транзистора имеет три области с тремя чередующимися типами проводимости. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы p-n-p- и n-p-n типа. Они имеют два p-n перехода

Транзистор является управляемым прибором. Управляющим выводом является база Б, который делается от среднего слоя. Другие два вывода называются эмиттер Э и коллектор К. Управляющей цепью является переход база-эмиттер Б-Э. Этот переход является диодным и ток через него может протекать только по направлению проводимости диодного перехода. Цепь коллектор-эмиттер К-Э является управляемой цепью. С помощью тока через переход Б-Э можно управлять током через переход К-Э.

Принцип работы транзистора поясняется с помощью рис

Процессы в p-n-p переходе

Переход база-эмиттер (эмиттерный переход) за счет источника Еб смещен в прямом направлении, а переход коллектор-база (коллекторный переход) за счет источника Ек смещен в обратном направлении. Переход база-эмиттер – это диод, включенный в прямом направлении. Переход коллектор-база – это диод, включенный в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера n-типа переходят в базу p-типа и движутся по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, затягиваются полем объемного заряда коллекторного перехода и стремятся к минусу источника Ек, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток.

Лишь малая часть электронов в базе p-типа в процессе движения в сторону коллектора рекомбинируют с дырками. Дело в том, что база делается слабо легированной, т.е. с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой. Когда электрон рекомбинирует в базе, происходит кратковременное нарушение равновесия, т.к. база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базового источника Еб.

Этот источник является поставщиком дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока.

Если коллекторную цепь разорвать, то все электроны циркулировали бы в цепи база-эмиттер. При наличии коллекторной цепи большая часть электронов устремляется в коллектор.

Таким образом, транзистор является прибором, который управляется током. Уменьшение потока электронов через коллекторный переход по сравнению с их потоком через переход эмиттер-база характеризуется коэффициентом передачи тока эмиттера a=Iк/Iэ. Обычно a=0,9…0.995.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока базы Этот коэффициент обозначают h21Э. Он равен h21Э=Iк/Iб>>1. Обычно h21Э =10…300.

Физически в работе транзистора принимают участие заряды двух типов (электроны и дырки), поэтому он называется биполярным.

Таким образом, транзистор является усилительным прибором. В зависимости от схемы включения он может обеспечивать усиление по току, напряжению или по мощности. Возможно одновременное усиление и по току, и по напряжению, и по мощности.

5. Статические ВАХ биполярного транзистора.

Наиболее полно свойства биполярного транзистора описываются с помощью вольт-амперных (ВАХ) характеристик. При этом различают входные и выходные ВАХ транзистора.

Каждой схеме включения транзистора соответствуют свои вольт-амперные характеристики, представляющие собой функциональную зависимость токов через транзистор от приложенных напряжений.

Транзистор как четырехполюсник характеризуется входной и выходной статическими ВАХ, показывающими соответственно зависимость входного тока от входного напряжения и выходного тока от выходного напряжения

Схема с общим эмиттером

Входные и выходные характеристики представлены соответственно на рис.

При изображении выходной характеристики необходимо помнить, что коллекторный переход работает в режиме диода, включенного в обратном направлении. Поэтому выходная характеристика – это обратная ветвь вольтамперной характеристики диода, перенесенная в первый квадрант.

Выходных характеристик целое семейство, т.к. они изображаются для разных значений токов базы. При Iб=0 через транзистор протекает тепловой ток Iк0 обратно смещенного коллекторного перехода.

Коэффициент усиления входного тока базы схемы с общим эмиттером h21Э=Iк/Iб. Схема обеспечивает также усиление по напряжению и по мощности.

( Возможно, маловероятно, спросит про ключевой режим, тк схема применяется как усилительная см билет 22)

Схема включения транзистора с общим коллектором

Схему с общим коллектором называют также эмиттерный повторитель, потому что нагрузка включена в здесь в цепь эмиттера и напряжение на эмиттере Uэ повторяет напряжение Uб.

Действительно,

Uэ=Uб-Uбэ, Uбэ=0,6»0, поэтому Uэ»Uб.

Соотношения для токов:

Iэ=Uэ/Rэ; Iк=Iб×h21Э; Iэ=Iб+Iк=Iб(1+h21Э).

Таким образом, у схемы имеется усиление по току в (1+h21Э) раз. Ток базы для обеспечения требуемого тока эмиттера может быть найден из последнего уравнения

Iб=Iэ/(1+h21Э),

Т.е. для получения заданного Iэ требуется в (1+h21Э) раз меньший ток базы Iб. Схема применяется как усилитель тока при работе на низкоомную нагрузку. У нее отсутствует усиление по напряжению (это повторитель напряжения), но существует усиление по току и мощности.

Схема с общей базой

Соотношения для токов:

Iк=aIэ.

Т.к. a близко 1, то Iк »Iэ. Из последнего равенства следует, что это повторитель тока. Схема обладает усилением по напряжению и по мощности. Схема применяется сравнительно редко.

6. Частотные и импульсные свойства биполярных транзисторов. Характеризующие параметры биполярных транзисторов.

Частотные свойства транзисторов определяют диапазон частот синусоидального сигнала, в пределах которого прибор может выполнять характерную для него функцию преобразования сигнала. Принято частотные свойства приборов характеризовать зависимостью величин его параметров от частоты.

С повышением частоты коэффициент передачи тока эмиттера уменьшается по модулю и становится комплексной величиной. Как следствие, происходит сдвиг по фазе между переменными составляющими тока коллектора и тока эмиттера. Частотные свойства транзисторов принято характеризовать рядом параметров.

Предельной частотой коэффициента передачи тока f_h21 называют такую частоту, на которой модуль коэффициента передачи тока уменьшается в 0,2. При включении транзистора по схеме ОБ эту частоту обозначают f_h21Б или иногда f_a. В зависимости от значения этой частоты различают низкочастотные (f_h21Б £ 3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f_h21Б < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < f_h21Б < 300 МГц) и СВЧ (f_h2l6 > 300 МГц)-транзисторы.

В схеме ОЭ предельную частоту передачи тока базы обозначают символом f_h21Э или f_b. Следует заметить, что частотные свойства транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ, так как частота f_h21Э  ниже частоты f_h21Б

При работе транзистора в импульсных схемах различают режимы малого и большого сигнала. В импульсном режиме малого сигнала тран­зистор работает в линейной области характеристик, т.е. в активном режиме. При большом сиг­нале транзисторы работают в режиме переключения (в режиме ключа), поскольку их назначение заключается в замыкании и размыкании цепи нагрузки при поступлении во входную цепь управляющих сиг­налов. В ключевом режиме всегда имеется переход из области отсеч­ки в область насыщения.

7. Полевой транзистор с p – n переходом. Устройство, принцип действия.

Биполярные транзисторы управляются током, полевые транзисторы управляются напряжением.

Различают следующие типы полевых транзисторов: полевые транзисторы с управляющим p-n переходом; полевые транзисторы с изолированным затвором.

Полевой транзистор с p-n переходом.

Обозначение выводов: С-сток, З-затвор, И-исток

Рис. 44 Полевой транзистор с каналом n типа.

Рис. 45 Полевой транзистор с каналом p типа.

Ток через канал образуется за счет основных носителей. При n-канале - за счет электронов. Управляющей цепью является цепь затвор-исток (З-И). Управляемой цепью является С-И. С помощью Uзи регулируется ширина канала, его проводимость, ток через него. При подаче отрицательного напряжения на затвор в области p-n перехода образуется обедненный слой (как у диода, смещенного в обратном направлении). Чем шире обедненный слой, тем уже канал, по которому могут проходить электроны от истока к стоку, т.к. обедненный слой, лишенный свободных носителей ведет себя как изолятор.

В отличие от биполярного транзистора ток, текущий через полевой транзистор, образуется только основными носителями, поэтому такой транзистор называют униполярным. Он в меньшей степени подвержен влиянию температуры и радиации, т.к. этими факторами определяется концентрация неосновных носителей.

Входные и выходные характеристики полевого транзистора с p-n переходом и каналом n-типа

Характеристики полевого транзистора с каналом n-типа приведены на рис.

При Uзи=0 , Iс=Icнач=Imax; при |-Uзи|>|-Uотс|, Iс=0. Здесь Icнач –начальный ток стока; напряжение Uотс называется - напряжение отсечки. Uотс=(0,3…10)В, Iснач=(1…20)мА. Запрещается подавать положительное напряжение на затвор, так как на переходе ЗИ возрастает выделяемая мощность (нагрев). При приложении отрицательного управляющего напряжения обратный ток через ЗИ пренебрежительно мал.

Управление током стока осуществляется путем подачи Uзи со знаком, обратным направлению проводимости p-n перехода.

8. Полевые МДП-транзисторы, их особенности, характеристики. Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.

Структура МДП транзистора представлена на рис:

Их называют МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторами. У таких транзисторов затвор отделен от канала тонким слоем диэлектрика. Физической основой работы таких транзисторов является эффект поля, который состоит в изменении концентрации свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника под действием внешнего электрического поля. 

Устройство: Есть подложка из полупроводника с р – проводимостью, в которой сделаны две сильно легированные области с n – проводимостью (исток и сток)

Между ними пролегает узкая приповерхностная перемычка, проводимость которой также n-типа. Над ней на поверхности пластины имеется тонкий слой диэлектрика (чаще всего из диоксида кремния -- отсюда, кстати, аббревиатура МОП). А уже на этом слое и расположен затвор -- тонкая металлическая пленка. Сам кристалл обычно соединен с истоком, хотя бывает, что его подключают и отдельно.

Если при нулевом напряжении на затворе подать напряжение исток-сток, то по каналу между ними потечет ток. Почему не через кристалл? Потому что один из p-n переходов будет закрыт.

А теперь подадим на затвор отрицательное относительно истока напряжение. Возникшее поперечное электрическое поле «вытолкнет» электроны из канала в подложку. Соответственно, возрастет сопротивление канала и уменьшится текущий через него ток. Такой режим, при котором с возрастанием напряжения на затворе выходной ток падает, называют режимом обеднения.

Если же мы подадим на затвор напряжение, которое будет способствовать возникновению «помогающего» электронам поля «приходить» в канал из подложки, то транзистор будет работать в режиме обогащения. При этом сопротивление канала будет падать, а ток через него расти.

Рассмотренная выше конструкция транзистора с изолированным затвором похожа на конструкцию с управляющим p-n переходом тем, что даже при нулевом токе на затворе при ненулевом напряжении исток-сток между ними существует так называемый начальный ток стока. В обоих случаях это происходит из-за того, что канал для этого тока встроен в конструкцию транзистора. Т.е., строго говоря, только что мы рассматривали такой подтип МДП-транзисторов, как транзисторы с встроенным каналом.

Однако, есть еще одна разновидность полевых транзисторов с изолированным затвором -- транзистор с индуцированным (инверсным) каналом. Из названия уже понятно его отличие от предыдущего -- у него канал между сильнолегированными областями стока и истока появляется только при подаче на затвор напряжения определенной полярности.

Итак, мы подаем напряжение только на исток и сток. Ток между ними течь не будет, поскольку один из p-n переходов между ними и подложкой закрыт.

Подадим на затвор (прямое относительно истока) напряжение. Возникшее электрическое поле «потянет» электроны из сильнолегированных областей в подложку в направлении затвора. И по достижении напряжением на затворе определенного значения в приповерхностной зоне произойдет так называемая инверсия типа проводимости. Т.е. концентрация электронов превысит концентрацию дырок, и между стоком и истоком возникнет тонкий канал n-типа. Транзистор начнет проводить ток, тем сильнее, чем выше напряжение на затворе. полевой транзистор переход затвор

Из такой его конструкции понятно, что работать транзистор с индуцированным каналом может только находясь в режиме обогащения. Поэтому они часто встречаются в устройствах переключения.

Условные обозначения транзисторов с изолированным затвором следующие:

А) со встроенным каналом n- типа;

Б) со встроенным каналом р- типа;

В) с выводом от подложки;

Г) с индуцированным каналом n- типа;

Д) с индуцированным каналом р- типа;

Е) с выводом от подложки.

Сравнительная оценка полевых и биполярных транзисторов.

9. Физические процессы в четырёхслойной структуре тиристора при включении и выключении

Тиристор является четырехслойным прибором.

Тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом. Поэтому иногда в технической литературе его называют однооперационным тиристором, который может сигналом управления переводиться только в проводящее состояние, т. е. включаться. Для его выключения (при работе на постоянном токе) необходимо принимать специальные меры, обеспечивающие спадание прямого тока до нуля. 

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.