Физические основы полупроводниковой электроники

Лекция 1. Физические основы полупроводниковой электроники. Электроника – это область науки, техники и производства, охватывающая исследования и разработку электронных приборов и принципов их действия. Электронными называют приборы, в которых ток создается движением электронов в вакууме, газе или полупроводнике. Как самостоятельная наука электроника начала развиваться на границе 19 и 20 веков, после открытия термоэлектронной эмиссии (1883 г.), фотоэлектронной эмиссии (1888 г.), разработка вакуумного диода (1903 г.), вакуумного триода (1904 г.). Вначале электроника развивалась только как радиоэлектроника, обслуживающая нужды радиотехники. Нерадиотехническое использование электроники началось прежде всего в области ядерных исследований (с 1943 г.), вычислительной техники (с 1949 г.) и массовой автоматизации производственных процессов. В «младенчестве» электроники основным электронным прибором была электронная лампа. Устройства, построенные на основе этих ламп, потребляли много энергии, выделяли много тепла, которое необходимо было как-то отводить, имели большой вес и габариты. Из-за трудности отвода выделяемого тепла, сделать монтаж более компактным с электронными лампами было невозможно. Нужны были принципиально новые элементы и принципы конструирования. Такими новыми элементами стали полупроводниковые приборы, которые не требуют подогрева, потребляют очень мало энергии, имеют малые габариты и вес. Основными свойствами электронных приборов являются: - быстродействие (практически безинерционное), - высокая чувствительность к малым сигналам (электронный вольтметр способен при прямом измерении определить напряжение =10-25 В), - универсальность. В настоящее время для решения тех или иных задач (преобразования вида энергии, усиления сигналов, генерирования мощных излучений, обработки цифровой информации и т.д.) используются все виды электронных приборов, но явное преимущество сохраняется за полупроводниковыми приборами и микросхемами. В качестве основы полупроводниковых приборов используется кремний (Si), германий (Gе), все большее применение находит соединение – арсенид галлия (GаAs). Электрофизические свойства полупроводников. По электропроводности полупроводники занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Особенность электропроводности полупроводников обуславливается спецификой распределения по энергиям электронов атомов. Все вещества образованы атомами, состоящими из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них отрицательно заряженных электронов. Ядро включает электрически нейтральные частицы (нейтроны) и положительно заряженные (протоны). Количество протонов определяет заряд ядра. В нормальном состоянии число электронов, образующих оболочку атома, равно числу протонов в ядре и атом электрически нейтрален (отрицательный заряд электрона по величине равен положительному заряду протона). Электроны вращаются вокруг ядра по некоторым орбитам. Электроны атома могут обладать только определенными значениями энергии, а следовательно находится на определенных (разрешенных) энергетических уровнях. Количество электронов на уровнях строго определено: на первом, ближайшем к ядру, может находиться не более двух электронов, на втором – не более восьми и т.д. Электроны целиком заполненных уровней устойчивы к внешним воздействиям. Не «уместившиеся» на внутренних уровнях электроны образуют незаполненный внешний уровень, который гораздо легче отдает и воспринимает электроны. Эти не «уместившиеся» электроны, находящиеся на внешнем уровне и определяют валентность элемента при химических реакциях. Чем дальше от ядра расположена орбита электрона, тем большей энергией он обладает (ему легче оторваться от ядра). Под воздействием внешних воздействий, увеличивающих энергию электронов (энергия теплоты, света, радиация, электрическое или магнитное поле и.т.п.), электрон из валентной зоны может перейти на новую, более удаленную от ядра орбиту. Такой электрон называют возбужденным, а при дальнейшем увеличении энергии, называемой работой выхода, электрон покидает поверхность вещества. Распределение электронов по энергиям характеризуется энергетической диаграммой. We Рис.1.1. Энергетическая диаграмма изолированного атома. Энергетическая диаграмма группы близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения по сравнению с изолированным атомом. В кристалле происходит взаимодействие между соседними атомами, заключающееся в том, что на один и тот же электрон воздействуют ядра соседних атомов. В результате разрешенные энергетические уровни электронов смещаются и расщепляются на несколько – по числу соседних атомов в кристаллической решетке. Эти уровни создают энергетические зоны. We Рис.1.2. Энергетическая диаграмма группы (четырех) близко расположенных атомов. Совокупность энергетических уровней, соответствующих внешнему слою электронов, образует валентную зону. Разрешенные незаполненные уровни энергии, которые могут занимать возбужденные электроны, обеспечивая электропроводность вещества, составляют зону проводимости. Между валентной зоной и зоной проводимости может располагаться запрещенная зона Зонная структура лежит в основе разделения веществ на проводники, полупроводники и диэлектрики. Wе Wе Wе 2 2 2 ∆Wз 3 ∆Wз 3 1 1 1 а) б) в) Рис.1.3. Энергетические зоны проводника (а), диэлектрика (б), полупроводника (в): 1- валентная зона; 2- зона проводимости; 3- запрещенная зона. У проводников (металлов) валентная зона 1 и зона проводимости 2 перекрывают друг друга (рис.1.3, а) и валентные электроны легко переходят в зону проводимости. У диэлектриков (рис.1.3., б) ширина запрещенной зоны велика (более 6 эВ) и для перехода валентных электронов в зону проводимости надо сообщить им значительную энергию (такой процесс происходит при пробое изоляции). У полупроводников (рис.1.3., в) запрещенная зона относительно мала и колеблется от 0,1 до 0,3 эВ. Собственная проводимость полупроводников. Наличие на энергетической диаграмме запрещенной зоны обуславливает особенности образования носителей заряда в полупроводниках по сравнению с металлами. Кремний (Si) и германий (Gе) принадлежат к IV группе Периодической системы элементов, значит на внешней оболочке их атомов находятся четыре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия 0,72 эВ, кремния – 1,12 эВ. Кристаллическая решетка этих полупроводников имеет одинаковую структуру алмазного типа (тетраэдр), в которой любой атом, находящийся в узле кристаллической решетки, связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Рассмотрим плоский эквивалент такой структуры (на рис.1.4. ковалентные связи показаны двумя параллельными линиями): Ge Ge Ge - -e Ge Ge Ge + +e Ge Ge Ge Рис.1.4. Возникновение свободного электрона и дырки в кристалле полупроводника. Под действием внешней энергии (нагревание, освещение и т.д.) некоторые электроны вырываются из ковалентной связи и становятся свободными. Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энергетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уровень зоны проводимости (рис.1.5.). Свободный электрон под воздействием электрического поля может участвовать в создании тока. Wе Зона проводимости - -e Запрещенная зона +e Валентная зона Рис.1.5. Энергетическая диаграмма возникновения свободного электрона и дырки. На месте каждого ушедшего электрона осталась незаполненная ковалентная связь и нескомпенсированный положительный заряд (ядра атома), т.е. образовалась «дырка». На энергетической диаграмме (рис.1.5.) образование дырки после перехода электрона в зону проводимости отождествляют с появлением вакантного уровня энергии в валентной зоне. «Дырка» может захватить электрон из ближайших заполненных связей, в результате чего она окажется на новом месте, т.е. «дырка» может перемещаться по кристаллу, а значит является свободным положительным зарядом и может участвовать в образовании электрического тока. Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей заряда обуславливается различием в подвижностях свободных электронов и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уровням энергии. При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В результате этого процесса, называемого термогенерацией, в полупроводнике создается некоторая концентрация электронов (в зоне проводимости) и равная ей концентрация дырок (в валентной зоне), т.е собственная концентрация носителей заряда в полупроводнике. Концентрация носителей заряда в полупроводнике (значит и его электрическая проводимость) увеличивается с повышением температуры и уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны. Проводимость, обусловленную термогенерацией электронов и дырок в чистом полупроводнике, называют собственной проводимостью. Электроны и дырки являются подвижными частицами. Процесс, при котором свободные электроны и дырки встречаются и взаимоуничтожаются (возвращение электронов из зоны проводимости на вакантные уровни валентной зоны), называется рекомбинацией. Концентрация носителей заряда называется равновесной, когда число вновь возникающих носителей заряда равно количеству рекомбинирующих носителей. Примесная проводимость. В зависимости от свойств примеси различают электронную и дырочную проводимость. Под примесью понимают любое нарушение кристаллической решетки: примесь внедрения, примесь замещения, просто искажение решетки. Проще понять на примеси замещения. Электронная проводимость обусловлена добавлением в четырехвалентный германий пятивалентного элемента (например сурьмы Sb). Четыре валентных электрона сурьмы заменяют в ковалентных связях электроны германия и будут прочно связаны с атомом. Пятый электрон не участвует в ковалентных связях и оказывается слабо связанным с ядром сурьмы. При комнатной температуре этот электрон становится свободным. На месте атома сурьмы остается положительный ион, но это не дырка, т.к. ион не может передвигаться и отбирать электроны из ковалентных связей, т.к. все ковалентные связи заполнены. Wе Ge Ge Ge ∆Wд -e -e Ge Sb Ge Wз Ge Ge Ge Рис.1.6. Возникновение свободного электрона в полупроводнике п-типа и отражение этого процесса на энергетической диаграмме. На энергетической диаграмме полупроводника n-типа вводимая примесь приводит к появлению в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости локальных валентных уровней, число которых определяется количеством атомов примеси в кристалле (локальный уровень показан пунктиром). Т.к. ширина ∆Wд очень мала(0,01-0,07 эВ), то уже при комнатной температуре практически все электроны донорных примесей перейдут в зону проводимости и смогут участвовать в создании тока. Таким образом, атом пятивалентной примеси дает один электрон и не дает при этом дырки. Такую примесь называют донорной, проводимость – электронной, а сам полупроводник – n-типа. Электроны в полупроводнике n-типа называют основными носителями, а дырки – неосновными. Неосновные носители появляются в следствии термогенерации. Т.е. nn – основные носители, рn – неосновные носители заряда. Количество неосновных носителей заряда на несколько порядков меньше количества основных, т.к. концентрация электронов в зоне проводимости (свободных электронов) определяется преимущественно концентрацией введенной примеси, а не собственными электронами валентной зоны, преодолевающими при термогенерации широкую запрещенную зону. Дырочная проводимость обусловлена добавлением в четырехвалентный германий трехвалентного элемента (например индия In). Три валентных электрона индия заполняют только три ковалентные связи из четырех. Под действием внешней энергии электроны из ковалентных связей германия могут перескакивать в незаполненные ковалентные связи примеси. При этом атомы индия становятся отрицательными ионами, которые не могут принимать участия в проводимости тока. Wе Ge Ge Ge Ge In Ge Wз ∆Wа -е -e + Ge Ge Ge Рис.1.7. Возникновение дырки в полупроводнике р-типа и отражение этого процесса на энергетической диаграмме. При наличии акцепторной примеси в запрещенной зоне энергетической диаграммы исходного полупроводника вблизи валентной зоны появляются локальные уровни энергии, число которых определяется количеством атомов примеси в кристалле. Т.к. ∆Wа мала (0,01-0,07 эВ), то при комнатной температуре все локальные уровни будут заняты электронами, перешедшими из валентной зоны. В валентной зоне появится большая концентрация дырок. Таким образом, в рассмотренном случае прохождение тока через кристалл обеспечивается дырками. Такую примесь называют акцепторной, проводимость – дырочной, а сам полупроводник – р-типа. Здесь nр – неосновные носители, рр – основные носители заряда. В зависимости от концентрации введенной примеси удельная проводимость примесного полупроводника возрастает в десятки и сотни тысяч раз по сравнению с чистым полупроводником. Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накладывает ограничения на температурный диапазон применения полупроводниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется существенным превышением в примесных полупроводниках концентрации основных носителей заряда над неосновными, т.е. nn>>рn и рр>> nр. При температурах, превышающих верхний температурный предел, причиной нарушения условия nn>>рn и рр>> nр является повышение роли термогенерации, когда концентрация носителей заряда будет определяться концентрацией собственных носителей, а не концентрацией внесенной примеси. Верхний температурный предел зависит от ширины запрещенной зоны и составляет для германия 75-85оС, а для кремния 150-170 оС. При температуре ниже рабочего диапазона понижение концентрации основных носителей заряда связано с уменьшением количества ионизированных атомов примеси (все «лишние» электроны остаются при своих атомах). Нижний температурный предел работы полупроводниковых приборов составляет от -55 до -60 оС. Лекция 2. Полупроводниковые диоды. Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом. Ia А К А К p n Uaк а) б) в) Рис.2.1. Полупроводниковый диод: а - структура диода, б - условное графическое обозначение диода, в - идеальная вольт-амперная характеристика диода. Принцип действия полупроводникового диода основывается на процессах, протекающих на границе раздела р- и n-слоев, в так называемом электронно-дырочном переходе. Электронно-дырочный переход. Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален: количество атомов, лишившихся одного электрона и превратившихся в положительные ионы, строго равно количеству оторвавшихся электронов. Свободные электроны движутся хаотически, а положительные ионы находятся в узлах кристаллической решетки. Также электрически нейтрален и изолированный кристалл р-типа. Но хаотически двигаются дырки, а в узлах кристаллической решетки находятся отрицательные ионы. Кроме основных носителей заряда в каждом из слоев имеются неосновные носители заряда, получаемые в результате термогенерации. На практике наибольшее распространение получили р-n-структуры с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда. Типичными являются структуры, когда рр>>nn. Рассмотрим указанную структуру подробнее. А - - +++ а) р - - +++ n - - +++ - - +++ В 1018 рр l0 1015 nn концентрация указана для объема см-3 б) 1012 рn 109 np х Е х в) 0 Е φ0 х г) φ0 Рис.2.2. Образование электронно-дырочного перехода: а - p-n-структура полупроводника, б- распределение концентраций носителей заряда, в- диаграмма напряженности поля, г- потенциальный барьер в p-n-переходе. На границе раздела слоев АВ возникает разность концентраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являются основными, в другом – неосновными. Начинается диффузия дырок из р-области в n-область и диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом концентрации основных носителей заряда вблизи граничной плоскости, ширина которой l0, снижаются (рис.2.2. б). Следствием диффузионного движения носителей зарядов через границу раздела слоев является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. При уходе дырок из полупроводника р-типа образуется слой неподвижных отрицательных ионов, при уходе электронов из полупроводника n-типа - неподвижных положительных ионов, между которыми возникает электрическое поле и разность потенциалов. Кривые Е(х) и φ(х) показаны на рис.2.2. в),г) (за нулевой принят потенциал n-слоя). Толщина слоя объемного заряда l0составляет доли микрометров и зависит от концентрации примеси. Если бы концентрации акцепторной и донорной примесей были равны (симметричный р-n-переход), то и ширина слоев с объемными зарядами относительно границы АВ была бы одинаковой. В рассматриваемом случае несимметричного р-n-перехода, когда концентрация акцепторной примеси намного выше концентрации донорной примеси, ширина слоя положительного объемного заряда больше отрицательного, т.е. р-n-переход толщиной l0 преимущественно сосредоточен в n-области, как в более высокоомной. Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером φ0, созданное объемными зарядами, препятствует дальнейшему движению основных носителей зарядов и оказывает ускоряющее действие для неосновных, т.е. приводит к уменьшению плотности диффузионного тока через переход и появлению встречного ему дрейфового тока. Равенство нулю тока через переход, когда токи дрейфовый и диффузионный равны по значению, создается установлением соответствующей величины потенциального барьера φ0 в р-n-переходе. Электрические процессы в р-n-переходе при наличии внешнего напряжения. Подключение к р-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через р-n-переход. Рассмотрение процессов в р-n-переходе при наличии внешнего напряжения имеет непосредственное отношение к изучению вентильных свойств полупроводникового диода и его ВАХ. При подключении внешнего напряжения в прямом направлении («+» к р-области, «-» к n-области), поле, создаваемое источником, направлено противоположно внутреннему полю, что приводит к уменьшению результирующего поля в р-n-переходе (рис.2.3), следовательно уменьшится и обусловленный напряжением объемный заряд в р-n-переходе. Объемному заряду будет соответствовать напряжение φ0-Ua, определяющее высоту потенциального барьера при включении внешнего напряжения в прямом направлении, а уменьшение объемного заряда проявится в сужении р-n-перехода, которое происходит в основном за счет n-слоя, как более высокоомного. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела, что приводит к увеличению диффузионного тока через р-n-переход. Дрейфовый ток через р-n-переход, создаваемый потоками неосновных носителей заряда, остается без изменений (температурный режим, от которого зависит термогенерация, остался прежним). Разность диффузионного и дрейфового токов определяет результирующий прямой ток через р-n-переход (прямой ток диода): Ia=Iдиф-Iдр Ua + - Ia A а) - ++ - ++ Ia p - ++ n - ++ B φ0-Uа x φ0 б) l φ l0 Ia в) 0 Ua Рис.2.3. Полупроводниковый диод при подключении внешнего напряжения в прямом направлении: а-схема включения, б-потенциальный барьер при прямом напряжении, в-прямая ветвь ВАХ диода. С повышением приложенного напряжения диффузионный ток увеличивается (т.к. уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией), в связи с чем возрастает прямой ток через р-n-переход. Примерный вид прямой ветви ВАХ диода показан на рис.2.3.в) В кремниевых диодах величина φ0 выше, чем в германиевых. Одинаковая величина внешнего напряжения Ua здесь создает меньшее относительное снижение потенциального барьера, чем в германиевых диодах, и обусловливает меньший прямой ток при одинаковой площади р-n-перехода. Большая величина φ0 является одной из причин большего собственного падения напряжения в кремниевых диодах (0,8-1,2 В) по сравнению с германиевыми диодами (0,3-0,6 В) при протекании тока в прямом направлении. При прямом смещении р-n-перехода диффузионные составляющие тока существенно превышают дрейфовые составляющие. При подключении к диоду источника внешнего напряжения в обратном направлении (рис.2.4.) потенциальный барьер возрастает на величину Ub и становится равным φ0+Ub (рис.2.4.б). Ub - + Ib A а) - - - +++++ - - - +++++ Ib p - - - +++++ n - - - +++++ B φ0+Ub x φ0 б) l0 φ l Ub 0 в) 2 1 3 4 5 Ib Рис.2.4. Полупроводниковый диод при подключении внешнего напряжения в обратном направлении: а-схема включения, б-потенциальный барьер при обратном напряжении, в-обратная ветвь ВАХ диода. С увеличением потенциального барьера объемный заряд в р-n-переходе тоже увеличивается, а следовательно увеличивается и ширина р-n-перехода. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через р-n-переход основных носителей заряда, соответственно диффузионная составляющая тока уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда можно считать неизменным, однако теперь он будет превышать диффузионный ток и через диод будет протекать ток в обратном направлении (обратный ток): Ib= Iдр- Iдиф. Обратная ветвь ВАХ диода показана на рис.2.4.в). При небольших обратных напряжениях (участок 0-1) увеличение обратного тока происходит за счет уменьшения диффузионной составляющей. При обратном напряжении, соответствующем точке 1 и большем, основные носители заряда не способны преодолеть потенциальный барьер, поэтому диффузионный ток равен нулю. Если не учитывать ток утечки через поверхность р-n-перехода, то при дальнейшем увеличении обратного напряжения, обратный ток оставался бы неизменным (на рисунке показан пунктиром). Ток утечки создается различными загрязнениями на внешней поверхности р-n-структуры, что повышает поверхностную электрическую проводимость р-n-перехода и обратный ток через диод. Ток утечки связан линейной зависимостью с напряжением Ub, что и объясняет наклонный характер участка 1-2. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда является функцией температуры кристалла, обратный ток диода также зависит от температуры, поэтому обратный ток иногда называют тепловым. Как известно, концентрация неосновных носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны на энергетической диаграмме. Т.к. ширина запрещенной зоны у кремния больше, чем у германия (1,12 эВ против 0,72 эВ), то при одинаковых условиях обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков меньше, чем в германиевых. По этой причине кремниевые диоды допускают эксплуатацию при более высоких температурах, чем германиевые диоды. При достижении обратным напряжением некоторого критического значения обратный ток резко возрастает. Увеличение тока приводит к увеличению температуры, а следовательно более интенсивно проходит термогенерация, что может привести к пробою р-n-перехода. При повышенном значении обратного напряжения вначале происходит нарушение линейной зависимости обратного тока от Ub (участок 2-3 на рис.2.4.в), а затем резкое увеличение обратного тока (участок 3-5), т.е. происходит пробой р-n-перехода. Различают два вида пробоя: электрический – обратимый и тепловой - необратимый (происходит разрушение кристалла). В свою очередь электрический пробой может быть лавинным или туннельным. Лавинный объясняется лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации и за счет вырывания электронов из атомов сильным эл.полем. Туннельный пробой объясняется явлением туннельного эффекта, сущность которого в том, что при сильном поле напряженностью более 105 В/см, действующем в р-n-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Лавинный и туннельный пробои вызывают появление на ВАХ диода почти вертикального участка 3-4, где небольшое повышение обратного напряжения вызывает интенсивную генерацию в р-n-переходе носителей заряда. Оба эти вида пробоя являются обратимыми процессами, т.е. не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения свойства диода сохраняются. Тепловой пробой возникает за счет интенсивной термогенерации носителей в р-n-переходе при недопустимом повышении температуры. Увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно еще больший разогрев участка р-n-перехода. Процесс заканчивается расплавлением этого участка и выходом прибора из строя (участок 4-5). При подаче обратного напряжения р-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются р- и n-области. Роль диэлектрика выполняет приграничная область р-n-перехода, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина р-n-перехода и чем больше его площадь. Итак, прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновыми ностителями заряда. Т.к. концентрация основных носителей на несколько порядков выше концентрации неосновных, прямой ток в сотни и тысячи раз превышает обратный. Именно этим и обуславливаются вентильные свойства р-n-перехода, а значит и полупроводникового диода, т.е. диод, включенный в прямом направлении пропускает электрический ток, а включенный в обратном – его не пропускает. По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные. По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды и др. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный. К их быстродействию, емкости р-n-перехода и стабильности параметров высоких требований не предъявляют. Выпрямительные диоды характеризуются малым сопротивлением в прямом направлении и позволяют пропускать большие токи (до десятков и сотен ампер) при допустимых обратных напряжениях до 1000 В. Для этого площадь р-n-перехода выполняется относительно большой и, следовательно емкость р-n-перехода достаточно велика (десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах (длительность перехода из открытого состояния в запертое и наоборот при перемене полярности приложенного напряжения) протекают относительно долго. Стабилитроны – это диоды, использующие участок ВАХ р-n-перехода, соответствующий обратному электрическому пробою (рис.2.5.) Стабилитрону, как показывает само название, свойственна неизменность падения напряжения на нем при значительных изменениях тока, протекающего через него. Благодаря этому свойству стабилитроны широко применяются в качестве источников опорного напряжения, которое должно оставаться неизменным при каких-либо изменениях других параметров схемы. Применяются они и как стабилизаторы напряжения при небольших мощностях нагрузки. Iобр + - а) R0 Iст б) Uвх Uст ∆U вх Iпр Uвх Uст Uобр Uпр В arctgR0 в) А Iст ∆Iст С ∆Uст Iобр Рис.2.5. Стабилитрон: а – условное обозначение; б – схема включения; в – ВАХ. Во избежание теплового пробоя последовательно со стабилитроном включают резистор R0, ограничивающий ток стабилитрона Iст, который является обратным током для р-n-перехода. При изменениях входного напряжения ∆U вх меняются ток ∆ Iст и падение напряжения от этого тока на R0. Значения тока стабилитрона и его изменений определяются точками А,В,С пересечения ВАХ стабилитрона и прямых, проведенных под углом arctg R0 из точек Uвх и его изменений, отложенных на оси Uобр. Точка А определит значение Uст при среднем значении входного напряжения, а точки В и С – изменения ∆Uст при изменениях ∆Uвх. Дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке ВС равно: rдиф = ∆Uст / ∆Iст. Входное напряжение можно определить как: U вх = Uст + IстR0. Перейдем к приращениям, тогда получим: ∆U вх = ∆Uст + ∆IстR0. Так как ∆Iст = ∆Uст / rдиф, то ∆U вх = ∆Uст + ∆Uст R0/ rдиф, откуда ∆Uст = ∆U вх / (1+ R0/ rдиф). При R0 >> rдиф получим, что ∆Uст << ∆U вх и стабилизация тем лучше, чем больше отношение R0/ rдиф. В режиме стабилизации напряжение на стабилитроне почти постоянное, такое же напряжение на Rn. Вся нестабильность почти полностью поглощается ограничительным резистором Rогр. Варикапы – это полупроводниковые диоды, работа которых основана на явлении барьерной емкости запертого р-n-перехода. Поскольку размеры области р-n-перехода зависят от значения приложенного к нему напряжения, то и величина барьерной емкости изменяется с этим напряжением. Внешнее обратное напряжение расширяет р-n-переход и изменяет барьерную емкость. Варикапы применяются для электрической настройки колебательных контуров в радиоаппаратуре. Лекция 3. Биполярный транзистор. (Би-полярный – в образовании тока используется два вида заряда: электроны и дырки). Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом электропроводности слоев и содержит два р-n-перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов: р-n-р и n-р-n . П1 П2 П1 П2 Э n p n К Э p n p К Б Б а) б) n-p-n p-n-p Э К Э К Б Б в) г) Рис.3.1. Полупроводниковая структура транзисторов а),б) и их условные обозначения на электронных схемах в), г). Принцип действия рассмотрим на примере структуры типа p-n-p. Э - + + - К p - + n + - p а) - + + - - + + - Б рР рР б) nn np рn np х φ в) х φ0 Рис.3.2. Транзисторная структура типа p-n-p (а), распределение концентраций носителей заряда (б), распределение потенциалов в отсутствии внешних напряжений (в). Области транзистора и выводы от них называются: Э-эмиттер (от англ. emit – испускать, извергать), Б-база и К- коллектор (от англ. collect – собирать). Также называются и р-n-переходы: П1-эмиттерный переход, П2-коллекторный. Функция эмиттерного перехода – инжектирование (эмиттирование) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Взаимодействие между эмиттерным и коллекторным переходами обеспечивается малой шириной базы. У современных транзисторов она обычно не превышает 1мкм, тогда как диффузионная длина лежит в пределах 5-10 мкм. Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях транзистора несущественно, поэтому они приняты одинаковыми (рис.3.2.б). Отличие же в концентрациях основных носителей заряда эмиттерного и базового слоев очень важно, т.к. оно влияет на параметры транзистора и в частности на коэффициент передачи тока α. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше концентрации основных носителей заряда в эмиттере, т.е. pp>>nn (рис.3.2.б). В отсутствие внешних напряжений на границах раздела слоев образуются объемные заряды, создается внутреннее электрическое поле и между слоями действует внутренняя разность потенциалов. Потенциальный барьер в каждом из переходов устанавливается такой величины, чтобы обеспечивалось равновесие диффузионного и дрейфового потоков носителей заряда, т.е. равенство нулю результирующего тока через переходы. Поскольку концентрации носителей заряда в эмиттерном и коллекторном слоях одинаковы, то и потенциальные барьеры в обоих переходах будут равны. Если за нулевой уровень принять потенциал базы, то распределение потенциалов в транзисторе в отсутствие внешних напряжений будет иметь вид как на рис.3.2.в). При нормальном включении транзистора на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллекторном – обратное. Так как в эмиттерном переходе внешнее напряжение UЭ действует в прямом направлении, потенциальный барьер для дырок – основных носителей зарядов эмиттерного слоя – уменьшается и дырки будут в большем количестве переходить (инжектировать) в базу (рис.3.3. а,в). Аналогично увеличится поток электронов (основных носителей заряда базы) в эмиттер. Если не учитывать ток, создаваемый неосновными носителями, то ток эмиттера можно записать в виде: Iэ= Iэр + Iэn, где Iэр – дырочная составляющая тока эмиттера, Iэn – электронная составляющая тока эмиттера. Электронная составляющая замыкается по входной цепи и не используется полезно (т.е. для создания тока в коллекторной цепи). Большинство дырок дырочной составляющей тока эмиттера в последующем достигает коллектора и вызывает коллекторный ток транзистора. p П1 n П2 p Э К IЭР IБР IКР а) Б + - + - UЭ UК pP pP б) pn nn рn0 x φ x φ0-Uэ φ0 φ0+Uк в) Рис.3.3. Транзисторная структура типа p-n-p (а), распределение концентраций носителей заряда (б), распределение потенциалов в отсутствии внешних напряжений (в) при наличии внешних напряжений. Инжектируемые дырки, попадая в базовый слой, повышают концентрацию дырок в базе в близи эмиттера по сравнению с равновесной концентрацией рn0 (рис.3.3. б). Под действием диффузии развивается движение дырок в базе в сторону коллектора, т.е. в направлении меньшей концентрации. Концентрация дырок в базе на границе с коллекторным переходом близка к нулю, т.к. дырки, дошедшие до коллекторного перехода ускоряются полем перехода и перебрасываются в коллектор (в базе дырки – неосновные носители и обратное поле П2 ускоряет их движение). Ввиду малой толщины базового слоя закон распределения концентрации дырок в базовом слое близок к линейному. Описанный характер движения дырок в базе возможен только при условии электрической нейтральности базы. Электроны, компенсирующие заряд поступающих в базу дырок, поступают по цепи базы одновременно с дырками, сразу после подключения внешних напряжений UЭ и UК. Распределение концентрации электронов на рис. 3.3.б) показано пунктирной падающей линией. Наличие дырок и электронов в базе неизбежно приводит к рекомбинации некоторой части дырок с электронами, в результате чего количество дырок, дошедших до коллектора будет меньше количества дырок, поступивших из эмиттера, т.е. дырочная составляющая коллекторного тока IКР будет меньше дырочной составляющей эмиттерного тока IЭР. Разность между этими составляющими представляет собой ток базы, обусловленный рекомбинацией. Таким образом мы можем записать соотношение для дырочных составляющих токов транзисторов: IЭР = IКР + IБР Коллекторный ток транзистора, обусловленный дырочной составляющей, связан с током эмиттера коэффициентом передачи тока α: α =IКР/ IЭ Способами приближения коэффициента α к единице являются: уменьшение ширины базового слоя, создание ускоряющего поля в слое базы, увеличение времени жизни дырок (электронов) в базе, увеличение разности концентраций основных носителей заряда в слоях эмиттера и базы и т.д. Наличие коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, приводит к появлению дополнительной неуправляемой составляющей тока коллектора, обусловленной протеканием обратного тока IК0. Обратный ток создается дрейфом неосновных носителей заряда через обратно включенный р-n-переход, в данном случае дырками в базе и электронами в коллекторе. Концентрации неосновных носителей заряда зависят от температуры (тепловой ток) и не зависят от величины тока эмиттера. В соответствии с изложенным (рис.3.4.): ток эмиттера IЭ равен сумме дырочной и электронной составляющих IЭ = IЭр + IЭn; ток коллектора IК равен сумме дырочной составляющей и теплового тока IК= IКр + IК0 ток базы IБ равен алгебраической сумме (с учетом направлений токов) электронной составляющей тока эмиттера, рекомбинационной дырочной составляющей и теплового тока IБ= IЭn + IБр - IК0. Основное соотношение для токов транзистора составляется по первому закону Кирхгофа: IЭ= IК+ IБ, с учетом теплового тока IК= αIЭ + IК0, IБ= (1-α)IЭ - IК0. Управляющее свойство транзистора, характеризующее изменение выходного (коллекторного) тока под действием подводимого входного (эмиттерного) тока, обуславливается изменением дырочной составляющей коллекторного тока за счет изменения дырочной составляющей эмиттерного тока. Таким образом принцип действия биполярного транзистора основан на создании транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера в коллектор через базу и управлении выходным током (в данном случае коллекторным) за счет изменения входного тока (в данном случае эмиттерным), т.е. биполярный транзистор управляется током. Iэn Iкр IЭ IК IБР + - Iэn UЭ UК IК0 IБ - + Рис.3.4. Диаграмма составляющих токов в транзисторе. Сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода очень велико – несколько МегаОм и более, поэтому в цепь коллектора можно включать весьма большие сопротивления нагрузки, не изменяя величину коллекторного тока, т.е. в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямо-смещенного эмиттерного перехода, напротив, весьма мало (это просто Ом), поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается гораздо меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Т.е. транзистор является усилительным прибором. При использовании транзистора в электронных схемах нужны два вывода для входного сигнала и два - для выходного. Т.к. у транзистора всего три вывода, один из них должен быть общим, принадлежащим и к входной и выходной цепи. Существует три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). Рассмотрим схему с общей базой: Э К + IЭ Б IК UЭБ IБ UКБ RН ЕК - Рис. 3.5. Схема включения транзистора с общей базой. Входным сигналом для схемы с ОБ является напряжение между Э и Б: UВХ=UЭБ, выходным – напряжение, выделяемое на нагрузке: UВЫХ=IКRH; входным током – ток эмиттера IВХ=IЭ, выходным – ток коллектора IВЫХ=IК. Входное напряжение является управляющим для транзистора, поэтому небольшое его изменение (на доли вольт) приводит к изменению тока эмиттера в широких пределах. Т.к. напряжение UБК является обратным, величина напряжения внешнего источника ЕК может в десятки раз превышать значение напряжения UЭБ. Падение напряжения, выделяемое на нагрузке, будет тем больше, чем больше ток коллектора, при этом на самом транзисторе будет падать лишь небольшое напряжение UКБ, которое будет тем меньше, чем больше ток коллектора: EК = IКRН + UКБ, UКБ = EК - UВЫХ = EК - IКRН. Таким образом, изменение на доли вольт входного напряжения приводит к изменению напряжения на нагрузке, чуть меньшее, чем напряжение ЕК. Это положение определяет усилительные свойства транзистора. Для оценки работы транзистора и его усилительных свойств в различных схемах включения рассматривают приращения входных и вызванных ими приращений выходных величин. Рассматривая транзистор как усилитель, принято характеризовать его свойства коэффициентами усиления и значением входного сопротивления: коэффициент усиления по току КI = ∆IВЫХ / ∆IВХ; коэффициент усиления по напряжению КU = ∆UВЫХ / ∆UВХ; коэффициент усиления по мощности КР = КI КU. входное сопротивление RВХ = ∆UВХ / ∆IВХ. Так как коэффициент передачи тока эмиттера определяется как α = IК / IЭ, и с учетом того, что для схемы с ОБ ток эмиттера является входным, а ток коллектора – выходным, то коэффициент усиления по току будет равен: КI = ∆IВЫХ / ∆IВХ = ∆IК / ∆IЭ = α =0,95...0,99 Схема с общей базой не усиливает ток, что делает ее не оптимальной для большинства применений. Главную роль в транзисторной технике играет включение с общим эмиттером. Рассмотрим схему с общим эмиттером: +ЕК IК + RН IК IБ UКЭ RН UЭБ IБ IЭ - ЕК - + UБЭ а) б) Рис.3.6. Схема включения транзистора с общим эиттером (а); типовое изображение в схемах. Транзистор NPN в этой схеме работает так же, как и в схеме с ОБ. Заметим, что общепринятое направление тока (от +ЕК –источника напряжения), противоположно направлению электронов. Характерным признаком схемы с ОЭ является то, что нагрузка располагается в коллекторной цепи. Статические характеристики транзистора. При использовании транзисторов в различных схемах представляют практический интерес зависимости тока и напряжения входной цепи (входные ВАХ) и выходной цепи (выходные или коллекторные ВАХ). Входные и выходные ВАХ снимают при относительно медленных изменениях тока и напряжения (по постоянному току), в связи с чем их и называют статическими. Для схемы с ОЭ входной характеристикой является зависимость входного тока IБ от входного напряжения UБЭ при фиксированном значении напряжения UКЭ, т.е. IБ =f(UБЭ), при UКЭ= const Входная характеристика по существу повторяет вид характеристики диода при подаче прямого напряжения. С ростом напряжения UКЭ входная характеристика будет незначительно смещаться вправо. IБ, мА UБЭ, В Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ – это зависимость коллекторного тока от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы: IK=F(UКЭ), при I= const. I II III IБ2 IБ2 >IБ1 IБ1 IБ=0 -UБЭ На выходных характеристиках можно выделить три характерные области: I-начальная область, II- относительно слабая зависимость IК от UКЭ, III- пробой коллекторного перехода. Т.к. для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы на эмиттерный переход подавалось прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. При напряжении UКЭ=0 напряжение на коллекторном переходе равно UБЭ, коллекторный переход открыт и инжектирует основные носители заряда (эдесь электроны) в базу. Потоки электронов через коллекторный переход (от К в Б и от Э в К) взаимно уравновешиваются и ток IК≈0. Т.е. пока |UКЭ|UБЭ, напряжение на коллекторном переходе UБК=UКЭ-UБЭ становится обратным и, следовательно мало влияет на величину коллекторного тока (коллекторные характеристики на участке II имеют некоторый наклон к оси абсцисс, вызванный эффектом модуляции базы.), который в основном определяется током эмиттера. При таком напряжении все основные носители, инжектированные эмиттером в базу и прошедшие через базовый слой, попадают в область коллектора, создавая коллекторный ток. При входном напряжении UБЭ<0 эмиттер носителей не инжектирует и ток базы IБ=0, но в коллекторной цепи будет протекать ток IК0 (самая нижняя выходная характеристика). Этот ток соответствует обратному (тепловому) току обычного p-n-перехода. В схеме с ОЭ коэффициент передачи тока КI = IК / IБ = α / (1-α) = β. β = 9...99, т.е. транзистор, включенный по схеме с ОЭ дает усиление по току в отличие от схемы с ОБ. Коэффициент усиления по напряжению соизмерим с таким же коэффициентом у схемы с ОБ: КUЭ=∆UВЫХ/∆UВХ=∆IКRН/∆IБRВХ= β RН/RВХ, где входное сопротивление в схеме с ОЭ значительно выше, чем в схеме с ОБ, т.к. в схеме с ОЭ входным током является ток базы, а в схеме с ОБ – во много раз больший ток эмиттера: RВХ= ∆UБЭ/∆IБ. Коэффициент усиления по мощности в схеме с ОЭ за счет значительно большего коэффициента по току также многократно превосходит схему с ОБ. Благодаря отмеченным свойствам схема с ОЭ нашла очень широкое применение. Представленные характеристики описывают лишь статический режим работы схемы. Для оценки динамики и влияния нагрузки на работу схемы используют графоаналитический метод расчета на основе входных и выходных ВАХ. По схеме ЕК=UКЭ+IКRН, построим нагрузочную прямую по двум точкам, соответствующим двум режимам: режиму короткого замыкания при котором UКЭ=0, т.е. сопротивление нагрузки равно нулю и транзистор замкнут накоротко, тогда IК=ЕК/RН; и режиму холостого хода, когда ветвь с сопротивлением нагрузки разомкнута, т.е. IК=0, и значит UКЭ=ЕК. IК,мА IБ2 ЕК/RН А р IБ1 IК В IБ=0 С -UБЭ UКЭ,В UКЭ IКRН EК Точка р пересечения нагрузочной прямой со статической характеристикой, соответствующей известному IБ, определит рабочий режим схемы, т.е. ток в нагрузке IК, падение напряжения на нагрузке UН=IКRН и падение напряжения на самом транзисторе UКЭ. При увеличении тока базы рабочая точка сместится в точку А при этом изменятся ток в нагрузке и произойдет перераспределение напряжений между нагрузкой и транзистором. Режим, соответствующий точке А, называют режимом насыщения (при заданных значениях RН и EК ток IК в точке А достигает наибольшего возможного значения). Режим, соответствующий точке В (входной сигнал равен нулю), а также точке С (входной сигнал отрицателен и запирает транзистор), называют режимом отсечки. Все промежуточные состояния транзистора с нагрузкой между точками А и В относятся к активному (рабочему) режиму его работы. Лекция 4. Полевой (униполярный) транзистор. Полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на использовании носителей заряда только одного вида (электронов или дырок). Управление током осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля (отсюда второе название транзистора - полевой). В отличие от биполярных транзисторов, в которых ток течет от эмиттера к коллектору через два p-n-перехода, в полевых транзисторах ток течет через канал, который образуется в полупроводнике одного типа и через p-n-переходы не течет. Полевые транзисторы широко используются в усилителях, генераторах и другой электронной аппаратуре, а МОП-транзисторы являются основой для разработки всех современных средств вычислительной техники, включая микропроцессоры, микроконтроллерыи т.д. По способу создания канала различают транзисторы с управляющим p-n-переходом и транзисторы с изолированным затвором. Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом. Полевой транзистор также имеет три электрода: исток (аналог эмиттера)- от которого начинают движение носители заряда, сток (аналог коллектора) – к которому они движутся и затвор (аналог базы). + ЕЗИ - Затвор р Исток Сток p-n-переход канал n-типа UСИ RН IИ - ЕС + Схема с ОИ. Управляющий p-n-переход образуется между каналом и затвором, которые выполняются из полупроводников разных типов. Напряжение между З и И всегда подается обратной полярности, которая запирает p-n-переход. Чем больше запирающее напряжение, тем шире область, занимаемая p-n-переходом (т.е. область, обедненная носителями заряда), тем меньше сечение и проводимость канала, через который может течь ток. Поскольку р-слой имеет большую концентрацию примеси, чем n-слой, изменение ширины p-n-перехода происходит в основном за счет более высокоомного n-слоя (эффект модуляции ширины базы). Условные обозначения: С С З З И И транзистор с n-каналом транзистор с р-каналом Для описания работы полевых транзисторов используют выходные характеристики – зависимость тока стока IС от напряжения между стоком и истоком при фиксированном напряжении между затвором и истоком, называемые также стоковыми. Выходные характеристики для данного вида транзисторов очень похожи на выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. IС UЗИ=0 UЗИ=-1В UЗИ=-2В UСИ, В В отличие от биполярного, работа полевого транзистора может также описываться зависимостью выходного параметра -тока стока IС от входного – управляющего напряжения между затвором и истоком UЗИ. Эти характеристики называются передаточными или стокозатворными. Напряжение UЗИ, при котором канал полностью перекрывается (IС≈0), называется напряжением отсечки UОТС. Поскольку управление выходным током полевых транзисторов производится напряжением входной цепи, представляет интерес так называемая переходная или стоко-затворная ВАХ, которая показывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток. IС,мА UСИ=10 В -600С +850С UОТС 0 UЗИ, В Как видно из рисунка стоко-затворные характеристики зависят от температуры. Так как управляющий p-n-переход всегда заперт, у полевых транзисторов практически отсутствует входной ток. Благодаря этому они имеют очень высокое входное сопротивление и практически не потребляют мощности от источника управляющего сигнала. Этот свойство относится ко всем видам полевых транзисторов, и оно выгодно отличает их от биполярных. Полевые транзисторы с изолированным затвором. В отличие от полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом в полевых транзисторах с изолированным затвором отсутствует электрический контакт между затвором и каналом. Затвор Исток Сток n n+ n+ р Подложка Рис.4.1. Полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом. В зависимости от вида изоляции между затвором и полупроводником различают МДП-транзисторы и МОП-транзисторы. МДП расшифровывается как «металл-диэлектрик-полупроводник», а МОП – «металл-оксид-полупроводник», где под оксидом понимают оксид кремния, который является качественным диэлектриком. Наличие диэлектрика обеспечивает большое входное сопротивление рассматриваемых транзисторов. Области истока и стока имеют высокую концентрацию носителей, что отмечено на рисунке знаком «+». МДП-транзисторы, как и МОП-транзисторы, могут быть выполнены с каналом p- и n-типов. Канал может быть встроенным (т.е. созданным при изготовлении), может быть индуцированным (т.е. наводящимся под влиянием напряжения, приложенного к затвору). Рассмотрим полевой транзистор с встроенным каналом (рис.4.1): канал n-типа соединяет исток и сток (области n+), которые образованы в подложке – полупроводнике р-типа. Строго говоря в МДП- и МОП-транзисторах не три, а четыре электрода, включая подложку, но чаще всего подложку электрически соединяют с истоком (или стоком), образуя три вывода. В зависимости от полярности напряжения UЗИ, в канале может изменяться концентрация основных носителей (здесь – электронов). При отрицательном напряжении UЗИ, электроны выталкиваются из области канала в области n+, канал обедняется носителями и ток стока снижается. Положительное напряжение на затворе наоборот выталкивает электроны из n+- областей в канал и ток IС через канал возрастает. Т.о. управляющее напряжение может быть и положительным и отрицательным, что видно из передаточной характеристики: IС, мА UЗИ,В Выходные характеристики рассматриваемого транзистора аналогичны выход- ным характеристикам биполярного транзистора: IСИ,мА UЗИ=+1 В UЗИ=0 В UЗИ=-1 В UСИ,В Полевой транзистор с индуцированным каналом. Затвор Затвор Исток Сток Исток + Сток n+ n+ n+ n+ p p Подложка Здесь при отсутствии напряжения на затворе канал отсутствует, т.к. n-области истока и стока образуют с p-подложкой два p-n-перехода, включенные навстречу друг другу, значит при любой полярности напряжения UСИ один из переходов будет заперт. Если на затвор подать напряжение больше некоторого значения, называемого пороговым, UЗИ>UЗИпор, то созданное им электрическое поле вытягивает электроны из n+-областей, образуя тонкий слой n-типа в приповерхностной области р-подложки. Этот слой соединяет исток и сток, являясь каналом n-типа. От подложки канал изолирован возникшим обедненным слоем. Т.о. полевые транзисторы с индуцированным n-каналом (N-МОП-транзисторы) управляются только положительным сигналом UЗИ. Значение порогового напряжения у них 0,1...0,2 В. IC,мА IC,мА U”ЗИ> U’ЗИ U’ЗИ UЗИ=0...UЗИпор UЗИпор UЗИ UСИ Значительно больше пороговое напряжение у Р-МОП-транзистора, принцип работы которого аналогичен N-МОП-транзистору. Но в связи с тем, что носителями в нем служат дырки, а не электроны, полярность всех напряжений противоположна N-МОП-транзистору. Значение порогового напряжения этого типа транзисторов составляет 2...4 В. Как и биполярные, полевые транзисторы можно включать по схеме с общим затвором, общим истоком и общим стоком. Как правило используют схему с ОИ, так как она подобно схеме с ОЭ биполярных транзисторов, позволяет получить значительные коэффициенты усиления по току, напряжению и мощности одновременно. Преимущества полевых транзисторов: 1) высокое входное сопротивление в схеме с ОИ; 2) малый уровень собственных шумов, так как перенос тока осуществляюттолько основные для канала носители и, следовательно, нет рекомбинационного шума; 3) высокая устойчивость против температурных и радиоактивных воздействий; 4) высокая плотность расположения элементов при изготовлении интегральных схем. Полевые транзисторы имеют одну интересную особенность: в принципе исток и сток в транзисторах равноправны, т.е. в зависимости от приложенной полярности напряжения исток и сток могут меняться местами. На этом свойстве основано использование полевых транзисторов в качестве электронных ключей вместо обычных контактных переключателей. Сравнивая условные обозначения транзисторов, можно увидеть, что стрелка в них всегда направлена от p-области к n-области, что позволяет установить тип канала полевого транзистора. С С С З З З П И И И а) б) в) С С С П З З З И И И г) д) е) Рис.4.6. Условные обозначения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа (а), p-типа (б) и выводом от подложки (в); с индуцированным каналом n-типа (г), p-типа (д) и выводом от подложки (е). Лекция 5. Тиристоры. Тиристор – это четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт) Основными типами являются диодные и триодные тиристоры. П1 П2 П3 П1 П2 П3 + p1 n1 p2 n2 - + p1 n1 p2 n2 - Анод Катод Анод Катод I Управляющий электрод А А К УЭ К Динистор Тиристор (триодный) В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора от закрытого состояния в открытое достигается с помощью некоторого значения напряжения (является параметром прибора), приложенного между катодом и анодом. В триодных тиристорах управление состоянием прибора производится по цепи третьего – управляющего электрода. Вывод, соединенный с крайней р-областью называется анодом, а с крайней n-областью – катодом. Рассмотрим обратную ветвь ВАХ тиристора, которая снимается при отсутствии тока управления (значит она одинакова и для триодного тиристора и для динистора). Приложение обратного напряжения к тиристору вызывает смещение среднего перехода П2 в прямом направлении, двух крайних П1 и П3 – в обратном. Т.к. П2 открыт, то падение напряжения на нем мало, следовательно обратное напряжение распределяется между П1 и П3. В процессе изготовления тиристора концентрация слоев p2 и n2 намного выше концентрации слоев p1 и n1, поэтому переход П3 получается узким. Обратное напряжение по существу прикладывается к переходу П1, значит обратная ветвь ВАХ тиристора – это обратная ветвь ВАХ перехода П1. Внешнее напряжение U является прямым по отношению к П1 и П3 (переходы открыты), а для перехода П2 – обратным (переход заперт). В результате напряжение U почти полностью приложено к П2 и через тиристор протекает небольшой ток, являющийся обратным током p-n-перехода. С увеличением напряжения между А и К ток через тиристор несколько возрастает (участок ОВ характеристики), а при достижении им значения UВКЛ (параметр прибора) лавинообразно увеличивается, ограничиваясь только сопротивлением нагрузки. I D IУД С B UОТКР UВКЛ UАК Поясним этот процесс. Тиристор можно представить как два биполярных транзистора VT1 и VT2: VT2 - n1 p2 n2 VT1 + p1 n1 p2 IБ1=IК2 VT2 - + VT1 IК1=IБ2 IЭ1 УЭ Небольшое приращение тока эмиттера IЭ1 первого транзистора VT1 вызывает (как в обычном транзисторе) приращение тока коллектора IК1, который, поступая в базу транзистора VT2, вызывает приращение его коллекторного тока IК2 : ∆IК2 = ∆IБ2β2 =∆IК1 β2, где β2- коэффициент передачи тока VT2. Но ток коллектора второго транзистора, как показано на схеме, является базовым для первого транзистора VT1, поэтому ток коллектора IК1, снова возрастает ∆IК1 = ∆IБ1β1 = ∆IК2 β1 = ∆IК1 β2 β1 и т.д. Этот процесс соответствует участку ВАХ с отрицательным сопротивлением (участок ВС) и переводит тиристор в открытое состояние, в котором он ведет себя как диод, к которому приложено прямое напряжение. Чтобы запереть (погасить) тиристор, необходимо каким-то образом уменьшить ток I, протекающий через него, до значения, меньшего удерживающего IУД. Если напряжение U питающее схему, переменное, то тиристор запирается в отрицательный полупериод, когда ток I достигает нуля, если же оно постоянное, то для запирания тиристора меняют полярность напряжения анод-катод. Перевод тиристора из запертого состояния в открытое можно вызвать не только повышением анодного напряжения, но и кратковременным увеличением тока базы в одном из транзисторов его эквивалентной схемы. Для этого от одной из баз делают вывод – управляющий электрод (УЭ). Подавая импульс тока управления IУ, можно вызвать лавинообразное увеличение тока при U