Главная > Русский > Резисторы полупроводниковые диоды транзисторы. Полупроводниковые резисторы


Резисторы полупроводниковые диоды транзисторы. Полупроводниковые резисторы




Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, обладающий односторонней проводимостью. В основе его конструкции лежит равновесный р -n переход. По характеру образования перехода диоды делятся на точечные и плоскостные.

Для преобразования, усиления и генерирования электрических колебаний широкое применение нашли полупроводниковые триоды – транзисторы . Для работы транзистора необходимо иметь два электронно-дырочных перехода, в качестве полупроводника часто используется германий.

В транзисторах, использующих n-р-n переход, полупроводник р -типанаходится между полупроводниками n -типа, Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рисунке 2.7.


Рис. 2.7. Принцип устройства транзистора и изображение транзисторов на схемах.

В данном транзисторе n-р-n типа имеется средняя область с дырочной проводимостью, и две крайние области с электронной проводимостью. Средняя область транзистора называется - базой , одна крайняя область – эмиттером, другая –коллектором. Таким образом, в транзисторе имеется два n-р перехода: эмиттерный – между эмиттером и базой и коллекторный - между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрометров, т.е. область базы должна быть очень тонкой. Это является условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, концентрация примесей в базе всегда значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. На схематических изображениях транзисторов стрелка показывает направление тока (условное, от плюса к минусу) в проводе эмиттера при прямом напряжении на эмиттерном переходе.

Рассмотрим работу транзистора в режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений Е 1 и Е 2 (рис 2.8).

Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном переходе – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно напряжения Е 1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллеткторного перехода велико, и напряжение Е 2 обычно составляет единицы или десятки вольт.

Рис. 2.8. Движение электронов и дырок в транзисторе n-р-n типа.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода, т. е. участка база – эмиттер, существенно влияет на ток коллектора: чем больше это напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменения тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, напряжение между базой и эмиттером Е 1 , т.е. входное напряжение, управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения Е 1 понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера i э . Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды, показанные на рисунке кружочками со знаками « + » и « – ». Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда от эмиттера, т.е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько-то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника Е 1 такое же число электронов. Иначе говоря, в базе не может накапливаться много электронов.

Если бы база имела значительную толщину и концентрация дырок в ней была велика, то большая часть электронов эмиттерного тока, диффундируя через базу, рекомбинировала бы с дырками и не дошла бы до коллекторного перехода.

Под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, в область базы со стороны эмиттера инжектируются электроны, которые для данной области являются неосновными носителями. Не успевая рекомбинировать с дырками при диффузии через базу, они доходят до коллекторного перехода. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллекторному переходу и тем меньше становится его сопротивление. Соответственно увеличивается ток коллектора. Иначе говоря, с увеличением тока эмиттера в базе возрастает концентрация неосновных носителей, инжектированных из эмиттера, а чем больше этих носителей, тем больше ток коллекторного перехода, т.е. ток коллектора i к .

Следует отметить, что эмиттер и коллектор можно поменять местами (так называемый инверсный режим). Но на транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем мощность, рассеиваемая в эмиттерном. Поэтому если использовать эмиттер в качестве коллектора, то транзистор будет работать, но его можно применять только при значительно меньшей мощности, что нецелесообразно. Если площади переходов сделаны одинаковыми (транзисторы в таком случае называют симметричными ), то любая из крайних областей может с одинаковым успехом работать в качестве эмиттера или коллектора.

Мы рассмотрели физические явления в транзисторе типа n-p-n. Подобные же процессы происходят и в транзисторе типа p-n-p, но в нем меняются ролями электроны и дырки, а также изменяются на обратные полярности напряжений и направления токов.

Наиболее распространены три способа включения транзисторов:

- схема с общей базой , когда вход эмиттера и выход коллектора

подключены к общей базе;

- в схеме с общем эмиттером выходная цепь коллектора

подключается к эмиттеру вместо базы;

- схема с общим коллектором , иначе называемая эмиттернымповторилем.

Вывод: 1. Наличие примесей в полупроводниках обуславливает нарушение равенства между количеством дырок и электронов, и электрический ток будет создан преимущественно зарядами одного знака в зависимости оттого, что преобладает в полупроводнике.

2. В основе конструкции любого полупроводникового прибора лежат равновесные р -n переходы.

Подготовлено

Учеником 10 «А» класса

Школы № 610

Ивчиным Алексеем

Реферат на тему:

«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»

1. Полупроводники: теория и свойства
2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3. Типы полупроводниковых приборов
4. Производство
5. Область применения

1.Полупроводники: теория и свойства

Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней

оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко- торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об- разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь. а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи- тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры- вает широкие возможности для практического применения.

Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n- типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис- талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на- зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По- лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон- ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.

Диод.
В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.

Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.

Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.

Транзистор.
Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3.
Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n
-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря- жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе- рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n- перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n- переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь.
Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере.
Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.

3. Типы полупроводниковых приборов.
Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий вид на рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.

4. Призводство
Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают
(диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.

5. Область применения

Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.

Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.

-----------------------

Рисунок 2

Рисунок 1

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковыми диодами называют полупроводниковые приборы с одним электрическим пе­реходом и двумя выводами. Они применяются для выпрям­ления переменного тока, детектирования переменных ко­лебаний, преобразования СВЧ колебаний в колебания промежуточной частоты, стабилизации напряжения в цепях постоянного тока и т. д. По назначению полупро­водниковые диоды делятся на выпрямительные, высоко­частотные, варикапы, стабилитроны и др.

Выпрямительные диоды. Выпрямительные полупро­водниковые диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Основу современных выпрямительных диодов состав­ляет электронно-дырочный переход (ЭДП), который по­лучают методом сплавления или диффузии. В качестве материала применяется германий или кремний.

Для получения больших значений выпрямленных токов в выпрямительных диодах используются ЭДП с большой площадью, поскольку для нормальной работы диода плотность тока через переход не должна превышать 1-2 А/мм 2 .

Такие диоды называют плоскостными. Конструкция плоскостного полупроводникового диода малой мощности приведена на рис. 2.1, а. Для улучшения отвода тепла в диодах средней и большой мощности к их корпусу приваривается винт, с помощью которого диоды крепятся к специальному радиатору или шасси (рис. 2.1, б).

Основной характеристикой выпрямительного диода является еговольт-амперная характеристика (ВАХ). Вид ВАХ зависит от материала полупроводника и темпе­ратуры (рис. 2.2, а и б).

Основными параметрами выпрямительных полупро­водниковых диодов являются:

постоянное прямое напряжение U np при заданном пря­мом токе ;

максимально допустимое обратное напряжение U o 6 p max , при котором диод еще может нормально работать дли­тельное время;

постоянный обратный ток , протекающий через диод при обратном напряжении, равном U o 6 p max ;

средний выпрямленный ток , который может дли­тельно проходить через диод при допустимой темпера­туре его нагрева;

максимально допустимая мощность , рассеивае­мая диодом, при которой обеспечивается заданная на­дежность диода.

По максимально допустимому значению среднего выпрямленного тока диоды делятся на маломощные (), средней мощности () и большой мощности (). Выпрямительные диоды большой мощности называются силовыми.

Маломощные выпрямительные элементы, представляю­щие собой последовательно соединенные выпрямительные полупроводниковые диоды, называют выпрямительными столбами. Выпускаются также выпрямительные блоки, в которых выпрямительные диоды соединяются по опреде­ленной (например, мостовой) схеме.

Выпрямительные полупроводниковые диоды способны работать на частотах 50... 10 5 Гц (силовые диоды - на частотах 50 Гц), т. е. являются низкочастотными.

Высокочастотные диоды. К высокочастотным относятся полупроводниковые диоды, способные работать на час­тотах до 300 МГц. Диоды, работающие на частотах свыше 300 МГц, называют сверхвысокочастотными (СВЧ).

С ростом частоты увеличивается шунтирование диф­ференциального сопротивления обратно смещенного ЭДП зарядной емкостью. Это приводит к уменьшению обрат­ного сопротивления и ухудшению выпрямительных свойств диода. Так как значение зарядной емкости пропорцио­нально площади ЭДП, то для ее уменьшения необходимо уменьшать площадь ЭДП.

Малую площадь перехода имеют микросплавные дио­ды, но их. недостатком является накопление в базе не­основных носителей заряда, инжектируемых в нее при пря­мом включении диода. Это ограничивает быстродействие (частотный диапазон) микросплавных диодов.

Лучшим быстродействием обладают и, следовательно, более высокочастотными являются точечные диоды, спо­собные работать в диапазоне СВЧ. В их конструкции металлическая пружинка диаметром около 0,1 мм острием прижимается к кристаллу полупроводника. Материал пружинки подбирается таким, чтобы работа выхода элект­ронов из него была больше, чем из полупроводника. При этом на границе металл-полупроводник образуется запи­рающий слой, называемый барьером Шоттки - по имени немецкого ученого, исследовавшего это явление. Диоды, работа которых основана на использовании свойств барье­ра Шоттки, называются диодами Шоттки. В них электриче­ский ток переносится основными носителями заряда, вследствие чего отсутствуют явления инжекции и на­копления неосновных носителей заряда.

Высокочастотные и СВЧ диоды применяются для выпрямления высокочастотных колебаний (выпрямитель­ные), детектирования (детекторные), управления уровнем мощности (переключательные), умножения частоты (умножительные) и других нелинейных преобразований электрических сигналов.

Варикапы. Варикапами называют полупроводни­ковые диоды, действие которых основано на использо­вании зависимости емкости от обратного напряжения. Варикапы используются в качестве элемента с электри­чески управляемой емкостью.

Характер зависимости показан на рис. 2.3, а. Эту зависимость называют вольт-фарадной характеристикой варикапа. Основными параметрами

варика­пов являются:

номинальная емкость измеренная при заданном об­ратном напряжении ;

коэффициент перекрытия емкости Кс, определяемый отношением емкостей варикапа при двух значениях об­ратного напряжения;

максимально допустимое обратное напряжение ;

добротность Q B определяемая как отношение реактив­ного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.

Полупроводниковые стабилитроны. Полупровод­никовым стабилитроном называют полупроводни­ковый диод, напряжение на котором сохраняется с опре­деленной точностью при изменении проходящего через него тока в заданном диапазоне. Он предназначен для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.

ВАХ стабилитрона показана на рис. 2.4, а, а услов­ное обозначение - на рис. 2.4, б.

Если ЭДП создать с двух сторон кремниевой пластины, то получится стабилитрон с симметричной ВАХ - сим­метричный стабилитрон (рис. 2.4, в).

Рабочим участком стабилитрона является участок электрического пробоя. При изменении тока, протекаю­щего через стабилитрон, от значения до значения . напряжение на нем мало отличается от значения На этом свойстве основано использование стабили­тронов.

Принцип работы стабилизатора напряжения на крем­ниевом стабилитроне (рис. 2.4, г) заключается в том, что при изменении напряжения U ВХ изменяется ток, протекаю­щий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне и подключенной параллельно ему нагрузке R практически не меняется.

Основными параметрами кремниевых стабилитронов являются:

напряжение стабилизации U ст;

минимальный и максимальный токи ста­билизации;

максимально допустимая рассеиваемая мощность

дифференциальное сопротивление на участке стабили­зации ;

температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

У современных стабилитронов напряжение стабилиза­ции лежит в пределах от 1 до 1000 В при токах стабили­зации от 1 мА до 2 А. Для стабилизации напряжений менее 1 В используется прямая ветвь ВАХ кремниевого диода, называемого стабистором. У стабисторов В. Путем последовательного соединения стабилитро­нов (или стабисторов) можно получить любое требуе­мое напряжение стабилизации.

Дифференциальное сопротивление на участке стаби­лизации примерно постоянно и для большинства стаби­литронов составляет 0,5...200 Ом. Температурный ко­эффициент напряжения может быть положительным (у стабилитронов с ) и отрицательным (у стаби­литронов с U CT < 6 В) и для большинства стабилитронов находится в пределах (- 0,5... + 0,2) %/°С.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярным транзистором (БТ) или просто транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими ЭДП и тремя или более выводами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Электронно-дырочные переходы образуются между тремя областями полупроводника с различными типами электропроводности. В соответствии с порядком чередо­вания р- и n-областей БТ подразделяются на транзисторы типа р- п - р и транзисторы типа п-р - п (рис. 2.5).

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область - эмиттером (Э), а другая - коллекто­ром (К). Обычно концентрация примесей в эмиттере больше, чем в коллекторе. У БТ типа п - р - п база имеет электропроводность р-типа, а эмиттер и коллектор - n-типа.

ЭДП, образованный между эмиттером и базой, на­зывают эмиттерным, а между базой и коллектором - коллекторным.

Режимы работы транзистора. В зависимости от спо­соба подключения эмиттерного и коллекторного ЭДП к источникам питания биполярный транзистор может работать в одном из четырех режимов: отсечки, насы­щения, активном и инверсном.

Эмиттерный и коллекторный ЭДП в режиме отсечки (рис. 2.6, а) смещаются в обратном, а в режиме насы­щения (рис. 2.6, 6) - в прямом направлениях. Кол­лекторный ток в этих режимах практически не зависит от напряжения и тока эмиттера.

Режимы отсечки и насыщения используются при ра­боте БТ в импульсных и ключевых устройствах.

При работе транзистора в активном режиме его эмит-терный переход смещается в прямом, а коллекторный - в обратном направлении (рис. 2.6, в).

Под действием прямого напряжения 11эь в эмиттерной цепи протекает ток , создающий токи коллектора и базы , так что

Коллекторный ток содержит две составляющие: управляемую , пропорциональную току эмит­тера, и неуправляемую , создаваемую дрейфом не­основных носителей через обратно смещенный кол­лекторный переход. Коэффициент пропорциональности называют статическим коэффициентом пере­дачи тока эмиттера. Для большинства современных БТ и более.

Ток базы включает в себя рекомбинационную со­ставляющую , обусловленную электронами, посту­пающими в базу для компенсации положительного за­ряда рекомбинирующих в базе дырок, и неуправляемую составляющую коллекторного тока , так что

При использовании БТ в качестве усилительного элемента один из выводов должен быть общим для вход-ной и выходной цепей. В схеме, приведенной на рис. 2.6, в, общим электродом является база. Такую схему включе­ния БТ называют схемой с общей базой (ОБ) и обычно изображают так, как показано на рис. 2.7, а. Кроме схемы ОБ, на практике также применяются схемы с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК).


В схеме ОЭ (рис. 2.7, б) связь между выходным и входным токами определяется уравнением

Коэффициент называется статическим коэффициент-том передачи тока базы. Он связан с коэффициентом соотношением

При значения находятся в пределах 19...99.

Составляющая представляет собой обратный (неуправляемый) ток коллектора в схеме ОЭ. Этот ток связан с обратным током в схеме


ОБ соотношением

Из соотношения (2.4) следует, что обратный ток кол­лектора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. Это означает, что изменение температуры в схеме ОЭ в большей степени влияет на изменение токов (а значит, и на изменение статических характеристик и параметров), чем в схеме ОБ. Это один из недостатков включения БТ по схеме ОЭ.

При включении БТ по схеме ОК. (рис. 2.7, в) связь между выходным и входным токами определяется соотношением

Из сравнения выражений (2.2) и (2.5) следует, что зависимости между входными и выходными токами БТ в схемах ОЭ и ОК примерно одинаковы. Это позволяет для расчета схем ОЭ и ОК использовать одинаковые характеристики и параметры.

Инверсный режим отличается от активного противо­положной полярностью напряжений, прикладываемых к эмиттерному и коллекторному ЭДП.

Статические характеристики. Статические характери­стики выражают сложные связи между токами и напря

жениями электродов транзистора и зависят от способа его включения.

На рис. 2.8, а показано семейство входных характе­ристик БТ типа n - р - n, включенного по схеме ОЭ, кото­рые выражают зависимость при . При входная характеристика представляет собой


прямую ветвь ВАХ эмиттерного ЭДП. При положитель­ном напряжении коллектора входная характеристика смещается вправо.

Выходные характеристики (рис. 2.8, б) отражают за­висимость при . Крутой участок характеристик соответствует режиму насыщения, а поло­гий - активному режиму. Зависимость между коллектор­ным и базовым токами на пологом участке определяется выражением (2.2).

Малосигнальные параметры статического режима. При работе транзистора в усилительном режиме его свойства определяются малосигнальными параметрами, для которых транзистор можно считать линейным эле­ментом. На практике наибольшее применение получили малосигнальные гибридные или h-параметры. Токи и напряжения при малых амплитудах переменных состав­ляющих в системе h-параметров связаны следующими соотношениями:


- входное сопротивление;

- коэффициент обратной связи по напряжению

- коэффициент прямой передачи по току;

- выходная проводимость.

Параметры и измеряются в режиме короткого замыкания выходной цепи, а параметры и - в ре­жиме холостого хода входной цепи. Эти режимы легко реализуются. Значения h-параметров зависят от способа включения транзистора и на низких частотах могут быть определены по статическим характеристикам. При этом амплитуды малых токов и напряжений заменяются при-ращениями. Так, например, при включении транзистора по схеме с ОЭ формулы для параметров и , опре­деляемых по входным характеристикам в точке А (рис. 2.8, а), записываются в виде:

Параметры и определяются по выходным (рис. 2.8, б) характеристикам по формулам:


Аналогично определяются -параметры при включе­нии транзистора по схеме с ОБ.

Малосигнальные параметры и соответственно называются коэффициентами передачи тока эмиттера и тока базы. Они характеризуют усилительные свойства транзистора по току для переменных сигналов, а их зна­чения зависят от режима работы транзистора и от частоты усиливаемых сигналов. Так, с увеличением частоты уменьшается модуль коэффициента передачи тока базы

Частота, на которой уменьшается в раза по сравнению с его значением на низкой частоте, называется предельной частотой передачи тока базы и обозначается . Частота, на которой умень­шается до 1, называется граничной частотой БТ и обозна­чается . По значению граничной частоты транзисторы подразделяются на низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и сверхвысокочастотные.

ТИРИСТОРЫ

Тиристором называют полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который имеет три и более перехода и может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.

Тиристоры с двумя выводами называют диодными или динисторами, а с тремя выводами - триодными или тринисторами.

Динисторы. Структура динистора состоит из четырех областей полупроводника с чередующимися типами электропроводности , между которыми образуются три ЭДП. Крайние ЭДП являются эмиттер-ными, а средний - коллекторным. Область называют эмиттером или анодом, область - катодом.

Подключение анода динистора к положительному по­люсу внешнего источника , а катода - к отрицатель­ному соответствует прямому включению динистора. При обратной полярности напряжения источника имеет место обратное включение.

При прямом включении динистор можно представить в виде комбинации двух транзисторов р - n - р и n - р - n (рис. 2.9, а) с коэффициентами передачи эмиттерного тока и .

Ток , протекающий через динистор, содержит дыроч­ную инжекционную составляющую транзистора , электронную инжекционную составляю­щую транзистора и обратный ток кол­лекторного перехода, т. е.

Пока , динистор закрыт. При в динисторе развиваются процессы, приводящие к лавинообразному увеличению инжекционных составляющих тока и переключению коллекторного перехода в прямое направление. При этом сопротивление дини- стора резко уменьшается и падение напряжения на нем не превышает 1-2 В. Остальное напряжение источника падает на ограничительном резисторе (рис. 2.9, б).

При обратном включении динистора через него про- текает небольшой обратный ток.

Тринисторы. Тринистор отличается от динистора на- личнем дополнительного управляющего вывода от базо-вой области (рис. 2.10, а). Вывод может быть сделан от любой базы. Источник подключенный к этому выводу, создаёт

ток управления , который складывается с основным током. В результате переключение тринистора из закрытого состояния в открытое происходит при меньшем значении U a (рис. 2.10, б).

В пятислойных структурах путем соответствующего выполнения крайних областей можно получить симметричную ВАХ (рис. 2.10, в). Такой тиристор называют симметричным. Он может быть диодным (диак) или триодным (триак).

Выключение тиристора осуществляется уменьшением (или прерыванием) анодного тока или изменением полярности анодного напряжения.

Рассмотренные тиристоры называются незапираемыми. Существуют также запираемые тиристоры, которые из открытого состояния в закрытое могут быть переведены изменением тока управляющего электрода. Они отли­чаются от незапираемых конструкцией.

Параметры тиристоров. Основными параметрами ти­ристоров являются:

напряжение включения ;

отпирающий ток управления ;

ток выключения ;

остаточное напряжение U np ;

время включения t вкл;

время выключения ;

время задержки t 3 ;

максимальные скорости нарастания прямого напря­жения (du/dt) max и прямого тока (di/dl) max .

Тиристоры широко применяются в управляемых вы­прямителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное (инверторах), стабилизаторах напряжения,

в качестве бесконтактных переключателей, в электропри­водах, устройствах автоматики, телемеханики, вычисли­тельной техники и т. д.

Условные графические обозначения тиристоров по­казаны на рис. 2.11.

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Полевой транзистор (ПТ) - это полупроводни­ковый прибор, усилительные свойства которого обуслов­лены потоком основных носителей заряда одного знака, протекающим через проводящий канал, и который управ­ляется электрическим полем.

Управляющий электрод, изолированный от канала, называют затвором. По способу изоляции затвора по­левые транзисторы делятся на три типа:

1) с управляющим р - n-переходом, или с р - т-за­твором;

2) с металлополупроводниковым затвором, или с затвором Шоттки;

3) с изолированным затвором.

Полевые транзисторы с р - n-затвором. В полевом транзисторе с р- n-затвором (рис. 2.12) канал n-типа изолирован от подложки и затвора р-n-пере-

ходами, которые вследствие выполнения условия обра­зуются, в основном, в канале. При толщина кана­ла наибольшая, и его сопротивление минимальное. Если на затвор подать по отношению к источнику отрицательное напряжение , то р - n-переходы расширятся, тол­щина канала уменьшится, а его сопротивление возрастет. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения , то силой тока I с, протекаю­щего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления канала с помощью напряжения, подавае­мого на затвор. На этом принципе и основана работа ПТ с р - n-затвором.

Основными статическими характеристиками ПТ с р - n-затвором являются передаточные (сток-затворные) и выходные (стоковые) характеристики (рис. 2.13).

Напряжение затвора, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока уменьшается до десятых долей микроампера, называют напряжением отсечки и обозна­чают .

Ток стока при U 3И = 0 называют начальным током стока.

Выходные характеристики содержат крутую, или оми­ческую, и пологую области. Пологая область называется также областью насыщения или областью перекрытия канала.

Ток стока, протекая через канал, создает на его рас­пределенном сопротивлении падение напряжения, которое увеличивает обратные напряжения канал-затвор и ка­нал-подложка, что приводит к уменьшению толщины канала. Наибольшего значения обратные напряжения достигают у границы со стоком, и в этой области сужение канала оказывается максимальным (рис. 2.12). При некотором значении напряжения происходит смыка­ние обоих р- n-переходов в области стока и перекрытие канала. Такое напряжение стока называют напряжением перекрытия или напряжением насыщения (). При подаче на затвор обратного напряжения происходит до­полнительное сужение канала, и его перекрытие наступает при меньшем значении напряжения .

Полевые транзисторы с затвором Шоттки. В ПТ с за­твором Шоттки управление сопротивлением канала осу­ществляется изменением под действием напряжения за­твора толщины выпрямляющего перехода, образованного на границе между металлом и полупроводником. По сравнению с р - n-переходом выпрямляющий переход металл - полупроводник позволяет существенно умень­шить длину канала: до 0,5...1 мкм. При этом значительно уменьшаются и размеры всей структуры ПТ, вследствие чего ПТ с барьером Шоттки способны работать на более высоких частотах - до 50...80 ГГц.

Полевые транзисторы с изолированным затвором. Эти транзисторы имеют структуру металл - диэлект­рик - полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика исполь­зуется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным и со встроенным каналами.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом p-типа (рис. 2.14) области стока и истока р-типа образуют с n-областью подложки два встречно

включенных ЭДП, и при подключении к ним источника любой по­лярности ток в цепи будет отсутствовать. Если же на затвор относительно истока и подложки подать отрица­тельное напряжение, то при достаточном значении этого напряжения в приповерхностном слое полупроводника, расположенном под затвором, произойдет инверсия типа электропроводности и р-области стока и истока окажутся соединенными каналом р-типа. Такое напряжение затвора называют пороговым и обозначают . С увеличением отрицательного напряжения затвора увеличивается глу­бина проникновения инверсионного слоя в полупроводник, что соответствует увеличению толщины канала и умень­шению его сопротивления.

Передаточные и выходные характеристики МДП-тран-зистора с индуцированным каналом р-типа представлены на рис. 2.15. Падение напряжения на сопротивлении канала уменьшает напряжение между затвором

и каналом и толщину канала. Наибольшее сужение канала будет у стока, где напряжение оказывается наименьшим .

В МДП-транзисторах со встроенным каналом между областями стока и истока уже в стадии изготовления создается тонкий приповерхностный слой (канал) с та­ким же типом электропроводности, какую имеют сток и исток. Поэтому в таких транзисторах ток стока , называемый начальным, протекает и при .

Статические выходные и передаточные характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа пока­заны на рис. 2.16.

Дифференциальные параметры ПТ. Кроме рассмотрен­ных выше параметров, свойства ПТ характеризуются дифференциальными параметрами: крутизной передаточ­ной характеристики, или крутизной ПТ; дифференци­альным сопротивлением и статическим коэффициентом усиления.

Крутизна ПТ при характе­ризует усилительные свойства транзистора и для мало­мощных транзисторов обычно составляет несколько мА/В.

Дифференциальное сопротивление при представляет собой сопротивление канала ПТ переменному току.

Крутизну ПТ можно определить по статическим вы­ходным или передаточным характеристикам (рис. 2.16) на основании выражения

а дифференциальное сопротивление - по выходным ха­рактеристикам в соответствии с выражением

Статический коэффициент усиления при обычно рассчитывается по формуле .

Условные графические обозначения полевых тран­зисторов показаны на рис. 2.17.

Полевые транзисторы используются в усилителях с большим входным сопротивлением, ключевых и логи­ческих устройствах, а также в управляемых аттенюато­рах в качестве элемента, сопротивление которого изме­няется под действием управляющего напряжения.


Похожая информация.


Московский Горный Государственный Университет

Реферат

по предмету СХЕМОТЕХНИКА

Полупроводниковые приборы.

(диод, транзистор, полевой транзистор)

ст. гр. САПР-1В-96

Царев А.В.

Москва 1999 г.

Оглавнение

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковые транзисторы.

Полевые МДП транзисторы.

Литература.

Полупроводниковые диоды

Диод - полупроводниковый прибор, пропускающий электрический ток только одного направления и имеющий два вывода для включения в электрическую цепь.

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор p-n- переходом. Рабочий элемент- кристалл германия, обладающий проводимостью n–типа за счёт небольшой добавки донорной примеси Для создания в нём p-n-переходов в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия вглубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область р-типа. Остальная часть германия по-прежнему остаётся n- типа. Между этими двумя областями возникает р-n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. устройство и схематическое изображение полупроводникового диода:

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком - зависимость их параметров от температуры.

Вольт - амперная характеристика диода (при большом напряжении сила тока достигает наибольшей величины- ток насыщения) имеет нелинейный характер, поэтому свойства диода оцениваются крутизной характеристики:


Полупроводниковые транзисторы

Свойства p-n-пеpехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или транзистором.

В полупроводниковом триоде две p-области кристалла разделяются узкой n-областью. Такой триод условно обозначают p-n-p. Можно делать и n-p-n триод, т.е. разделять две n-области кристалла узкой p-областью (рис.).


Триод p-n-p типа состоит из трех областей, крайние из которых обладают дырочной проводимостью, а средняя -электронной. К этим трем областям триода делаются самостоятельные контакты э, б и к, что позволяет подавать разные напряжения на левый p-n-пеpеход между контактами э и б и на правый n-p-пеpеход между контактами б и к.

Если на правый переход подать обратное напряжение, то он будет заперт и через него будет протекать очень малый обратный ток. Подадим теперь прямое напряжение на левый p-n-пеpеход, тогда через него начнёт проходить значительный прямой ток.

Одна из областей триода, например левая, содержит обычно в сотни раз большее количество примеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой ток через p-n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дырок, движущихся слева направо. Попав в n-область триода, дырки, совершающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n-p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в него, переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего слева в n-область.

Если при отсутствии напряжения между точками з и б обратный ток в n-p-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах з и б этот ток почти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n-p-переходе с помощью левого p-n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе. Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p-n-p-триода в качестве усилителя.


При работе триода (рис) к правому переходу подключается сопротивление нагрузки R и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение (десятки вольт), запирающее переход. При этом через переход протекает очень малый обратный ток, а всё напряжение батареи Б прикладывается к n-p-переходу. На нагрузке же напряжение равно нулю. Если подать теперь на левый переход небольшое прямое напряжение, то через него начнёт протекать небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт протекать и через правый переход, создавая падения напряжения на сопротивлении нагрузки R. Напряжение на правом n-p-переходе при этом уменьшается, так как теперь часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.

При увеличении прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток через правый переход и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R. Когда левый p-n-переход открыт, ток через правый n-p-переход делается настолько большим, что значительная часть напряжения батареи Б падает на сопротивлении нагрузки R.

Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям вольта, можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на ней составит значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки вольт. Меняя напряжение, подводимое к левому переходу, на сотые доли вольта, мы изменяем напряжение на нагрузке на десятки вольт. таким способом получают усиление по напряжению.

Усиления по току при данной схеме включения триода не получается, так как ток, идущий через правый переход, даже немного меньше тока, идущего через левый переход. Но вследствие усиления по напряжению здесь происходит усиление мощности. В конечном счете усиление по мощности происходит за счёт энергии источника Б.

Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.

Переход, включаемый в проходном направлении (на рисунках - левый), называется эмиттерным, а переход, включаемый в запирающем направлении (на рисунках - правый) - коллекторным. Средняя область называется базой, левая - эмиттером, а правая - коллектором. Толщина базы составляет лишь несколько сотых или тысячных долей миллиметра.

Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике - теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).

Основные материалы из которых изготовляют триоды - кремний и германий.

Полевые МДП транзисторы.

Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором электрический ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление током осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемым напряжением на управляющем электроде.

В последние годы большое место в электронике заняли приборы, использующие явления в приповерхностном слое полупроводника. Основным элементом таких приборов является структура Металл-Диэллектрик-Полупроводник /МДП/. В качестве диэлектрической прослойки между металлом и полупроводником часто используют слой оксида, например диоксид кремния. Такие структуры носят название МОП-структур. Металлический электрод обычно наносят на диэлектрик вакуумным распылением. Этот электрод называется затвором.

ПТ являются униполярными полупроводниковыми приборами, так как их работа основана на дрейфе носителей заряда одного знака в продольном электрическом поле через управляемый канал n- или p-типа. Управление током через канал осуществляется поперечным электрическим полем, а не током, как в биполярных транзисторах. Поэтому такие транзисторы называются полевыми.

Полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода в зависимости от канала делятся на ПТ с каналом p-типа и n-типа. Канал p-типа обладает дырочной проводимостью, а n-типа – электронной.


Если на затвор подать некоторое напряжение смещения относительно полупроводника, то у поверхности полупроводника возникает область объемного заряда, знак которой противоположен знаку заряда на затворе. В этой области концентрация носителей тока может существенно отличаться от их объемной концентрации.

Заряжение приповерхностной области полупроводника приводит к появлению разности потенциалов между нею и объемом полупроводника и, следовательно, к искривлению энергетических зон. При отрицательном заряде на затворе, энергетические зоны изгибаются вверх, так как при перемещении электрона из объема на поверхность его энергия увеличивается. Если затвор заряжен положительно то зоны изгибаются вниз.


Hа рисунке показана зонная структура n-полупроводника при отрицательном заряде на затворе и приведены обозначения основных величин, характеризующих поверхность; разность потенциалов между поверхностью и объемом полупроводника; изгиб зон у поверхности; середина запрещенной зоны. Из рисунка видно, что в объеме полупроводника расстояние от дна зоны проводимости до уровня Ферми меньше расстояния от уровня Ферми до потолка валентной зоны. Поэтому равновесная концентрация электронов больше концентрации дырок: как и должно быть у n-полупроводников. В поверхностном слое объемного заряда происходит искривление зон и расстояния от дна зоны проводимости до уровня Ферми по мере перемещения к поверхности непрерывно увеличивается, а расстояние до уровня Ферми до потолка валентной зоны непрерывно уменьшается.

Часто изгиб зон у поверхности выражают в единицах kT и обозначают Ys. Тогда при формировании приповерхностной области полупроводника могут встретиться три важных случая: обеднение, инверсия и обогащение этой области носителями заряда. Эти случаи для полупроводников n- и p-типа представлены на рис.

Обедненная область появляется в том случае, когда заряд затвора по знаку совпадает со знаком основных носителей тока. Вызванный таким зарядом изгиб зон приводит к увеличению расстояния от уровня Ферми до дна зоны проводимости в полупроводнике n-типа и до вершины валентной зоны в полупроводнике p-типа. Увеличение этого расстояния сопровождается обеднением приповерхностной области основными носителями. При высокой плотности заряда затвора, знак которого совпадает со знаком заряда основных носителей, по мере приближения к поверхности расстояние от уровня Ферми до потолка валентной зоны в полупроводнике n-типа оказывается меньше расстояния до дна зоны проводимости. Вследствие этого, концентрация не основных носителей заряда /дырок/ у поверхности полупроводника становится выше концентрации основных носителей и тип проводимости этой области изменяется, хотя и электронов и дырок здесь мало, почти как в собственном полупроводнике. У самой поверхности, однако, не основных носителей может быть столько же или даже больше, чем основных в объеме полупроводника. Такие хорошо проводящие слои у поверхности с типом проводимости, противоположным объемному, называют инверсионными. К инверсионному слою вглубь от поверхности примыкает слой обеднения.

Если знак заряда затвора противоположен знаку заряда основных носителей тока в полупроводнике, то под его влиянием происходит притяжение к поверхности основных носителей и обогащение ими приповерхностного слоя. Такие слои называются обогащенными.

В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микроcхем. На рис. схематически показана структура МДП-транзистора с изолированным затвором. Транзистор состоит из кристалла кремния /например n-типа/, у поверхности которого диффузией /или ионной имплантацией/ в окна в оксиде формируются р-области, как показано на рис. Одну из этих областей называют истоком, другую - стоком. Сверху на них наносят омические контакты. Промежуток между областями покрывают пленкой металла, изолированной от поверхности кристалла слоем оксида. Этот электрод транзистора называют затвором. Hа границе между р- и n-областями возникают два р-n-перехода - истоковый и стоковый, которые на рисунке. показаны штриховкой.

Hа рис. приведена схема включения транзистора в цепь: к истоку подсоединяют плюс, к стоку - минус источника напряжения, к затвору - минус источника. Для простоты рассмотрения будем считать, что контактная разность потенциалов, заряд в оксиде и поверхностные состояния отсутствуют. Тогда свойства поверхностной области, в отсутствие напряжения на затворе, ничем не отличаются от свойств полупроводников в объеме. Сопротивление между стоком и истоком очень велико, так как стоковый р-n-переход оказывается под обратным смещением. Подача на затвор отрицательного смещения сначала приводит к образованию под затвором обедненной области, а при некотором напряжении называемом пороговым, - к образованию инверсионной области, соединяющей p-области истока и стока проводящим каналом. При напряжениях на затворе выше канал становится шире, а сопротивление сток-исток - меньше. Рассматриваемая структура является, таким образом, управляемым резистором.

Однако сопротивление канала определяется только напряжением на затворе лишь при небольших напряжениях на стоке. С увеличением носители из канала уходят в стоковую область, обедненный слой у стокового n-p-перехода расширяется и канал сужается. Зависимость тока от напряжения на стоке становится нелинейной.

При сужении канала число свободных носителей тока под затвором уменьшается по мере приближения к стоку. Чтобы ток в канале был одним и тем же в любом его сечении, электрическое поле вдоль канала должно быть, в таком случае, неоднородным, его напряженность должна расти по мере приближения к стоку. Кроме того, возникновение градиента концентрации свободных носителей тока вдоль канала приводит к возникновению диффузионной компоненты плотности тока.

При некотором напряжении на стоке канал у стока перекрывается, при еще большем смещении канал укорачивается к истоку. Перекрытие канала однако не приводит к исчезновению тока стока, поскольку в обедненном слое, перекрывшем канал, электрическое поле тянет дырки вдоль поверхности. Когда носители тока из канала вследствие диффузии попадают в эту область, они подхватываются полем и перебрасываются к стоку. Таким образом, по мере увеличения напряжения на стоке чисто дрейфовый механизм движения носителей тока вдоль канала сменяется диффузионно-дрейфовым.

Механизм протекания тока в МДП-транзисторе при сомкнутом канале имеет некоторые общие черты с протеканием тока в обратно-смещенном n-p-переходе. Напомним, что в n-p-переходе неосновные носители тока попадают в область пространственного заряда перехода вследствие диффузии и затем подхватываются его полем.

Как показывают теория и эксперимент, после перекрытия канала ток стока практически насыщается. Значение тока насыщения зависит от напряжения на затворе чем выше, тем шире канал и тем больше ток насыщения. Это типично транзисторный эффект - напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи). Характерной особенностью МДП-транзисторов является то, что его входом служит конденсатор, образованный металлическим затвором, изолированным от полупроводника.

На границе раздела полупроводник - диэлектрик в запрещенной зоне полупроводника существуют энергетические состояния, называемые поверхностными или, точнее, состояниями граници раздела. Волновые функции электронов в этих состояниях локализованы вблизи поверхности раздела в областях порядка постоянной решетки. Причина возникновения рассматриваемых состояний состоит в неидеальности граници раздела полупроводник - диэллектрик (оксид). На реальных границах раздела всегда имеется некоторое количество оборванных связей и нарушается стехиометрия состава оксидной пленки диэллектрика. Плотность и характер состояний граници раздела существенно зависят от технологии создания диэллектрической пленки.

Наличие поверхностных состояний на границе раздела полупроводник-диэллектрик отрицательно сказывается на параметрах МДП-транзистора, так как часть заряда, наведенного под затвором в полупроводнике, захватывается на эти состояния. Успех в создании полевых транзисторов рассматриваемого типа был достигнут после отработки технологии создания пленки на поверхности кремния с малой плотностью состояний границы раздела.

В самом оксиде кремния всегда существует положительный "встроенный" заряд, природа которого до сих пор до конца не выяснена. Значение этого заряда зависит от технологии изготовления оксида и часто оказывается настолько большим, что если в качестве подложки используется кремний р-типа проводимости, то у его поверхности образуется инверсионный слой уже при нулевом смещении на затворе. Такие транзисторы называются транзисторами со ВСТРОЕННЫМ КАНАЛОМ. Канал в них сохраняется даже при подаче на затвор некоторого отрицательного смещения. В отличие от них в транзисторах, изготовленных на n-подложке, в которой для образования инверсионного слоя требуется слишком большой заряд оксида, канал возникает только при подаче на затвор напряжения, превышающего некоторое пороговое напряжение. По знаку это смещение на затворе должно быть отрицательным для транзисторов с n-подложкой и положительным в случае p-подложки.

При больших напряжениях на стоке МДП-транзистора область объемного заряда от стоковой области может распространиться настолько сильно, что канал вообще исчезнет. Тогда к стоку устремятся носители из сильно легированной истоковой области, точно так же как при "проколе" базы биполярного транзистора.

Литература:

"Твердотельная электроника" Г.И.Епифанов, Ю.А.Мома.

“Электроника и Микросхемотехника” В.А. Скаржепа, А.Н. Луценко.

Подготовлено

Учеником 10 «А» класса

Школы № 610

Ивчиным Алексеем

Реферат на тему:

«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»

1. Полупроводники: теория и свойства

2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

3. Типы полупроводниковых приборов

4. Производство

5. Область применения

1.Полупроводники: теория и свойства

Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней

оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные

с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно

четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью

паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании

этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко-

торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при

своем движении большую часть времени проводят в пространстве между

соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними,

и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.

Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Электронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и

наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.

Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных

электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.

Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один

из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об-

разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь.

а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким

образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них

при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает

дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию

примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того

или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с

преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи-

тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры-

вает широкие возможности для практического применения.

Донорные примеси.

Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во

много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не

достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис-

талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на-

зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля

дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По-

лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон-

ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.

В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорной примеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомных растояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхности германия преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образца германии, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоеденение диода.

Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.

Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.

Транзистор.

Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении

левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n -перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря-

жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе-

рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.

3. Типы полупроводниковых приборов.

Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий вид на рисунке 5.

Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.

4. Призводство

Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками

После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.

5. Область применения

Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.

Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.