Лекции по электронике2. Е. Ю. Салита
 Скачать 10.66 Mb.
|
|
4.1. Зеннеровский пробой Зеннеровский пробой (иногда в литературе встречается термин «пробой Зинера») возникает при высоких значениях напряженности электрического поля в ЭДП (Езен 7105 В/см) и сопровождается туннельным переходом валентных электронов в зону проводимости. Под действием поля электроны полупроводника могут вырываться из своих связей с атомами в кристаллической решетке, вследствие чего образуется большое число пар «электрон-дырка». При этом резко увеличивается число неосновных носителей электричества и возрастает создаваемый ими обратный ток через переход. Этот процесс аналогичен холодной эмиссии электронов из металла под действием сильного электрического поля. Характерен для приборов с узким p-n-переходом и высокой концентрацией примесей. Туннельный пробой обратим, если резкое нарастание обратного тока ограничивается внешней цепью. 4.2. Лавинный пробой Лавинный пробой возникает при меньших напряженностях электрического поля (Елав < Езен) и является следствием ударной ионизации атомов полупроводника. При определенных значениях напряженности электрического поля энергия неосновных носителей электричества, движущихся через p-n- переход, оказывается достаточной для того, чтобы при столкновении их с атомами кристаллической решетки происходил разрыв валентных связей этих атомов со своими электронами. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки, которые в свою очередь разгоняются полем и создают всевозрастающее число носителей электричества. Процесс ионизации повторяется, характеризуется лавинным размножением носителей и приводит к значительному возрастанию обратного тока через переход. Лавинный пробой происходит в приборах с широким ЭДП, при прохождении которого неосновные носители успевают приобрести достаточно высокую скорость. Пробой не приводит к разрушению полупроводниковой структуры, если обратный ток ограничен наличием внешней цепи. 4.3. Тепловой пробой Тепловой пробой возникает при меньших напряженностях электрического поля (Етепл < Елав). Он обусловлен плохим отводом тепла от p-n-перехода, который может нагреться до такой температуры, при которой возможен разрыв валентных связей атомов кристаллической решетки со своими электронами за счет тепловой энергии. Это приводит к увеличению числа неосновных носителей, возрастанию обратного тока через переход и, как следствие, к еще большему нагреву и росту тока. Тепловой пробой возникает при значительных перегрузках. Однако при плохом отводе тепла он возникает даже при небольших токах и малых обратных напряжениях. Неоднородность структуры диода способствует возникновению теплового пробоя вследствие неравномерного распределения прямого тока по площади ЭДП. 4.4. Поверхностный пробой Поверхностный пробой обусловлен наличием зарядов в зоне выхода p-n-перехода на поверхность. Эти заряды искажают поле у границы перехода, повышая или понижая напряженность поля, и, соответственно, изменяют ширину запорного слоя в зоне выхода перехода на поверхность полупроводника. У самой поверхности кристаллическая решетка обрывается, атомы, расположенные у поверхности, имеют незаполненные связи. Кроме того, имеются различные примесные атомы. Это приводит к окислению поверхности и образованию оксидной пленки, поглощающей из окружающей среды водяной пар и газы. На поверхности раздела между полупроводником и оксидным слоем молекулы воды диссоциируют, и пленка отдает или захватывает электроны. Изменение их числа в области, прилегающей к поверхности, вызывает образование слоя, знак проводимости которого противоположен знаку основных носителей зарядов в объеме полупроводника. Таким образом, между слоем и полупроводником возникает разность потенциалов. Для борьбы с этим снимается фаска под некоторым углом к плоскости структуры с p-n-переходом, поверхность диода очищают и наносят изолирующее покрытие из специального компаунда. Это покрытие выбирается так, чтобы знак поверхностных зарядов совпадал со знаком основных носителей зарядов высокоомной области полупроводника. Вследствие этого напряженность поля поверхности перехода будет ниже, чем в объеме. Кроме того, для защиты от внешних воздействий диод помещают в герметизированный корпус, иногда заполняемый инертным газом. 5. Основные типы полупроводниковых диодов Полупроводниковые диоды подразделяют на группы по многим признакам. Бывают диоды из различных полупроводниковых материалов, предназначенные для низких или высоких частот, для выполнения различных функций и отличающиеся друг от друга по конструкции. Классификация и условные графические обозначения диодов представлены на рис. 5.1.  Рис. 5.1. Классификация и условные графические обозначения диодов В зависимости от структуры различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n-перехода, равны толщине перехода или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше его толщины. 5.1. Устройство точечных диодов Точечные диоды выполнены в виде тонкой пластинки из полупроводника n-типа. Пластинку покрывают тонким слоем металла и припаивают к металлическому основанию. В противоположную сторону пластинки упирается острие тонкой контактной пружины из вольфрамовой или стальной проволоки. Острый конец проволоки покрывают слоем индия или алюминия, который является акцепторной примесью и обеспечивает создание около острия области с p-типом проводимости. Между этой областью и основной массой полупроводника образуется p-n-переход площадью 10-12 мкм2. Диоды монтируют в стеклянном, коваровом или металлическом герметичном корпусе (ковар – магнитный сплав железа (531%) с кобальтом (18 %) и никелем (29 %), обладающий низким температурным коэффициентом расширения, близким к температурному коэффициенту расширения стекла). На концах его установлены коваровые трубки с выводами. Для улучшения вентильных свойств после сборки диоды подвергают электрической формовке путем пропускания импульсов тока. При формовке происходит частичное расплавление и диффузия атомов индия или алюминия в основной полупроводник. Из-за малой площади контакта прямой ток точечных диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная емкость, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот (СВЧ – диоды). В основном точечные диоды используют для выпрямления. 5.2. Устройство плоскостных диодов В плоскостных диодах основным элементом является пластинка из германия или кремния, в которой методом сплавления или диффузии создан плоский по форме p-n-переход. В плоскостных германиевых диодах, получаемых сплавным методом, в пластинку из германия с n-проводимостью вплавляют каплю индия. При нагреве индий плавится и диффундирует в основной полупроводник, образуя в нем область с p-проводимостью. На границе между p- и n-областями создается ЭДП значительно большей площади, чем в точечном диоде с гораздо большим прямым током. В плоскостных кремниевых диодах в пластинку с n-проводимостью вплавляют алюминиевый столбик, который создает область с p-типом проводимости. Для получения в кремнии сильно легированной зоны с n-проводимостью одну из сторон пластинки перед операцией сплавления покрывают фольгой (или напыляют слой сурьмянистого золота). Такой p-n-переход может изменять свои электрические характеристики под влиянием атмосферных воздействий, влаги и загрязнений. Для защиты диода от внешней среды пластинку из полупроводника вместе с припаянными к ней выводами устанавливают в металлический корпус, который затем герметизируют. Корпус также защищает полупроводниковый элемент от механических повреждений и обеспечивает нормальную работу диода в условиях вибрации, тряски и ударов. В верхней части корпуса монтируют стеклянный изолятор, через который проходит выводная трубка. Для лучшего отвода тепла в некоторых плоскостных диодах применяют охладители – металлические пластинки из меди или алюминия, платы или специальные радиаторы. Выпрямительный полупроводниковый диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока. Маломощные выпрямительные диоды и диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют конструкцию, аналогичную конструкции точечных диодов. На тяговых подстанциях и электроподвижном составе применяют мощные силовые кремниевые плоскостные диоды. 5.3. Условное обозначение силовых диодов Условное обозначение силовых диодов в соответствии с ГОСТ 20859.1-79 состоит из букв и цифр, указывающих его вид, подвид, модификацию, максимальный (предельный) ток в амперах, класс повторяющегося напряжения в сотнях вольт, группу по времени восстановления и пределы импульсного прямого напряжения. Условное обозначение силовых диодов состоит из блоков, представленных на рис. 5.2. - X - - - 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. 5.2. Условные обозначения силовых диодов в виде блоков Блоки на рис. 5.2 обозначают следующее: 1 – буква, указывающая вид и подвид (Д – диод, ДЛ – диод лавинный); 2 – порядковый номер модификации конструкции; 3 – цифра, кодирующая размер под ключ или диаметр таблетки; 4 – цифра, кодирующая исполнение корпуса диода (если 1 – штыревой с гибким выводом, 2 – штыревой с жестким выводом, 3 – таблеточный, 4 – под запрессовку, 5 – фланцевый); 5 – средний прямой ток, А; X – знак обратной проводимости; 6 – класс; 7 – группа по времени обратного восстановления; 8 – предел по импульсному прямому напряжению. Например, Д161-200X-12-1,25-1,35 – диод штыревого исполнения с гибким выводом, номер модификации конструкции – 1, размер шестигранника под ключ для шестой группы – 32 мм, максимально допустимый средний прямой ток 200 А, обратной полярности, двенадцатого класса, с ненормируемым временем обратного восстановления и импульсным прямым напряжением в диапазоне 1,25-1,35 В. 5.4. Условное обозначение маломощных диодов Маркировка диодов, рассчитанных на сравнительно небольшие токи (до 10 А) состоит из четырех элементов. Первый элемент – буква (или цифра), обозначающая материал, из которого выполнен диод (Г или 1 – германий; К или 2 – кремний; А или 3 – арсенид галия). Второй элемент – буква, обозначающая тип прибора (Д – диоды; А – сверхвысокочастотные диоды; С – стабилитроны; И – туннельные диоды). Третий элемент – порядковый номер разработки прибора, характеризующий его мощность рассеяния (среднее значение прямого тока). Выпрямительные диоды малой мощности (ток не более 0,3 А) имеют номера разработки от 101 до 199; средней мощности (ток 0,3-10 А) – от 201 до 299; большой мощности (свыше 10 А) – от 301 до 399. Универсальные диоды имеют номера от 401 до 499, а импульсные диоды – от 501 до 599. Четвертый элемент – буква (А, Б, В и т.д.), характеризующая номинальное обратное напряжение диода. Например, диод КД215А – кремниевый выпрямительный диод средней мощности, а диод – ГД110Б – германиевый выпрямительный диод малой мощности. 5.5. Конструкция штыревых силовых диодов При изготовлении диодов в пластину из кремния диффузионным способом вводят с одной стороны акцепторную примесь из бора, с другой – донорную примесь из фосфора. При высокой температуре атомы бора и фосфора диффундируют в кремний и на разделе слоев образуют ЭДП. Толщина пластины составляет 0,4-0,5 мм, площадь ее обеспечивает плотность тока 0,5-11А/мм2. Для защиты хрупкого p-n-перехода от тепловых и механических напряжений пластину из кремния (диаметром 25 мм – для диода на 200 А и диаметром 28 мм – для диода на 320 А) припаивают с обеих сторон к двум вольфрамовым пластинам, выполняющим роль термокомпенсаторов. Выпрямительный элемент диода монтируется в герметичном корпусе, который защищает ЭДП от проникновения влаги, грязи и прочего, что ведет к ухудшению характеристик вентиля. Выводами диода являются основание корпуса (катод) и гибкий анодный вывод, проходящий через стальную крышку корпуса внутри стеклянного изолятора. Выводы диода припаиваются к вольфрамовым пластинам, ко второму концу гибкого вывода припаивают выводной гибкий шунт с наконечником (анод). Это облегчает сборку диода и не создает механических усилий на ЭДП. Для увеличения интенсивности охлаждения диода к его корпусу прикрепляют алюминиевый или медный ребристый охладитель. В основании корпуса имеется стержень (штырь – откуда и название вентиля) с резьбой, который ввертывают в охладитель. Диод может работать с номинальным током только при наличии охладителя и обдуве его воздухом. На электроподвижном составе применяется принудительная система охлаждения со скоростью охлаждающего воздуха 12 м/с. На тяговых подстанциях эксплуатируются вентильные конструкции типа УВКЭ-1(1М) и ПВЭ-3(3М) с принудительной системой охлаждения со скоростью охлаждающего воздуха 10 м/с. При таких скоростях исключается засорение охлаждающей системы, а затраты мощности на принудительное охлаждение не превышают 0,5 % от мощности установки. Диоды с жидкостным водяным охлаждением вследствие ряда недостатков (трудоемкий монтаж, ухудшение теплообмена из-за отложения солей, необходимости подогрева охлаждающей системы в зимний период и т.д.) на тяговых подстанциях и электроподвижном составе в настоящее время не применяют. Преобразователи тяговых подстанций типа ПВКЕ-2, ПВЭ-5 и ТПЕД имеют естественное воздушное охлаждение. Преобразователи тяговых подстанций типа В-ТПЕД и блоки БСЕ (БДС) имеют испарительно-конденсатную систему охлаждения с использованием радиаторов на базе тепловых трубок. 5.6. Лавинные диоды Лавинным диодом называется диод с контролируемым напряжением лавинообразования. При воздействии обратного напряжения большего, чем напряжение пробоя происходит резкое возрастание обратного тока. Этот ток распределяется равномерно по поверхности p-n-перехода. Так как этот ток не сосредоточивается в отдельных точках, то не происходит местного теплового пробоя. При этом наступает равномерный лавинный пробой, т.е. электрический разряд через диод. При таком разряде напряжение на диоде поддерживается на прежнем уровне и в p-n-переходе может выделяться энергия, значительно большая, чем в обычных диодах. Таким образом, лавинные диоды способны выдерживать напряжение лавинообразования, вследствие чего перенапряжения прикладываются к другим элементам электрической цепи, менее чувствительным к ним. Основу лавинного диода составляет кремниевый выпрямительный элемент, заключенный в герметичный корпус. Конструкция лавинного диода – примерно такая же, как у обычного силового диода (рис. 5.2). На рис. 5.2 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины; 2 – область проводимости p-типа; 3 – защитное (охранное) кольцо; 4 – область проводимости n-типа. ЭДП изготавливают путем диффузии алюминия, бора и фосфора в кремний по технологии, обеспечивающей однородный состав кремния с равномерным размещением в нем примесей и структурных дефектов (дислокаций), вследствие чего достигается равномерное распределение проводимости по всей площади перехода. При таком выполнении ЭДП с ростом обратного тока увеличивается число локальных участков пробоя (микроплазм), через которые протекает ток. При этом уменьшается плотность тока микроплазм на каждом участке и не происходит теплового пробоя. Таким образом, лавинные диоды при пробое могут рассеивать большую мощность, чем диоды нелавинные.  Рис. 5.2. Конструктивное исполнение лавинного вентиля В кремниевых нелавинных диодах слабыми местами, где лавинный пробой обычно переходит в тепловой, являются участки ЭДП по периметру полупроводникового элемента (структурные дефекты), через которые и проходит в основном обратный ток. Чтобы предотвратить возможность такого поверхностного пробоя в лавинном диоде, его ЭДП придают ступенчатую форму. Концентрация примесей в охранном кольце делается значительно меньшей, чем в центральной части, а толщина диффузионного слоя большей (в области защитного кольца она составляет 120-160 мкм, а в центральной части – 60-80 мкм). В результате напряжение пробоя для алюминиевого перехода оказывается большим, чем для борного, что исключает вероятность поверхностного пробоя. Таким образом, в лавинном диоде при достижении напряжения пробоя основная часть обратного тока определяется лавинным увеличением числа носителей электричества в центральной (низковольтной) части ЭДП, в которой ток распределяется равномерно по его поверхности. Наружное (высоковольтное) кольцо при этом напряжении не пробивается, поэтому диод не выходит из строя. Отечественные диоды имеют керамический корпус. Герметичность диода обеспечивается уплотнительным кольцом. Анодом лавинного диода служит основание корпуса, катодом – гибкий вывод с наконечником. Для повышения рабочего тока диода необходимо улучшать теплоотвод, т.е. улучшать охлаждение полупроводникового элемента, увеличивать площадь p-n-перехода и уменьшать механические напряжения, возникающие в кремниевой пластине в результате теплового расширения при прохождении тока. Все это использовано при создании диодов таблеточной конструкции. 5.7. Конструкция таблеточных диодов В таком диоде выпрямительный элемент помещен в металлокерамический корпус между двумя медными основаниями, обладающими повышенной тепло- и электропроводностью. В отличие от диодов штыревой конструкции его не припаивают к основаниям, а прижимают к ним через вольфрамовые пластины при сборке на заводе. Прижимные контакты позволяют снизить механические напряжения, возникающие в элементе при резких изменениях температуры. В результате этого, а так же благодаря двухстороннему отводу тепла, повышается стойкость диодов к перегрузкам. Вентили таблеточной конструкции в отличии от вентилей штыревой конструкции не ввинчивают в охладители, а зажимают контактными поверхностями между двумя половинками охладителей, изолированными друг от друга и имеющими большую (развитую) поверхность охлаждения. Выпрямительные установки тяговых подстанций и электроподвижного состава комплектуются в основном лавинными диодами. При применении лавинных диодов отпадает необходимость в применении специальных средств защиты диодов от перенапряжения и сами диоды могут быть выбраны с меньшим запасом по напряжению по сравнению с нелавинными, имеющими то же значение напряжения пробоя. 5.8. Стабилитрон Стабилитрон – полупроводниковый диод, предназначенный для стаби-лизации напряжения. Иногда стабилитрон называют опорным диодом, так как полученное от него стабильное напряжение в ряде случаев используется как эталонное. По принципу работы и ВАХ стабилитрон аналогичен лавинному диоду. Отличительной особенностью стабилитрона является наличие на обратной ветви ВАХ (рис. 5.3) области электрического пробоя p-n-перехода (участок аб), на которой напряжение на диоде практически не меняется, что позволяет использовать диод для стабилизации напряжения.  Рис. 5.3. Вольт-амперная характеристика стабилитрона При обратных токах, меньших чем Iст.макс состояние пробоя не приводит к порче диода. При больших токах происходит недопустимый нагрев вентиля и он выходит из строя. Чтобы лавинный пробой происходил равномерно по всей поверхности структуры, для изготовления стабилитронов используют кремний с высокой степенью очистки. Напряжение, при котором возникает пробой, зависит от ширины p-n-перехода и удельного сопротивления материала. Изменяя это сопротивление и параметры технологического процесса (температуру, степень насыщенности примесями и т.д.) можно получить различные значения напряжения стабилизации. Примерами использования стабилитрона могут служить:
 Рис. 5.4. Схема стабилизации постоянного напряжения Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение. На схеме Rогр – ограничивающий резистор, служащий для ограничения тока через стабилитрон. При увеличении входного напряжения Uвх увеличивается ток стабилизации Iст и падение напряжения ∆U на резисторе Rогр. Напряжение на выходе Uвых, на стабилитроне и Rн, остается почти неизменным. При изменении сопротивления нагрузки Rн происходит перераспределение тока между сопротивлением нагрузки и стабилитроном, но напряжение на выходе не изменяется. В кремниевых стабилитронах напряжение стабилизации возрастает с увеличением температуры. Для компенсации этого изменения последовательно со стабилитроном включают термистор Rт, нелинейное сопротивление которого уменьшается с ростом температуры. Такое включение позволяет сделать напряжение стабилизации независимым от температуры.
Стабилитрон VD включают параллельно нагрузке, на зажимах которой требуется поддерживать стабильное напряжение. В системах автоматики стабилитрон часто используют в качестве датчика, реагирующего на изменение напряжения. Если входное напряжение Uвх возрастет выше определенного уровня, стабилитрон пробивается и через включенный последовательно с ним прибор (например, катушку реле), начинает протекать ток I, при этом подается сигнал на срабатывание соответствующих устройств.  Рис. 5.5. Датчик, реагирующий на изменение напряжения К основным параметрам стабилитрона относятся: 1) напряжение стабилизации Uст – соответствует значению в точке р (рабочая точка) на середине рабочего участка аб (рис. 5.3). В настоящее время стабилитроны изготавливают на напряжение от 5 до 400 В, при токе стабилизации от 4000 до 100 мА; 2) минимальный Iст.мин и максимально допустимый Iст.макс токи стабилизации. Значение Iст.мин определяется необходимой устойчивостью работы, так как при Iобр Iст.мин лавинный пробой может быть неустойчивым. При значении Iобр Iст.макс происходит сильный нагрев диода и повреждение его от теплового пробоя; 3) динамическое сопротивление стабилитрона rт (rдин) определяется по выражению:   (5.1)Чем меньше rт, тем лучше стабилизация; 4) температурный коэффициент напряжения ТКН (TKU). Характеризует изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на 1 С. С возрастанием температуры напряжение стабилизации изменяется. Температурный коэффициент напряжения определяется по выражению:  , [%/С]. (5.2)Температурный коэффициент напряжения положителен для стабилитронов, работающих при высоких значениях напряжения (больше 5 В), и отрицателен для низковольтных стабилитронов (напряжение стабилизации меньше 51В). Это объясняется различием в механизме пробоя широких (на более высокие напряжения) и узких (низковольтных) p-n-переходов. В широких переходах имеет место лавинный пробой, а в узких – зеннеровский.  Рис. 5.6. Зависимость обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона от температуры При необходимости стабилитроны можно соединять последовательно, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилитронов: Uст = Uст1 + Uст2 + ... + Uст n. (5.3) Параллельное соединение стабилитронов недопустимо, так как из всех параллельно соединенных стабилитронов ток будет только в одном, имеющем наименьшее напряжение стабилизации. Конструктивно стабилитроны выполняются аналогично лавинным выпрямительным диодам. Двухсторонние стабилитроны. Эти приборы предназначены для ограничения напряжений на элементах электрических цепей и выполняет роль разрядников в электротехнических устройствах. Условное обозначение и конструктивное исполнение двухстороннего стабилитрона изображены на рис. 5.7 а, б соответственно. Прибор можно представить в виде двух встречно-включенных лавинных диодов со структурой p-n-p, имеющей два p-n-перехода. Технология изготовления прибора аналогична технологии изготовления лавинных диодов и обеспечивает получение на элементе двух защитных колец.  а б вРис. 5.7. Условное обозначение двухстороннего стабилитрона (а), его конструктивное исполнение (б) и воль-тамперная характеристика (в) На рис. 5.7 цифрами обозначено: 1 – вольфрамовые пластины (термокомпенсаторы), 2 – защитные кольца, 3 – области проводимости p-типа, 4 – область проводимости n-типа. ВАХ двухстороннего стабилитрона (рис. 5.7, в) представляет сочетание двух обратных ветвей встречно-включенных лавинных диодов, расположенных симметрично относительно начала координат. Максимальная энергия импульса, рассеиваемая двухсторонним стабилитроном, составляет 5-10 Дж, а уровень напряжения стабилизации (лавинообразования) – от 400 до 2500 В. Приборы могут работать при частоте до 5001Гц. Двухсторонние стабилитроны подключают к двум точкам, между которыми действует напряжение, подлежащее ограничению. Их выпускают таблеточной и штыревой конструкции. 5.9. Туннельный диод В электрических установках, работающих при высокой частоте, в устройствах автоматики и телемеханики, радиоаппаратуре, ЭВМ, применяют туннельные диоды (ТД). Туннельные диоды предложены японским физиком Есаки (Эсаки) в 1958 г. ТД представляет собой полупроводниковый прибор с p-n-переходом, образованным материалами с высокой концентрацией атомов примесей. Электропроводность таких полупроводников приближена к электропроводности металла. Условное обозначение туннельного диода и его вольтамперная характеристика приведены на рис. 5.8. Туннельные диоды изготавливаются из германия и арсенида галлия и обладают так называемой N-образной ВАХ.  а б Рис. 5.8. Условное обозначение туннельного диода (а) и его вольт-амперная характеристика (б) Особенностями туннельных диодов являются:
Эти особенности получены в результате использования сильно легированных полупроводниковых материалов (концентрация примесей составляет 1019-1020 атомов на см3). Такие полупроводники обладают очень малым удельным сопротивлением (в сотни или тысячи раз меньше, чем в обычных диодах) и называются вырожденными. Если приложить к ЭДП обратное напряжение, то напряженность электрического поля в нем возрастет еще больше и оно окажется способным вырывать валентные электроны из кристаллической решетки полупроводника p-типа, отрывать их от атомов и перебрасывать через p-n-переход в полупроводник n-типа, где они становятся основными носителями электричества. В отличие от обычного диода в ТД электроны перемещаются непосредственно из валентной зоны одного полупроводника в свободную зону другого. Энергия, которой они обладают, недостаточна для преодоления потенциального барьера p-n-перехода, и они проходят сквозь этот барьер под действием электрического поля высокой напряженности (более 105 В/см) по определенным каналам (туннелям). Такой механизм прохождения электрона через узкий p-n-переход называется туннельным эффектом. Так как число электронов в валентных связях полупроводника так же велико, как и число свободных электронов в металле, то при включении туннельного диода в обратном направлении его ВАХ принимает вид металлического проводящего контакта (в ней отсутствуют участки запирания с малым обратным током). Если к диоду приложить напряжение прямой полярности Uпр, то поле в ЭДП несколько ослабнет, но будет еще достаточным для создания туннельного эффекта. При большем увеличении Uпр туннельный эффект начинает исчезать, что приводит к появлению падающего участка аб на прямой ветви ВАХ с отрицательным сопротивлением (рис. 5.8, б). При дальнейшем повышении Uпр туннельный эффект полностью исчезает и происходит обычный процесс прохождения тока через p-n-переход и ВАХ становится как у обычного диода. Туннельный диод нельзя использовать для выпрямления переменного тока, так как он обладает высокой проводимостью при обратном включении. Его применяют для создания и усиления электрических колебаний. На участке аб (рис. 5.8, б) диод имеет отрицательное сопротивление, которое не вносит дополнительных потерь в электрическую цепь, а компенсирует потери энергии в других элементах за счет энергии источника питания. Поэтому если положительное сопротивление ослабляет электрические сигналы, то отрицательное может их усиливать. Преимущества ТД как усилителя сигналов: малые размеры, способность работать в широком диапазоне температур и на очень высоких частотах (до 40000 МГц), высокая температурная стабильность и малое потребление энергии. Основными параметрами ТД являются: 1) Un, In – напряжение и ток пика соответственно – параметры в точке а на ВАХ (рис. 5.8, б); 2) Uв, Iв – напряжение и ток впадины – параметры в точке б на ВАХ; 3) Unn – напряжение на второй восходящей части ВАХ, большее напряжения впадины, при котором ток равен пиковому – точка в на ВАХ; 4) отношение тока пика к току впадины In/Iв. Для выпускаемых диодов In = 0,1-1000 мА, In/Iв = 3-30. 5.10. Обращенный диод Обращенный диод – диод на основе полупроводника с несколько меньшей концентрацией примеси, чем у туннельного диода, при которой туннельный эффект при прямом напряжении выражен слабо (или совсем отсутствует), а при обратном напряжении проявляется как у туннельного диода. Условное обозначение и вольтамперная характеристика обращенного диода изображены на рис. 5.9.  а б Рис. 5.9. Условное обозначение обращенного диода (а) и его вольт-амперная характеристика (б) У обращенного диода обратная ветвь характеристики используется в качестве прямой, а прямая – в качестве обратной (отсюда и название диода). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение Uпр0,3 В, то прямой ток будет приблизительно равен нулю. При небольшом обратном напряжении (десятки мВ) обратный ток достигает значений нескольких миллиампер. 5.11. Варикап Варикап – полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения. Варикап применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Название образовано от английских слов «capacity», «capacitance» – электрическая емкость, емкостное сопротивление. Изготавливается из кремния. Условное графическое обозначение варикапа и зависимость емкости от обратного напряжения приведены на рис. 5.10.  а б Рис. 5.10. Условное обозначение варикапа (а) и зависимость емкости от обратного напряжения (б) Основными параметрами варикапа являются: 1) общая емкость Св, которая фиксируется при небольшом значении обратного напряжения (Uобр = 2-5 В); 2) коэффициент перекрытия по емкости кс  . (5.4)Для большинства варикапов Св = 10-500 пФ и кс = 5-20. Варикапы применяют в системах автоматической подстройки частоты, в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Напомним, что параметрический усилитель – усилитель электрических колебаний, в котором основным (усилительным) элементом чаще всего служит варикап. По сравнению с обычными усилителями имеет существенно более низкий уровень собственных шумов. Применяется для усиления слабых сигналов (преимущественно СВЧ), например, в устройствах дальней связи, радиоастрономии. Варактор – полупроводниковый прибор (диод), по принципу действия аналогичный варикапу. Название образовано от английских слов «variable» –переменный и «act» – действие. Используется как линейный элемент в умножителях частоты, а также для усиления колебаний в параметрических усилителях СВЧ-диапазона. 5.12. Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды В этих трех типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое p-n-перехода. Полупроводниковый фотодиод принципиально выполнен так же, как полупроводниковый диод. Изготовляется из селена, кремния, германия, серно-свинцовых, серно-серебряных и серно-таллиевых соединений. В фотодиоде в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток. Фотодиоды могут создавать электрический ток при наличии постороннего источника электрической энергии и без него. С увеличением интенсивности освещения полупроводника возрастает и ток. Фотодиод, включенный в электрическую цепь, ведет себя как резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от интенсивности освещения. Ток, создаваемый фотодиодом, очень мал, поэтому для практических целей он должен быть усилен. Основными параметрами фотодиода являются – темновой ток и интегральная чувствительность. Темновой ток – ток фотодиода при отсутствии освещения. Интегральная чувствительность характеризует изменение тока фотодиода от изменения падающего на него светового потока. В выпускаемых фотодиодах чувствительность составляет 14-20 мА/лм. В полупроводниковых фотоэлементах при освещении p-n-перехода возникает обратное напряжение. В светодиоде в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение. 6. Транзисторы Транзистором называется полупроводниковый прибор с электронно-дырочными переходами, имеющий три или более выводов и позволяющий осуществлять усиление и генерирование электрических сигналов, а так же коммутацию электрических цепей в качестве бесконтактного ключевого элемента. Название «транзистор» получено от сокращения английских слов [TRANS]fer res[ISTOR] – управляемое сопротивление. Название отражает основные свойства транзистора – изменять внутреннее сопротивление при воздействии управляющего сигнала. Движение носителей зарядов в транзисторах может происходить путем диффузии или под действием электрического поля. В связи с этим различают биполярные транзисторы, в которых ток обусловлен движением основных и неосновных носителей электрических зарядов, и полевые (униполярные), в которых ток создается только основными носителями. Транзисторы изготавливают из германия, кремния, бинарных соединений (арсенид галлия GaAs, карбид кремния SiC, фосфид галлия GaP), тройных соединений. По конструктивному исполнению транзисторы можно разделить на точечные и плоскостные. Точечные транзисторы применяют редко из-за низкой стабильности параметров ЭДП. По технологии изготовления ЭДП различают транзисторы: сплавные (ЭДП, полученные методом вплавления), диффузионные (ЭДП получены путем диффузии примеси), диффузионно-сплавные, планарные (от английского слова «planar» – плоскость, электроды и их выводы расположены в одной плоскости на поверхности кристалла), эпитаксиальные (эпитаксия – ориентированный рост одного монокристалла на поверхности другого, называемого подложкой) и другие. Транзисторы классифицируют по рассеиваемой мощности:
Также транзисторы различают по предельной частоте:
Первоначально транзисторы использовались в слаботочных цепях радиоэлектроники и автоматики, где заменили электронные лампы. В настоящее время разработаны мощные транзисторы на токи до сотен ампер и напряжением до 1000 В. На их основе разрабатываются современные преобразователи средней мощности (до нескольких сотен кВт). Биполярным транзистором называется электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами проводимости, пригодный для усиления мощности. Биполярный транзистор предложен в 1949 г. У. Б. Шокли. У биполярных транзисторов возможны две трехслойные структуры (рис. 6.1).  б гРис. 6.1. Структуры (а, в) и условные графические обозначения (б, г) биполярных транзисторов p-n-p- и n-p-n-типов соответственно Наружный слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов и дырок), который главным образом создает ток прибора, называется эмиттером (Э). Слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера, называется коллектором (К). Средний слой называется базой (Б). Стрелками на схемах условных обозначений транзисторов (рис. 6.1, б, г) показаны направления эмиттерных токов. Основой биполярного транзистора является пластинка кремния или германия, состоящая из трех областей. Две крайние, как отмечено выше, обладают проводимостью одного типа, средняя – противоположной проводимостью. Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа приведена на рис. 6.2. Соотношение концентраций основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе несущественно. Отличие же в концентрации основных носителей заряда в эмиттере и базе весьма важно, так как оно влияет на характеристики и параметры транзистора. Концентрация основных носителей заряда в базе должна быть много меньше, чем в эмиттере и, соответственно, базовый слой должен быть более высокоомным, чем эмиттерный. Кроме того, расстояние между эмиттером и коллектором должно быть очень малым (не более единиц микрометров), то есть область базы должна быть очень тонкой.  Рис. 6.2. Структурная схема маломощного биполярного транзистора n-p-n-типа При отсутствии внешних напряжений на границах разделов трех слоев образуются объемные заряды, создаются внутренние электрические поля, между слоями возникает разность потенциалов. Принцип действия транзисторов p-n-p-типа и n-p-n-типа и физические процессы, происходящие в них идентичны. Промышленность выпускает транзисторы обоих типов. Структура ЭДП в транзисторе p-n-p-типа при отсутствии тока и потенциальные барьеры ЭДП приведены на рис. 6.3. Когда транзистор не подключен к внешним источникам электрической энергии, в его переходах П1 и П2 создаются потенциальные барьеры высотой к. Через структуру транзистора протекает два небольших тока: – ток диффузии Iдиф, обусловленный диффузией через переходы основных носителей (дырок из p-области и электронов из n-области); – встречный дрейфовый ток Iдр, созданный неосновными носителями зарядов. При постоянной температуре, одинаковой концентрации основных носителей заряда в эмиттере и коллекторе ЭДП находятся в состоянии динамического равновесия, то есть iдиф = iдр.  Рис. 6.3. Структура транзистора p-n-p-типа при отсутствии тока (а) и потенциальные барьеры ЭДП (б) Внешнее напряжение подключается к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение эмиттерного перехода П1 в прямом направлении (снижение ширины ЭДП и высоты потенциального барьера к), а коллекторного перехода П2 – в обратном. Это обеспечивается при помощи двух источников напряжения (рис. 6.4, а) – UЭБ (десятые доли вольта) и UБК (единицы-десятки вольт). Так как в эмиттерном переходе П1 напряжение источника UЭБ действует в прямом направлении, то ток диффузии увеличивается, высота потенциального барьера к уменьшается. Дырки из эмиттера в большом количестве будут инжектироваться (впрыскиваться) в базу, аналогичным образом увеличивается обратный диффузионный поток электронов из базы в эмиттер. При этом диффузионный ток эмиттера равен: Iдиф э=Iдиф эр+Iдиф эn, (6.1) где Iдиф эр – дырочная составляющая диффузионного тока эмиттера, Iдиф эn – электронная составляющая диффузионного тока эмиттера.  Рис. 6.4. Структура транзистора p-n-p-типа (а) и потенциальные барьеры ЭДП (б) при приложении внешних напряжений Вследствие того, что концентрация основных носителей заряда в базе (электронов) много меньше, чем дырок в эмиттере, то Iдиф э Iдиф эр. Для оценки свойств транзистора вводится понятие коэффициента инжекции:  (6.2)где Iэр – дырочная составляющая тока эмиттера, Iэ – ток эмиттера. Для современных транзисторов = 0,97-0,995. Дырки, попав в базу, диффундируют к коллекторному переходу П2, поле в котором является ускоряющим для них. Дырки, входя в коллекторный переход, захватываются его полем и попадают (экстрагируют) в коллектор, создавая в цепи его коллекторный ток Iк, зависящий от тока эмиттера Iэ. Если толщина базы достаточна мала, то большинство дырок достигнет коллектора, не успев рекомбинировать с электронами. При этом число дырок, проходящих через коллекторный переход П2, несколько меньше, чем проходящих через эмиттерный переход П1, так как Iк Iэ. Ток базы определяется двумя составляющими: Iб = Iбр + Iбn, (6.3) где Iбр – дырочная составляющая тока базы, образованная в результате рекомбинации дырок с электронами, Iбn – ток, обусловленный прохождением некоторого числа электронов из базы в эмиттер через эмиттерный переход П1, Iбn = Iэn. Обе эти составляющие образуются вследствие того, что в базу, вместо перешедших в эмиттер и исчезнувших при рекомбинации электронов от источника напряжения эмиттер-база UЭБ, входят новые электроны. Ток базы – явление вредное, желательно, чтобы он был как можно меньше. Для его снижения принимают следующие меры: базу делают очень тонкой и уменьшают в сотни раз концентрацию примесей, которая определяет концентрацию электронов. По первому закону Кирхгофа можем записать: Iэр = Iбр + Iкр, (6.4) где Iэр, Iбр, Iкр – дырочные составляющие токов соответственно эмиттера, базы и коллектора. |