Курс лекций по дисциплине Электроника и схемотехника 1

• Название: Курс лекций по дисциплине Электроника и схемотехника 1
• Анкор: gbgfb
• Дата: 15.08.2022
• Размер: 1.54 Mb.
• Имя файла: kurs lek.po elektron. i shemoteh.1, rus..docx
• Тип: Курс лекций; #645993
• страница: 2 из 4

Удельная электрическая проводимость полупроводни­ков

σ = q n∙μ_n+ q p∙μ_p,

где q - заряд электрона, п и р концентрация электронов и дырок, _n и _р - подвижность электронов и дырок, т. е. средняя скорость направленного движения носителей за­ряда, отнесенная к напряженности электрического поля. В электронном полупроводнике n_n р_n, следовательно можем записать:

σ_n = q n_n∙μ

В дырочном полупроводнике р_р n_р, следовательно имеем:

σ_p = q p_p∙μ_p

При увеличении температуры, увеличиваются тепловые колебания кристаллической решетки, подвижность носите­лей падает. Так как в рабочем диапазоне температур, кон­центрация основных носителей примесных полупроводни­ков неизменна, их электропроводность уменьшается с рос­том температуры из-за снижения подвижности.
ЛЕКЦИЯ 2. Процессы в электронно – дырочном р – n переходе
В полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы полупроводника с двумя и более слоями, характеризующиеся различным током проводимости. При получении двухслойной структуры со слоями п - типа и р - типа, обычно концентрация примесей в слоях несим­метрична: N N_Дили наоборот. Один из слоев имеет бо­лее высокую концентрацию основных носителей и большую электропроводность, например, на рисунке 1.2 показана двух­слойная структура, где N_a N_Д, и р_р n_n.

.



б) в)

Рисунок 1.2 – Электронно - дырочный переход при отсутствии внешнего элект­рического поля (а) , при приложении прямого (б) и обратного (в) на­пряжений
Область полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы между р и п слоями, называется электронно - дырочным переходом или р - п переходом.

Образование р - п перехода. При отсутствии внешнего поля, из - за разности концентраций основных носителей в р и n слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с пониженной концентрацией н осителей. При этом основные носители в р - области это дырки, которые диффундируют в n- слой, а основные носители n - слоя (электроны) диффундиру­ют в р - слой. Диффузионный ток через переход равен: I_диф = I_диф.р + I_диф.n. Этот ток примерно равен I_{диф р}, так как р_р n_n .

Перейдя под воздействием сил диффузии металлурги­ческую границу, носители рекомбинируют с основными носителями другого слоя. За счет ухода основных носите­лей из одного слоя и их рекомбинации в другом, вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением (запирающий слой). В запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается нескомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей. В р - слое - отрицательных, в n - слое - положительных ионов. Этот двойной электрический слой (рисунок 1.2, а) создает электри­ческое поле с напряженностью Е_o и приводит к появлению на кривой распределения потенциала  в полупроводнике потенциального барьера ₀. Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход - дрейфовый ток, направленный навстречу диф­фузионной составляющей тока через переход и равный : I_др = I_др.р + I_др.n.

Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и потенциального барьера, при этом растет дрейфо­вый ток. Рост двойного электрического слоя прекращается тогда, когда суммарный ток через переход равен нулю, т. е. I_диф = - I_др. Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р - п перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля. Результирующий ток через переход в этом случае равен нулю. Ширина запирающего слоя в р и п слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому при рассматри­ваемом соотношении примесей Naмногобольше N_Д, переход имеет двойной электрический слой, ширина которого в слабо ле­гированной n - области больше .

Прямое с мещение р - п перехода. Если двухслойный полупроводник включить в элек­трическую цепь (рисунок 1.2,б) и приложить прямое напря­жение U_а (плюс к р - слою, минус к n- слою), то это напря­жение практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из – за встречного направления внутреннего Е_ои внешнего Е_а полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и потенциальный барьер равен:  = _о - U_а. В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления по­тенциального барьера, и увеличивается диффузионная со­ставляющая I_диф тока через переход.

Дрейфовая состав­ляющая определяется только количеством неосновных но­сителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по-прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфо­вый ток неосновных носителей от приложенного напряже­ния не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход I_а = I_диф - I_др > 0. Это прямой ток р - п перехода. Потенциальный барьер _о измеряется долями вольта, по­этому для протекания прямого тока к р - п переходу доста­точно приложить напряжение, измеряемое тоже долями вольта. Уменьшение результирующего поля у р-п перехода приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя.

Обратное смещение р - п перехода (рисунок 1.2, в) приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое и росту потенциального барьера:  = _о+U_а. Диффузия носителей через переход становится практически невоз­можной, поэтому ток I_а = I_диф - Iдр = - I_др. В этом случае поле р - п перехода втягивает все подошедшие к нему не­основные носители независимо от потенциального барьера и через переход протекает только ток неосновных носите­лей: ток дырок из n– области в р - слой и электронов из р - областив n - слой. Однако ток неосновных носителей, или обратный ток, значительно меньше прямого тока через р - п переход, так как число неосновных носителей в полу­проводнике мало. Соотношение прямого и обратного токов р - п перехода позволяет говорить об однонаправленной проводимости р - п перехода, т. е. о его выпрямляющем дей­ствии. Обратный ток неосновных носителей через переход I_oбр = I_др иногда называют тепловым током, так как сильно зависит от температуры: при нагреве полупровод­ника увеличивается генерация неосновных носителей; при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8° у гер­маниевых приборов или на 10 °С у кремниевых приборов. При обратном смещении р-п перехода суммарная на­пряженность электрического поля перехода возрастает, поэтому возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя.

Зависимость тока через р - п переход от приложенно­го напряжения I_а = f(U_а) называется вольт-амперной ха­рактеристикой (ВAХ) электронно-дырочного перехода ( рисунок 1.3)


Рисунок 1.3 - ВАХ р - п перехода
Лекция 3. Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый кристалл с двумя слоями проводимости, за­ключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. В основе структуры дио­да лежит р - п переход. ВАХ реального диода приведена на рисунке 1.4.


I_a

U_a

U_проб

Р


исунок 1.4 - ВАХ полупроводникового диода
Прямое падение напряжения на диоде больше напряжения на р - п переходе на значение падения напряжения. При прохождении тока через толщу слоев по­лупроводника, главную роль играет падение на­пряжения в слабо легированном высокоомном слое. Обратная ветвь ВАХ диода имеет три характерных участка. На участке I протекает небольшой обратный ток утечки по поверхности кристалла. При достижении отрицательного напряжении на аноде равным напряжению пробоя U_проб., происходит резкое увеличение обратного тока - участок II. Резкое увеличение обратного тока диода обусловлено электрическим про­боем р - п перехода.

Для выпрямитель­ных диодов характерен лавинный пробой, заключающийся в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда, попавшие в переход, за вре­мя пробега между столкновениями с узлами кристалли­ческой решетки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. При этом образуется пара сво­бодных носителей заряда. В свою очередь эти носители, ускоряясь в поле, также могут произвести ионизацию. Процесс лавинного пробоя подобен гор­ной лавины, что и вызывает резкое нарас­тание тока через переход. При снятии отрицательного напряжения, ток через прибор пре­кращается и диод пригоден к дальнейшему использова­нию. Поэтому электрический является обратимым.

Другой разновидностью обратимого электрического пробоя на участке II может быть полевой пробой. В тон­ких переходах напряженность электрического поля велика, при этом энергия, необходимая для разрыва связи в крис­таллической решетке, уменьшается, увеличивается генера­ция неосновных носителей, резко возрастает обратный ток. На участке III происходит тепловой пробой. При уве­личении приложенного обратного напряжения растет обратный ток, а также мощность, выделяемая в р - п перехо­де. Повышение температуры кристалла усиливает генера­цию неосновных носителей и дальнейшее увеличение обрат­ного тока. Увеличение обратного тока вызывает рост мощности, температура перехода еще более повы­шается, что в конечном счете приводит к разрушению р -п перехода и выходу прибора из строя. Этот вид пробоя, приводит к разрушению прибора и является нежелательным.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

- максимально допустимый прямой ток, величина которого определяется допустимым нагре­вом прибора при приложении прямого напряжения;

- обратное напряжение пробоя.

По мощности выпрямительные диоды подразделяются на:

- маломощные (прямой ток до 0,3 А);

- средней (ток от 0,3 до 10 А) ;

большой мощности (ток от 10 до 1000 А и выше).

Широкое применение на практике получили стабилитроны- разновидность диодов применяемых для стабилизации выпрямленных напряжений
Лекция 4. Биполярные транзисторы
Управление током и усиление сигналов в схемах полу­проводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.



a) б)

Рисунок 1.5 - Схемные обозначения транзистора n-p-n (а) и p-n-p(б)


Рисунок 1.6 – Схема включения транзистора с общим эмиттером

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с че­редующейся проводимостью и снабженный тремя вывода­ми (электродами) для подключения к внешней цепи. На рисунке 1.5,а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов p - n - pи и п – р – п. Крайние слои называют эмитте­ром (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмитте­ром и базой, коллекторный переход между базой и кол­лектором.

Принцип действия р – п - р транзистора. Транзистор включают последовательно с сопротивлени­ем нагрузки R_к в цепь источника коллекторного напряже­ния Е_к. На вход транзистора подается управляющая ЭДС Е_Б ( рисунок 1.6, а). Такое включение транзис­тора, когда входная (Е_Б,,R_Б) и выходная (Е_к R_к.) цепи имеют общую точку - эмиттер, является наиболее рас­пространенным и называется включением с общим эмит­тером (ОЭ, нашедшая наибольшее применение. При отсутствии напряжений (Е_Б = 0, Е_к = 0) , эмиттерный и коллекторный переход находятся в состоянии рав­новесия, токи через них равны нулю. Оба перехода имеют двойной электричес­кий слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный барьер _о , различный на каждом из переходов.

Полярность внешних источников Е_Б и Ек выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напря­жение, а на коллекторном переходе было обратное напря­жение, причем напряжение Uкэ > U _БЭ . В результате приложения к эмиттерному переходу пря­мого напряжения начинается усиленная диффузия дырок из эмиттера в базу. Электронной составляю­щей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как концентрация дырок много больше концентрации электронов , р п. . Таким образом, ток эмиттера будет примерно равен диффузионному току, I_э I_эдиф. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном на­правлении, так как это поле является ускоряющим для не­основных носителей – дырок в базе n - типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник Е_К. При увеличении тока эмитте­ра на величину э ток коллектора возрастет на Iк = ∙ Iэ, где  - коэффициент передачи.

I_{К =} ∙I_{Э +} I _Кб0 .

Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называ­ется зависимость коллекторного тока от напряжения меж­ду коллектором и эмиттером I_к =  (U_кэ), снятая при неиз­менном токе базы I_Б = const. Семейство выходных вольт - амперных характеристик транзистора приведено на рисунке 1.7, а.

Зависимость тока от напряжения как видно из рисунка, является нелинейной и может быть разбита на ряд участков. На большей части характеристик U_КЭ U_КЭ.н , ток коллектора почти не зависит от напряжения U_КЭ ( пологий участок характеристик ). Пологий участок соответствует активному или усилительному режиму работы транзистора. На этом участке транзистор может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, то есть источника коллекторного тока I_K, значение которого можно изменять путем изменения тока базы I_Б.



а) б)

Рис.1.7. Выходные (а ) и входные ( б ) характеристики биполярного транзистора

Для изменения входного тока базы, например, для его увеличения, увеличивают напряжение источника Е_Б. При этом растут прямое напряжение на эмиттерном переходе и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера I_Э увеличивается на значение _Э. Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок в тон­кой базе. Основная часть прира­щения эмиттерного тока вызывает приращение тока коллектора _К = ∙ _Э = ∙ _Б. На практике, величина коэффициента  для различных типов транзисторов лежит в диапазоне от 10 до 100.

Небольшой наклон пологого участка выходной харак­теристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения Uкэ увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется двойной электрический слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, по­этому значения коэффициентов передачи тока и  не­сколько увеличиваются. При увеличении коэффициента передачи  возрастает коллекторный ток.

Входные характеристики транзистора представляют собой зависимостей тока базы от напряжения меж­ду базой и эмиттером, I_Б =  ( U_БЭ ) при постоянном напря­жении U_КЭ. При U_КЭ = 0 оба перехода в транзисторе ра­ботают при прямом напряжении, токи коллектора и эмит­тера суммируют в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р - п переходов, вклю­ченных параллельно .

Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окру­жающей среды, что является общим недостатком полупро­водниковых приборов. Коэффициенты передачи токов транзистора и  зависят от ча­стоты. Это обусловлено инерционно­стью процессов, происходящих в транзисторе при прохождении носителей заряда через базовый слой, и изменением концентрации носителей в базе при диффузия неосновных носителей к коллектору. За счет инерционности этих процессов приращения вы­ходного тока запаздывают по фазе относительно приращений входного тока. В справочниках приводится граничная частота коэффи­циента передачи тока f_гр, на которой  = 1.

Лекция 5. Полевые транзисторы

Биполярные транзисторы нашли широкое применение в различных об­ластях электронной техники. Однако в ряде случаев их ис­пользование затруднено, так как эти приборы управляются током, в результате потребляют заметную мощность от входной цепи. Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам. Указанного недостатка нет у полевых транзисторов(униполярных), которые управляются напряжением и практически не потребляют ток из входной цепи. Полевые транзисторы подразделяются на два типа, от­личающихся друг от друга принципом действия: а) с р - п переходом; б) МДП - типа. Условное обозначение полевых транзисторов с р - п переходом приведено на рисунке 1.8, где обозначено: З- затвор; И - исток; С - сток.


а) б)
Рисунок 1.8 – Условное обозначение полевых транзисторов с р - п переходом, проводящим каналом n(а) и p(б) типов
Структура полевого транзистора с р - n переходом приведена на рисунке 1.9. Слой с проводимостью р - типа называется каналом. Слои с проводимостью п типа , окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь..


Рисунок 1.9 - Структура полевого транзистора с р - n переходом, включенного по схеме с общим истоком

Семейство стоковых(выходных) характеристик приведено на рисунке 1.10.





Рисунок 1.10 - Стоковые ВАХ полевого транзистора с р - n переходом
В отличие от биполярных транзисторов полевые транзи­сторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток p-п перехода, на­ходящегося под действием обратного напряжения. Стоко­вые характеристики, так же как и коллекторные характеристики биполярного транзистора, имеют два участка: кру­той и пологий. Пологий используется при работе транзис­тора в усилительных устройствах, а крутой участок используется при работе в переклю­чательных устройствах.

Полевые транзисторы МДП - типа («металл - ди­электрик - полупроводник») имеют изолированный затвор. На рисунке 1.11 показана структура МДП - транзистора.




Рисунок 1.11- Структура(а) и стоковые характеристики МДП - транзисторов с встроенным каналом (б) и индуцированным каналом( в ).
При приложении положительного напряжения к затво­ру электрическое поле притягивает электроны из подлож­ки, они скапливаются в области канала, сопротивление ка­нала уменьшается и ток стока растет ( режим обогащения ) (рисунок 1.11, б при Uси > 0 ). При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток стока Iс падает ( ре­жим обеднения ). Таким образом, при изменении управляющего напряже­ния Uзи изменяется выходной ток прибора Iс. Связь приращений выходной и входной величин определя­ется крутизной, равной: S = Iс / Uзи при Uси = const.

Рассмотренные МДП - транзисторы являются приборами со встроенным каналом.

Помимо этого выпускаются МДП - транзисторы с индуци­рованным каналом . При изготовлении этих транзисторов специальный ка­нал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается. При напряжении Uзи = 0 выходной ток отсут­ствует, Iс =0. Транзистор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает носители со­ответствующего знака, создающие проводящий канал меж­ду областями истока и стока. Семейство стоковых харак­теристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа приведено на рисунке 1.11, в. При напряжении на за­творе меньшем напряжения отсечки, ток стока Iс практи­чески отсутствует.

Условное обозначение МДП - транзисторов с встроенным и индуцированным каналами n - типа и р - типа показано на рис. 1.12.



а) б) в) г)

Рисунок 1.12 - Условные обозначения МДП – транзисторов с встроенным (а, б) и индуцированным (в, г) каналами
Лекция 7. Биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT. Тиристоры
Высоковольтными силовыми приборами с большими уровнями токов и напряжениями до единиц киловольт заняли биполярные транзисторы с изолированным затвором IGBT.  IGBT - прибор представляет собой биполярный p – n - p транзистор, управляемый от низковольтного полевого транзистора с индуцированным каналом n - типа, эквивалентная схема которого приведена на рисунке 1.13.



Рисунок 1.13 - Эквивалентные схемы IGBT транзистора
IGBT- приборы являются компромиссным техническим решением, позволившим объединить положительные качества как биполярных (малое падение напряжения в открытом состоянии, высокие коммутируемые напряжения), так и полевых транзисторов (малая мощность управления, высокие скорости коммутации). Максимальное напряжение IGBT-транзисторов ограничено только технологическим пробоем и в настоящее время выпускаются приборы с рабочим напряжением до 4000 В. При этом, остаточное напряжение на транзисторе во включенном состоянии, не превышает 2…3 В.

Семейство выходных вольт- амперных характеристик IGBT-транзисторов приведены на рисунке 1.14.



Рисунок 1.14 - Семейство выходных ВАХ IGBT - транзистора

Условные графические обозначения IGBT – транзисторов приведены на рисунке 1.15.



Рисунок 1.15 - Условные графические обозначения IGBT-транзисторов

В настоящее время IGBT-транзисторы находят широкое применение в устройствах силовой электроники и ряде других областей