Лекц. Электроника. Лекция 1 Электрофизические свойства полупроводников

• Название: Лекция 1 Электрофизические свойства полупроводников
• Дата: 24.07.2022
• Размер: 1.42 Mb.
• Имя файла: Лекц. Электроника.docx
• Тип: Лекция; #635575
• страница: 2 из 5

Лекция №3

Устройство биполярного транзистора.
Транзистором называется преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, пригодный для усиления мощности.

Наиболее распространенными являются транзисторы имеющие носители заряда обеих полярностей. Такие транзисторы называются биполярными.

Особую группу занимают полевые транзисторы, (канальные, униполярные). Особую специфическую группу , в современной электронной аппаратуре, образуют фототранзисторы .

К группе транзисторов следует отнести тиристоры и динисторы.

Основным элементом биполярного транзистора является кристалл германия и кремния, в котором созданы три области различных проводимостей.
Error: Reference source not found

Рис. 1.
Различают транзисторы 2-х типов p-n-p и n-p-n . Физические процессы протекающие в транзисторах обоих типов одинаковы. Средняя область называется базой, крайния эмиттером и коллектором.

Условное обозначение транзисторов
Error: Reference source not found

Рис. 2.
Принцип работы транзистора.
Error: Reference source not found

Рис. 3.

Из рисунка видно, что транзистор представляет по существу два полупроводниковых диода. При замыкании ключа SA₁ и разомкнутом SA₂ к эмиттерному переходу подключается источник E₁ в прямом (пропускном) направлении, а при замыкании ключа SA₂ к коллекторному переходу подключается источник E₂ в обратном направлении обычно E₂>>E₁.

При подключении источников E₁ и E₂ изменяются потенциальные барьеры p-n переходов. Потенциальный барьер эмиттера понижается, а коллекторного повышается. Ток проходящий через эмиттер получил название .

Поскольку концентрация носителей заряда в базе меньше чем в эмиттере, то неосновные носители зарядов в базе полностью дойдут до коллектора.

Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции

Подойдя к коллектору, дырки начинают испытывать действие электрического поля коллекторного перехода.

В результате экстракции дырки быстро втягиваются в коллектор, создавая ток коллектора.

Принимая во внимание малую степень рекомбинации дырок с электронами базы, можно считать, что .

Те дырки которые все же рекомбинируют с электронами образуют ток базы, поэтому .

На усилительные свойства тр-ра влияет рекомбинация носителей в базе, которая определяется через коэффициент переноса носителей в базе

;

Одним из основных параметров тр-ра является коэффициент передачи тока эмиттера

;

;

Следует уточнить, что полный ток коллектора равен т.к.

_{, .}
Схемы включения транзисторов.

Различают три возможные схемы включения транзисторов: ОБ; ОЭ; ОК;

Это зависит от того, какой из электродов является общим для входа и выхода


Рис. 4.
Рис. 5.


Рис. 6.
Независимо от схемы включения транзисторы характеризуются дифференциальным коэффициентом прямой передачи тока.

Для ОБ при

Низкое входное сопротивление схемы с ОБ (единицы, десятки ОМ) является существенным недостатком, т.к. в межкаскадных соединениях снижает усиление по напряжению и мощности.

Основной особенностью схемы с ОЭ является большой коэффициент передачи по току

или

учитывая , что , то ; т.е. в схеме с ОЭ можно получить коэффициент прямой передачи тока несколько десятков. Входное сопротивление схемы с ОЭ значительно больше схемы с ОБ. Достоинством схемы является то, что ее можно питать от одного источника напряжения.

Следует отметить, что температурная стабильность схемы с ОБ лучше схемы с ОЭ.

Для схемы с ОК

Несмотря на большой коэффициент передачи по току, схема не обеспечивает усиление по напряжению.

Основными показателями транзисторного усилительного каскада являются:

Для схемы с общим эммитером:

Реальные свойства транзисторов можно определять с помощью схем замещения. Широкое распространение получили Т-образные схемы.
Error: Reference source not found Error: Reference source not found

Рис. 7. Схема с ОЭ Рис. 8. Схема с ОБ

Error: Reference source not found

Рис. 9. Схема с ОК
Для схемы с ОБ ,
Для схемы с ОЭ
Для схемы с ОК

Таблица 1.

Ориентировочные показатели схем включения тр-ов.

Тип схемы	Усиление				Входное сопротивление Ом
ОБ	I	до 1000	до 1000	един.- десятки
ОЭ	10-100	до 100	до 1000	Сотни
ОК	10-100	1	до 100	Десятки тыс.

Транзистор как активный четырехполюсник.

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 h- параметры.
Error: Reference source not found

Рис. 10.
Для любой схемы вкл. тр-ра можно записать:

Коэффициенты - называют - параметрами. Каждый параметр имеет определенный физический смысл.

Параметр представляет собой входное сопротивление ( при );

при

Параметр определяет степень влияния выходного напряжения на режим входной цепи и называется коэффициентом обратной связи.

Параметр ; - называется коэффициентом усиления по току.

Параметр ; - называется выходной проводимостью.

Между -параметрами и параметрами T-образной схемы замещения существует определенная зависимость
Статические характеристики биполярного транзистора.

Статистические характеристики тр-ра отражают зависимость между токами и напряжениями на его входе и выходе.

Для схемы с ОЭ статистической входной характеристикой является график

.

График называется стат. выходной характеристикой.
Error: Reference source not found

Рис. 11. Входная характеристика биполярного транзистора.
Из рисунка видно, что с ростом напряжения , ток уменьшается. Это связано с тем, что при больших напряжениях дырки не успевают рекомбинировать в базе.
Error: Reference source not found

Рис. 12. выходная характеристика биполярного транзистора.
Резкая крутизна тока зависит от того, что к коллекторному переходу прикладывается напряжение .
Error: Reference source not found

Рис. 13. Функциональная схема транзистора типа p-n-p с источниками питания.
Эксплуатационные параметры транзистора.

Для транзистора существует ряд эксплуатационных параметров, предельные значения которых приводятся в справочнике.

К числу таких параметров относятся:

1). Максимально допустимая мощность , рассеиваемая коллектором.

В общем случае мощность, рассеивания транзистором, складывается из мощностей, рассеиваемых каждым p-n переходом поскольку _то

Необходимо следить, чтобы

2). Максимально допустимый ток коллектора , ограничивается максимально допустимой мощностью, рассеиваемой коллектором. Превышение тока коллектора приводит к тепловому пробою.

3). Максимально допустимое напряжение что напряжение определяется величиной пробивного напряжения перехода.

Из соображений надежности работы схемы не рекомендуется использовать величины токов, напряжений и мощностей выше 70% их наибольших допустимых значений.

4). Предельная частота усиления по току ( или )- частота при которой коэффициент усиления по току уменьшается до 0,7 (в раз) своего значения на низких частотах.

Лекция №4

Полевые транзисторы.
Полевым транзистором называется трехэлектродный полупроводниковый прибор, в котором ток создают основные носители заряда под действием продольного электрического поля, а управление величиной тока осуществляется поперечным электрическим полем, создаваемого напряжением, приложенным к управляющему электроду.

По конструктивным особенностям ПТ делятся:

1). на канальные (с p-n переходами);

2). с изолированным затвором (МДП или МОП).

Условные обозначения канальных транзисторов.
Error: Reference source not found

Рис. 1.
Конструктивно полевой-канальный транзистор выполнен в виде тонкого слоя полупроводника типа n или p , который ограничен с двух сторон электронно-дырочными переходами.
Error: Reference source not found

Рис. 2.
Включение в электрическую цепь осуществляется с помощью двух электродов И и С.

Вывод подсоединенный к областям P называется затвором (3).

Выводы И, С, З, соответствуют Э, К,Б, в биполярных транзисторах.

Величина тока в канале зависит от напряжения UCИ, нагрузочного сопротивления, и сопротивления полупроводниковой пластины.

При постоянных зависит только от поперечного сечения канала.

Сечение канала зависит от величины напряжения на затворе .

Увеличение отрицательного напряжения на затворе приводит к уменьшению поперечного сечения канала, и в итоге к уменьшению тока .

Уменьшение отрицательного напряжения на затворе увеличивает поперечное сечение канала и в итоге увеличивает ток .

Подключив последовательно с источник сигнала можно изменять ток через канал по закону изменения входного сигнала. Ток протекая через сопротивление создает на нем падение напряжения, изменяющееся по закону .

Полевые транзисторы МОП или МДП имеют структуру: металл – диэлектрик (окисел) – полупроводник. Принцип работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.
Error: Reference source not found

Рис. 3.
Основой прибора служит пластина (подложка) монокристаллического кремния р-типа. Области стока и истока представляют собой участки кремния, сильно легированные примесью типа –n . Затвором служит металлическая пластина, изолированная от канала слоем диэлектрика 0,1 мКм. (Можно использовать и пленку двуокиса кремния).

В зависимости от полярности напряжения на затворе канал может обедняться или обогащаться носителями зарядов. Положительное напряжение на затворе способствует втягиванию электронов из подложки в канал. В отличии от канального транзистора МДП и МОП могут работать при положительном и отрицательном напряжениях на затворе.

Условные обозначения тр-ров МДП и МОП
С встроенным каналом индивидуальным каналом

Error: Reference source not found Error: Reference source not found

Рис. 4. Рис. 5.

Схемы включения полевых транзисторов.

Error: Reference source not found Error: Reference source not found Error: Reference source not found

Рис. 6. Рис. 7. Рис. 8.
Статистические характеристики полевых транзисторов.

Различают выходные (стоковые) вольтамперные характеристики полевых транзисторов .
Error: Reference source not found

Рис. 9.
При ; ток растет почти линейно. Однако с возрастанием тока увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение для p-n переходов, что ведет к сужению канала и замедляет рост тока напряжение при котором происходит насыщение наз. Напряжения

Зависимость получила название стокозатворной характеристики.
Error: Reference source not found

Рис. 10.
Основные параметры полевых транзисторов.

Основными параметрами полевых транзисторов являются:

1). Крутизна характеристики.

.

Характеризует усилительные свойства тр-ра.

2). Дифференциальное сопротивление

;

3). Статистический коэффициент усиления

;
4). Входное сопротивление

.


Четырехслойные полупроводниковые приборы (тиристоры).

Тиристоры относятся к классу 4х слойных полупроводниковых приборов состоящих из четырех последовательно чередующихся областей с проводимостью p и n –типа.

Диодный тиристор - имеет вывод от двух крайних областей


Рис. 11.
Триодный тиристор в отличие от динистора имеет еще и управляющий электрод.

В этих структурах крайние электронно-дырочные переходы называются эмиттерами, средний переход - коллекторным. Внутренние области n-p

называются базами. Электрод связанный с внешней р- областью называется Анодом , а с n-областью катодом. Из схемы включения динистора видно, что коллекторный переход заперт обратным напряжением источника Е.

Типовая вольт-амперная характеристика динистора приведена на рисунке.
Error: Reference source not found

Рис. 12.
Для области Оа характерно то, что значительный рост напряжения сопровождается малым ростом тока.

Область аб – область лавинного пробоя. Участок бв – область отрицательного сопротивления, на котором рост тока сопровождается уменьшением напряжения.

Динистор характеризуется 2 устойчивыми состояниями ( Оа и вг) наличие которых позволяет использовать прибор в качестве мощного переключающего элемента в различных устройствах автоматики.

Для анализа работы тиристоров представим его в виде двух транзисторов.

Причем:

Error: Reference source not found

Рис. 13.
При увеличении Э.Д.С. источника инжектированные одним из эмиттеров основные носители зарядов пересекают область , где они не являются основными частично рекомбинировая в ней.

Нерекомбинировавшиеся носители проходят через коллекторный переход и, оказавшись в области, для которой они являются основными т.е. в слое базы сопряженного транзистора, понижают высоту потенциального барьера, способствуя инжектированию зарядов из второго эмиттера, что ведет к увеличению общего тока прибора.

Переход структуры p-n-p-n из непроводящего состояния в проводящее можно вызвать не только внешним напряжением, но и увеличением напряжения в одном из эквивалентных транзисторов. Для этого в тиристоре от одной из баз делают вывод (управляющий электрод). Меняя ток управляющего электрода можно регулировать напряжение переключения, а следовательно управлять работой прибора.
Error: Reference source not found

Рис. 14.
Основные параметры:

1). Напряжение вкл. - напряжение при котором ток через прибор начинает резко возрастать.

2). Ток включения- ток при приложении напряжения включения.

3). Удерживающий ток – минимальный ток необходимый для удержа6ния тиристора в откр. Состоянии.

4). Напр. в открытом состоянии.

5). Ток в закрытом состоянии.

6). Пост. отпир. Ток УЭ- минимальный тоу УЭ, который по рекл. тиристор.
О днопереходный транзистор (двухбвзовый диод).
Однопереходный транзистор представляет собой монокристалическую пластинку кремния n-типа с высоким значением удельного сопротивления, на кондах которой расположены омические контакты Б1 и Б2, а на боковой стороне – один эмиттерный переход (рис1).

Участки кристалла длинной и ( ) выполняют роль базы.

Эмиттерный контакт связан с внешним выводом эмиттера Э.
Рис. 15

Схема включения однопереходного транзистора показана на рис.2. К выводам баз Б1 и Б2 подключают напряжение питания U_{Б1 Б2}, причем Б2 имеет положительный потенциал относительно Б1. Под действием этого напряжения в кремневой пластинке возникает ток I_{Б1 Б2}.

У часток между базами Б1 и Б2 однопереходного транзистора представляет собой омическое сопротивление в несколько КОМ с линейной вольт амперной характеристикой. Поэтому напряжение U_{Б1 Б2} распределяется по базам пропорционально их сопротивлениям. Эти напряжения соответственно равны U_ЭБ1 и U_ЭБ1. Полярность напряжения U_Б1 такова, что в исходном состоянии эмиттерный переход будет смещен в обратном направлении и через него пройдет только небольшой обратный ток I_ЭБ0.
Рис. 16
Это же состояние сохранится при подаче на эмитттер отрицательного напряжения U_Э или положительного, но не превышающего величину U_ЭБ1. Если же напряжение U_Э превысит напряжение U_ЭБ1 на величину, достаточную для отпирания перехода (точка АНА рис.3.), то в кремнивую пластинку будут инжектироваться дырки. Под действием напряжения U_{Б1 Б2} дырки будут двигаться к выводу Б1, образуя эмиттерный ток, что приведет к увеличению проводимости на участке . В результате внутреннее напряжение U_Б1 уменьшится, что приведет к дальнейшему росту I_Э. Этот процесс будет протекать лавинообразно. С ростом эмиттерного тока, сопротивление эмиттерного перехода снижается, а напряжение U_Э уменьшается.


Рис. 17
Благодаря простоте конструкции, стабильному напряжению срабатывания, малому потреблению тока в цепи управления хорошей повторяемости параметров от образца к образцу, возможности передачи мощных импульсов, однопереходные транзисторы с успехом используют в разнообразных импульсных схемах.
Фототранзисторы.

Фототранзистор представляет собой фото гальванический приемник излучения, фоточувствительный элемент которого содержит структуру транзистора, обеспечивающую внутреннее усиление. Конструктивно фото транзистор выполнен так, чтобы световой поток воздействовал на базовую область. Обычно фото транзистор включается по схеме с общим эмиттером и при отсутствии освещения через него протекает темновой ток I_КЭ0. При освещение базы в ней происходит генерация дополнительных пар электрон-дырка. Дырки являясь неосновными носителями зарядов в базе диффундируют к коллекторному переходу и втягиваются полем в коллектор, образуя первую составляющую фототока I_ф1.