Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
8.3. Смещение р – перехода Смещением р – перехода называют подачу на переход напряжения постоянного тока (рис. 8.9). Если «+» источника приложить к области рак области n (непосредственно или через другие элементы, то считается, что на переход подано прямое смещение. В этом случае потенциальный барьер уменьшится и станет равным Рис. 8.9. Р – переход при прямом смещении Условный исходный размер р – перехода l 0 уменьшится до l см, вместе с уменьшением потенциального барьера (U 1 <U k ). Картина сохраняется до тех пор, пока U U k , ток будет еще мал. Расчетный (условный) размер смещённого р – переходам) Ток увеличится незначительно, т. к. обусловлен диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых увеличивается с уменьшением размера перехода и барьера. Если U U k , барьер исчезает, ток диффузии увеличивается, через барьер течет ток, называемый прямым током. Прямой ток обусловлен токами дрейфа и диффузии. Ток диффузии обусловлен разностью концентраций носителей, а ток дрейфа – приложенным напряжением и сопротивлением р – n - перехода. Здесь наблюдается явление инжекции – введение носителей заряда через переход в ту область, где эти заряды не являются основными электронов из области в р-область и дырок из р-области в область, из области с большей концентрацией в область с малой концентрацией. Инжекция зарядов происходит из области с малым удельным сопротивлением в область с большим удельным сопротивлением. Инжектирующий слой с большой концентрацией зарядов (малым удельным сопротивлением) называют эмиттером. Слой с малой удельной концентрацией (большим удельным сопротивлением) называют базой Установлено, что прямой ток основных носителей заряда, возникающий за счет снижения потенциального барьера, связан с приложенным напряжением экспоненциальным соотношением I ' 1 = I t0 ф, (8.9) где I t0 – ток, протекающий через р – переход, находящийся в равновесном состоянии, (тепловой ток, обратный ток насыщения. Это часть тока, обусловленная напряжением, приложенным к барьеру. Однако существует и ток диффузии, направленный встречно, обусловленный тепловым состоянием. Тогда можно считать, что пр = I ' 1 – I t0 = I t0 ф) – 1]. (8.10) Это и есть прямой ток через барьер. Особую роль, как видим, играет ток 0 t I – обратный ток насыщения. Экспериментально доказано, что он экспоненциально зависит от температуры. Обратное смещение p – перехода Приложим «+» к области, а «-» к р-области полупроводника (обеспечим обратное смещение на р-n-переходе) (рис. 8.10). Теперь потенциальный барьер увеличится движение основных зарядов будет затруднено. Ток через переход будет обусловлен неосновными носителями зарядов, которые вытягиваются из областей полем обратной полярности. (Этот процесс называется экстракцией. В результате через обратносмещённый переход будет протекать малый обратный ток. Величину обратного тока через переход определим аналогично (8.10), учитывая, что приложенное напряжение значительно больше величины теплового потенциала (U >> φ t ). Рис. 8.10. Р – переход при обратном смещении Тогда обратный ток определится по формуле I обр ={I t0 ф) – 1]} = – I t0 . (8.11) По выражениям 8.10, 8.11 можно сделать вывод о том, что р- переход обладает вентильным свойством. Это свойство состоит в том, что при прямом смещении через переход протекает прямой ток, зависящий от приложенного напряжения по экспоненциальному закону, а в случае обратного смещения через р – переход течет малый обратный ток (тепловой ток, который практически от напряжения не зависит, но увеличивается по экспоненциальному закону с увеличением температуры. Условный исходный размер р – перехода l 0 при наличии обратного смещения увеличивается до величины l см рис. 8.10) вместе с увеличением потенциального барьера (U 1 >U k ). Зависимость тока через p – переход от приложенного к нему напряжения называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) р – n- перехода (рис. 8.11). Рис. 8.11. Идеализированная ВАХ р – перехода 8.4. Емкость р – перехода Рассматривая электропроводность p – перехода при приложении к нему внешнего электрического поля, можно видеть, что толщина перехода изменяется (модулируется, а по обе стороны границы перехода имеются объемные электрические заряды. Следовательно, р – переход должен обладать определенной емкостью. Различают две составляющих емкости барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p – переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи p – перехода. При прямом смещении проявляется в основном диффузионная емкость диф С . При обратном смещении большую роль играет барьерная емкость бар С [2]. бар С oбусловлена наличием в p – переходе ионов донорной и акцепторной примесей, как бы образующими две обкладки конденсатора n k k cм бар U U U l S С 0 , (8.12) где k U – значение контактной разности потенциалов, U – приложенное напряжение, см – толщина р – перехода при U = 0, – относительная диэлектрическая проницаемость материала, 0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, S – площадь поперечного сечения р - перехода, n = 2 для резких переходов, n = 3 для плавных переходов. С увеличением приложенного обратного напряжения барьерная емкость бар С уменьшается из-за увеличения толщины перехода. диф С отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных вследствие изменения концентраций инжектированных носителей при изменениях приложенного напряжения. диф С значительно меньше бар С и очень слабо зависит от приложенного напряжения. Зависимость барьерной ёмкости от напряжения рис. 8.12) является более ощутимой, поэтому часто используется в электронике. С диф . зависит от величины прямого тока, протекавшего через р – переход в момент начала изменения приложенного напряжения. Это имеет важное значение при изготовлении быстродействующих полупроводниковых приборов. Рис. 8.12. Зависимость С бар (U) при обратном смещении р – перехода 8.5. Пробой p – перехода Пробоем называется значительное уменьшение сопротивления перехода при обратном смещении, сопровождающееся возрастанием обратного тока. Различают три вида пробоя туннельный, лавинный и тепловой. Туннельный пробой обусловлен туннельным эффектом рис. 8.13), те. прохождением электронов сквозь потенциальный барьер (из валентной зоны одного полупроводника в зону проводимости другого, высота которого больше, чем энергия носителей заряда. Туннельный пробой наступает тогда, когда напряженность электрического поля возрастает настолько, что становится возможен переход из валентной зоны ПП одного типа в зону проводимости ПП другого типа. Это будет при очень узком p – переходе, малом удельном сопротивлении (высокой концентрации основных носителей) и достаточно высокой напряженности электрического поля. Рис. 8.14. ВАХ реального р – перехода Ток лавинного пробоя можно приближенно определить по формуле обр л лав I M I , (8.13) где Мл – коэффициент лавинного умножения. Лавинный пробой возникает в сравнительно высокоомных ПП, имеющих большое удельное сопротивление, те. малую концентрацию основных носителей и при достаточно большой ширине р – n - перехода. ВАХ перехода при лавинном пробое показана на рис. 8.14. Лавинный пробой вызывается ударной ионизацией, когда напряженность электрического поля при обратном смещении так велика, что неосновные носители заряда, движущиеся через р-n-переход, ускоряются настолько, что при соударении с атомами ионизируют их. Появляются пары электрон – дырка, которые ускоряются и ионизируют другие атомы. Процесс нарастает лавинообразно, при этом величина тока ограничивается только внешним сопротивлением. Рис. 8.13. Пояснение туннельного эффекта Напряжение лавинного пробоя зависит от температуры и увеличивается с ее ростом (из-за сокращения длины свободного пробега носителей заряда. Тепловой пробой возникает в результате разогрева р – перехода, когда количество тепла, выделяемое током в p – переходе, больше количества тепла, отводимого от него. Известно, что увеличение температуры приводит к увеличению интенсивности генерации элек- тронно-дырочных пар, что выражается в увеличении обратного тока по экспоненциальному закону. Это в свою очередь увеличивает температуру перехода, в результате чего наступает тепловой пробой. ВАХ p – перехода при тепловом пробое отличается от ВАХ при туннельном и лавинном пробоях. С увеличением тока теплового пробоя напряжение, приложенное кр переходу, падает (см. рис. 8.14). 8.6. Полупроводниковые диоды Диод – это полупроводниковый прибор с одним р – переходом и двумя выводами. Рассмотренные выше свойства р – перехода дают возможность рассматривать свойства диодов путем анализа их ВАХ. Полупроводниковый диод можно получить из ПП с р – n- переходом, если снабдить этот полупроводник омическими (металлическими) контактами. Наиболее распространены германиевые и кремниевые диоды [29], ВАХ которых показаны на рис. 8.15. Рис. 8.15. ВАХ германиевого и кремниевого диодов Краткая классификация диодов Диоды, как наиболее многочисленные полупроводниковые приборы, классифицируют (рис. 8.16) по различным признакам по назначению, по конструкции, потоку и напряжению, по частоте, по видам устойчивости к воздействиям внешней среды и т.д. [29]. Рис. 8.16. Примерная классификация диодов Назначение диодов. Выпрямительные диоды используются для выпрямления переменного тока (преобразования переменного тока в постоянный. Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных цепях, так как отличаются малой емкостью р – перехода и другими характеристиками, обеспечивающими быстродействие. Разновидность импульсных диодов – диоды Шоттки, выполненные на основе перехода металл – полупроводник, отличающиеся очень малыми (нА) обратными токами. Туннельные диоды – диоды, в которых туннельный эффект приводит к появлению на ВАХ участка с отрицательным сопротивлением рис. 8.17). Рис. 8.17. ВАХ туннельного (ТД) и обращенного диодов Стабилитроны – полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит оттока. Предназначены для стабилизации напряжения (см. ВАХ лавинного и туннельного пробоя. Варикапы – полупроводниковые диоды, предназначенные для использования в качестве емкости, управляемой электрическим напряжением. Варикап работает при обратном смещении р – перехода, емкость определяют согласно формуле (8.14). n k k U U U С С 1 0 , (8.14) где n = 2 для резких и n = 3 для плавных переходов k U – значение контактной разности потенциалов U – приложенное обратное напряжение С – начальная емкость р – перехода. Варикап, используемый в умножителях частоты, называют варактором. Фотодиоды, светодиоды – диоды, использующие эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного) сноси- телями заряда в зоне p – перехода. В фотодиодах при облучении повышается обратный ток, в светодиодах в режиме прямого тока в зоне p – перехода возникает видимое или инфракрасное излучение Участок 0 –1 определяется дрейфовым током. Участок 1 – 2 имеет отрицательное сопротивление. Участок 2–3 определяется диффузионным током. ТД используют в генераторах высокой частоты (до ГГц. Обращенный диод служит для выпрямления малых напряжений Имеются еще магнитодиоды, тензодиоды, в которых меняется электропроводность под действием магнитного поля или механических деформаций [18]. 9. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 9.1. Структура и принцип действия биполярного транзистора Транзистор – прибор, содержащий два или более электронно- дырочных перехода, имеющий не менее х выводов и пригодный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Упрощенные структурные схемы и условные обозначения транзисторов изображены на рис. 9.1. Рис. 9.1. Структурные схемы и условные графические обозначения (УГО) биполярных транзисторов Транзистор изготавливается по специальной технологии на кристалле полупроводника путем создания трех областей с различной проводимостью. Средняя область – база, другие называются эмиттер и коллектор. Между областями образуется два р – перехода, связанных между собой. Область, являющаяся источником носителей заряда при прямом смещении, называют эмиттером. Область, выполняющая функцию собирания зарядов, называют коллектором. На практике этими терминами называют выводы прибора. Соответственно р – переходы называют эмиттерными коллекторным. В обычном включении на эмиттер относительно базы подается напряжение, создающее прямое смещение, а на коллектор – обратное смещение. Иногда используется так называемое инверсное включение, при котором коллектор и эмиттер меняются местами. При этом можно иметь различные способы включения транзистора по схеме с общей базой (ОБ, общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК). На рис. 9.2 показаны названные выше три способа включения биполярного транзистора со структурой р – n – р с указанием условных входа, выхода и обозначением электродов (э – эмиттер, к – коллектор, б – база. Показаны также направления протекания токов в электродах (выводах) транзистора. Рекомендуется самостоятельно изобразить подобные три схемы с транзистором, имеющим структуру n – p – n). Рис. 9.2. Три схемы включения биполярного транзистора Соединив между собой два любых электрода, можно получить различные диодные структуры (рекомендуется рассмотреть самостоятельно. Рассмотрим принцип действия транзистора, включив его по схеме с ОБ (рис. 9.3). Рис. 9.3. Структурная схема включения транзистора по схеме ОБ В структуре кристалла происходит инжекция дырок в область базы и встречное движение электронов в эмиттер, при этом э эр э эр I I ; I I , (9.1) где эр – ток, обусловленный движением дырок, э – полный ток через эмиттерный р – переход, γ – коэффициент инжекции. Дырки, проникающие в базу, частично компенсируются притоком электронов от источника э Е , создавая ток б . Главная особенность любого транзистора – ширина базы во много раз меньше диффузионной длины диф l , W 2 0 , где диф l – диффузионная длина (среднестатистическая величина свободного пути заряда. По этой причине основные носители заряда из эмиттера (дырки) диффундируют в область базы и достигают второго p – перехода, смещённого в обратном направлении. Большинство дырок не успевают рекомбинировать с электронами и попадают вблизи коллекторного перехода в поле, которое их втягивает в область коллектора экстракция дырок. Электроны, число которых равно числу дырок, ушедших через коллекторный переход, уходят через базовый вывод, создавая составляющую тока базы б Относительное число неосновных для базы носителей заряда (дырок, достигших коллекторного перехода, характеризуется коэффициентом переноса χ, показывающим, что только часть тока эр I достига- ет коллектора – это р эр kр эр kр I I ; I I , (9.2) где р и эр – дырочные составляющие токов коллектора и эмиттера. Учитывая, что только часть носителей достигает коллектора, можем записать эр kр I I , где эр . (9.3) Известно [38], что через коллекторный р – переход обязательно будет течь ток неосновных для коллектора носителей, создающих ток I кбо – неуправляемый ток p – перехода (обратный ток. Результирующий ток в коллекторной цепи кбо э k I I I (9.4) 9.2. Физическая нелинейная модель транзистора и эквивалентные схемы Упрощенная эквивалентная схема идеализированного транзистора, имеющего структуру р – n – р [2], представлена на рис. 9.4. Рис. 9.4. Упрощенная эквивалентная схема биполярного транзистора Коэффициенты i , N – это коэффициенты передачи тока, учитывающие тот факт, что не все заряды достигают соответствующих областей через переходы при инверсном ( i ) и прямом нормальном) включении ( N < 1, i << N ). Формально можно записать 2 1 2 э. (9.5) Токи через р – переходы можно выразить известным способом через так называемые токи насыщения 0 , 0 , 1 ; 0 , 0 , 1 2 1 кб эб U к нас эб кб U э нас U а U если e I I U а U если e I I кб эб (9.6) Токи I 1 и удобнее выразить через обратные токи переходов, учитывая, что в справочниках [31] приводятся значения именно обратных токов . U , I и U при I ; U , I и U при I кб э эб o кб эб k кб o эб 0 0 0 0 0 В этом случае N i o эб э . нас N i o кб к . нас I I ; I I 1 1 . (9.7) Возвращаясь к (9.5), с учетом (9.6, 9.7), получим ; 1 1 1 1 ; 1 1 1 1 к э б U N i o кб U N i o эб N к U N i o кб i U N i o эб э I I I e I e I I e I e I I кб эб кб эб (9.8) Полученная система уравнений носит название уравнения Эберса – Молла. Характеристики, соответствующие этим уравнениям, приведены на рис. 9.5. Рис. 9.5. Статические характеристики транзистора, включённого по схеме ОБ Рассмотренная физическая модель нелинейна и применяется для анализа работы только при относительно больших изменениях напряжения и тока. Во многих случаях на фоне сравнительно больших постоянных составляющих токов и напряжений на транзистор действуют малые переменные составляющие. В этом случае эти составляющие могут анализироваться раздельно, причем при анализе переменных составляющих используются малосигнальные эквивалентные схемы состоящие из линейных элементов. Параметры линейных элементов получают линеаризацией исходных статических характеристик транзисторов в окрестности режима работы по постоянному току. Наиболее часто встречается Т-образная эквивалентная схема. Для транзистора, включенного по схеме ОБ, Т-образная схема имеет вид, представленный на рис. 9.6. Рис. 9.6. Вариант Т- образной схемы замещения транзистора э дифференциальные сопротивления переходов б r – сопротивление базы включение нормальное (не инверсное, коэффициент передачи тока N ; э к С , С – ёмкости переходов Т-образная схема, рассмотренная выше, не единственная. Наиболее распространенные варианты приводятся на рис. 9.7, 9.8. В схеме рис. 9.7, учитывая, чтоб к диф соблюдается соотношение к = α э + I кбо + U кб к диф (9.9) Рис. 9.7. Вариант схемы замещения транзистора, включенного в схеме ОБ Т-образная эквивалентная схема транзистора, включенного по схеме ОЭ, представлена на рис. 9.8. В схему введен диод, отражающий наличие перехода Э-Б. Ток базы I бз вцепи коллектора увеличивается враз, причем β = α / (1- α). В схеме замещения, показанной на рис. 9.8, отражается факт зависимости тока коллектора оттока базы и свойств транзистора, учитываемых коэффициентом β, который называется коэффициентом усиления базового тока в схеме ОЭ. Коэффициент передачи тока α < 1, поэтому β > 1. В схеме рис. 9.8 соблюдаются следующие соотношения к = β I бз + I кэо + U кб к диф ; I кэо = I кбо / (1- α) = I кбо (1+β) . (9.10) Анализируя выражения (9.10), можно заметить два важных обстоятельства при отсутствии тока базы обратный ток вцепи коллектор эмиттер увеличивается многократно 2 – сопротивление коллекторного перехода r ' кдиф << r кдиф , где к диф – сопротивление коллекторного перехода в схеме замещения ОБ (см. рис. 9.7), r ' кдиф = r кдиф /(1+β). Рис. 9.8. Т- образная схема замещения транзистора, включённого по схеме ОЭ Статические характеристики для схемы ОЭ показаны на рис. 9.9. Рис. 9.9. Статические характеристики для схемы ОЭ |