Лекция2 проводимость полупроводников виды проводимости

Вид материала

Лекция

Содержание Схемы включения транзисторов типов п—р—п и р—п—р Характеристики транзисторов Только следует иметь в виду, что напряжение источников питания обычно составляет: E Частотные свойства Типы, маркировка и эксплуатация Е, сопротивления нагрузки R Таблица 2 Цифровые элементы обозначений транзисторов различных типов

Подобный материал:

• «Введение в теорию полупроводников», 89.67kb.
• 1. Энергетические зоны и свободные носители заряда в твердых телах. Уровень Ферми, 21.7kb.
• Электрический ток в газах самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов, 128.37kb.
• Полимерные системы в катализе и электрокатализе возможности и перспективы, 16.03kb.
• Программа Государственного экзамена по подготовке магистра по направлению «Физика полупроводников., 53.9kb.
• Ii. Свойства полупроводников. Полупроводниковые приборы. Общие свойства полупроводников, 14.35kb.
• Конференция посвящена 50-летию создания Института физики полупроводников им., 59.44kb.
• Рабочая программа дисциплины «физическое материаловедение полупроводников-1», 98.52kb.
• Программу составил профессор, д ф. м н. В. Д. Кулаковский Аннотация, 94.53kb.
• Авторы программы: доцент Морозов В. Б., доцент Соломатин В. С., профессор Шувалов, 87.32kb.

Iо.н.э — ток Дырок, перемещающихся из эмиттера в базу; I_{о. н. б} — ток электронов, перемещающихся из базы в эмиттер.

Следует иметь в виду, что направление перемещения дырок совпадает с обозначением направления тока.

Дырки, попавшие из эмиттера в базу, образуют у эмит-терного перехода повышенную концентрацию неосновных носителей тока базы, они диффундируют в направлении к коллектору.

Электрическое поле базы почти не влияет на движение дырок в базе, так как оно компенсируется противоположным полем основных носителей базы. Так как толщина базы мала, а следовательно и расстояние между эмиттер-ным и коллекторным переходами тоже мало, то большая часть дырок — неосновных носителей базы — доходит до коллекторного перехода, и только лишь очень незначительная часть рекомбинирует в базе с электронами, участвуя в создании тока базы I_б.

Между коллектором и базой прикладывают сравнительно большое обратное напряжение U_бк. Однако для дырок в базе (неосновных носителей базы) это напряжение является ускоряющим. Поэтому дырки под действием напряжения коллектора двигаются через коллекторный переход и увеличивают ток коллектора



I_к.о— обратный ток коллекторного перехода (ток неосновных носителей) измеряется единицами микроампер и поэтому практически мало влияет на ток коллектора; I_э — ток через эмиттерный переход; α — коэффициент усиления по току, который показывает, какая часть полного тока эмиттера попадает в коллектор и вызывает его увеличение. Из формулы следует, что, изменяя ток эмиттера (или напряжение между эмиттером и базой), можно управлять током коллектора аналогично тому, как можно было управлять анодным током в электронной лампе, изменяя напряжение на управляющей сетке.

Схемы включения транзисторов типов п—р—п и р—п—р

На рис. 84, а изображена схема включения транзистора типа п—р—п. Напряжение и_бэ, включенное между эмиттером и базой (плюсом к базе), является прямым напряжением для эмиттерного перехода. Так как напряжение С/_кЪ (приложенное плюсом к коллектору) много больше напряжения и_бэ, то между базой и коллектором действует обратное напряжение.

Рассмотрим работу полупроводникового триода, воспользовавшись потенциальными диаграммами, представленными на рис. 84, б. Потенциальные диаграммы иллюстрируют распределение потенциала внутри транзистора и дают возможность наглядно (но только с качественной стороны) пояснить физические процессы в транзисторе.

На рис. 84, б пунктиром показано распределение потенциала внутри транзистора при отсутствии источников питания. На этом же рисунке изображены графики распределения количества электронов N по энергиям W (скоростям) внутри эмиттера и коллектора.

При совместном рассмотрении этой потенциальной диаграммы и совмещенных с ней графиков распределения электронов можно прийти к выводу, что ни в эмиттере, ни в коллекторе нет электронов, которые могли бы преодолеть потенциальные барьеры как эмиттерного, так и коллекторного переходов.

Подключение напряжения t/₆, плюсом к базе уменьшает отрицательный потенциал эмиттера (рис. 84, в), так как часть электронов под действием приложенного напряжения с/_бэ выводится из эмиттера, образуя ток базы. Разность потенциалов между эмиттером и базой уменьшается, и теперь оказывается, что в эмиттере некоторая часть электронов Л% обладает энергиями, достаточными для преодоления потенциального барьера эмиттерного перехода. Появляется ток эмиттера. Потенциальный же барьер коллекторного перехода становится еще большим, поскольку к коллектору приложено обратное напряжение, величина которого определяется соотношением













Рис. 84. Транзистор типа η—ρ—η: α — схема включения; б — потенциальная диаграмма транзистора при отсутствии источников питания; в — потенциальная диаграмма транзистора, подключенного к источникам питания.

вается инъекцией или инжекцией), поступает не в цепь базы, а, вследствие диффузии или под действием сильного ускоряющего электрического поля коллекторного перехода, в коллектор, образуя ток коллектора.

Используются и другие схемы включения транзисторов: схемы с общей (заземленной) базой и схемы с общим

(заземленным) коллектором (рис. 85). В этих схемах источники питания так же, как в предыдущей схеме с общим эмиттером, обеспечивают подачу прямого напряжения на эмиттерный переход и обратного напряжения на коллекторный переход.



Рис. 86. Схемы включения тран-зисторовтипа ρ—η—ρ: α — с заземленным эмиттером: б — с заземленной базой; в — с заземленным коллектором.

Принцип работы транзистора типа ρ—η—ρ, рассмотренный ранее, можно также пояснить и при помощи потенциальной диаграммы, как это сделано для транзистора типа η—ρ—п.

Транзистор типа ρ — η — ρ аналогично может быть включен по схеме с заземленным эмиттером, с заземленной базой и с заземленным коллектором. Схемы включения транзистора типа ρ—η—ρ показаны на рис. 86.

Для правильного включения транзистора в схему необходимо так подключить источники питания, чтобы между эмиттером и базой действовало прямое напряжение, а между коллектором и базой — обратное.

Сравнивая между собой соответствующие схемы включения транзисторов типа η—ρ—η и типа ρ—η—ρ, можно прийти к выводу, что отличаются они друг от друга только полярностью приложенных напряжений.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРОВ

Статические характеристики транзисторов, как и электронных ламп, представляют собой графически выраженную зависимость между напряжениями на электродах и токами, протекающими в них. Они также являются основой при графических расчетах схем и определении статических параметров транзисторов. Но в трехэлектрод-ной лампе статические характеристики устанавливали зависимость между тремя величинами: напряжением на управляющей сетке, напряжением на аноде и анодным током, причем сеточный ток большей частью не учитывался, так как лампа обычно работает при отрицательном напряжении на сетке. При построении же статических характеристик транзисторов надо учитывать четыре связанные между собой величины: входные и выходные токи и напряжения. При этом следует иметь в виду, что в зависимости от схемы включения транзисторов входные и выходные величины различны. Так, например, в схеме с общим эмиттером входным током будет ток базы, а входным напряжением U_бэ. В схеме с общей базой входным током является ток эмиттера, входным же напряжением по-прежнему остается U₆₃.

Поскольку в транзисторах взаимно связаны четыре величины, то при анализе работы схем и при расчетах пользуются двумя семействами характеристик. Наиболее широкое применение находят входные и выходные характеристики для схем включения с общим эмиттером и с общей базой.

Статические характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, и схема для их снятия приведены на рис. 87. Различают входные и выходные характеристики. Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, называется зависи-

мость тока базы от напряжения на базе при постоянном напряжении на коллекторе:



Схема для снятия характеристик транзистора очень похожа на схемы, рассмотренные ранее для снятия харак-





Рис. 87. Схема для снятия статических характеристик транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (а) и статические характеристики транзистора П-13: входные (б) и выходные (в).

теристик ламп, и пояснения не требует. Только следует иметь в виду, что напряжение источников питания обычно составляет: E₁—десятые доли вольта, а Е₂—десятки вольт. Когда напряжения U_6э и U_кэ равны нулю (потенциометрыП₁ и Π₂ находятся в крайнем нижнем положении), на эмиттерном и коллекторном переходах действуют только контактные разности потенциалов. Ток азы и ток коллектора отсутствуют, хотя имеются токи неовных носители зарядов Неосновные носители (электроны) из базыпопадают как в эмитер так и в коллектор, а дырки из эмиттера и колллектора в – базу.Но эти токи измеряются единицами микроампер , поэтому их неучитывают.

ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА

Емкость р-n перехода вызывает сдвиг фаз межлу входным и выходным током. С увеличением частоты возростает шунтирующее действие на сопротивления r_э r_б емкостей эмиттерного и коллектроного переходов . На высоких частотах емкостное сопротивление становится меньше сопротивления коллекторного перехода г_к и теряет свои свойства.

Емкость С_к можно снизить за счет уменьшения поверхности коллектора. Однако это приводит к уменьшению допустимых значений рассеиваемой коллектором мощности и величины тока коллектора, а следовательно, и к уменьшению коэффициента усиления по току.

Причиной ухудшения работы транзисторов в области высоких частот является также и конечное время диффузии носителей тока через объем базы. Носители тока транзистора двигаются от эмиттера к коллектору со значительно меньшими скоростями, чем носители зарядов (электроны) в электровакуумном приборе. Поэтому время прохождения носителей тока через транзистор становится соизмеримым с периодом входного сигнала уже на более низких частотах, чем это имело место в лампах. Инерционность прибора объясняется тем, что носители зарядов, одновременно вошедшие в базу, двигаясь в ней разными путями, достигают коллекторного перехода не одновременно. В результате происходят искажения усиливаемого сигнала.

ТИПЫ, МАРКИРОВКА И ЭКСПЛУАТАЦИЯ

ТРАНЗИСТОРОВ

Отечественной промышленностью освоен выпуск самых разнообразных транзисторов. При этом с каждым годом совершенствуются их конструкция и технология изготовления, повышается надежность, увеличивается срок службы, а следовательно, и расширяется область практического применения транзисторов.

В настоящее время промышленность выпускает только плоскостные транзисторы различных типов, отличающиеся между собой как технологией изготовления, так и принципом работы.

По принципу работы они делятся на транзисторы, у которых внутри базы отсутствует электрическое поле, а носители зарядов перемещаются в результате диффузии, и на транзисторы, у которых внутри базы имеется электрическое поле, под действием которого и происходит дрейф носителей тока через базу. Первые транзисторы называют диффузионными, вторые — дрейфовыми.

Технология изготовления низкочастотных силовых транзисторов заключается в том, что на диск, выпиленный

из кристалла германия диаметром около 10 мм и толщиной 1—1,5 мм, кладут диск из индия —коллектор, а снизу укрепляют лепесток из сплава индия с галлием — эмиттер. Всю конструкцию помещают в водородную печь, где индий сплавляется с германием. Так образуются р—я-переходы. Готовый транзистор припаивают к держателям, укрепленным в стеклянных бусинках на металлическом фланце. Сверху транзистор закрывают металлическим колпачком, который защищает его от проникновения влаги и механических повреждений.

Часто один из выводов — коллектор или база — соединяют с фланцем (корпусом) транзистора.

Расширение диапазона рабочих частот транзистора достигается за счет уменьшения толщины базы и площади коллектора, поэтому высокочастотные транзисторы изготовляют методом электрохимического травления, например в пластинке германия, двух углублений. После того как толщина базы получается порядка нескольких микрон, на поверхность углублений наносят индий. В объеме под контактом образуется поверхностный переход, или барьер.

Поверхностно-барьерные транзисторы, благодаря своей малой толщине, могут работать на частотах до нескольких десятков мегагерц. Однако по этой же причине на коллектор нельзя подавать напряжения, превышающие 10 в. Допустимая мощность рассеивания коллектором не превышает нескольких десятков милливатт.

Наиболее высокочастотные транзисторы (дрейфовые) изготовляют, используя явление диффузии одних веществ в другие. При этом удается изготовить базу толщиной менее одного микрона. У таких транзисторов ускоряющее электрическое поле коллектора распространяется на область базы. Время движения неосновных носителей зарядов через базу уменьшается. Поэтому верхние граничные частоты достигают сотен мегагерц.

Практическое применение находят также транзисторы, управляемые напряжением, — канальные транзисторы (рис. 93, а).

Канальные транзисторы имеют один электронно-дырочный переход. В средней части германиевой пластинки, с 't-проводимостью вплавлен кольцевой слой индия. К торцам германиевой пластинки подводится постоянное напряжение через сопротивление нагрузки. По пластинке германия течет ток I, определяемый по закону Ома с учетом

напряжения источника питания Е, сопротивления нагрузки R_H и сопротивления пластинки германия. Этот ток создают электроны, двигающиеся в электрическом поле э. д. с. Е, когда между индиевым электродом и германиевой пластинкой приложено обратное напряжение. На рис. 93, а это* напряжение снимается с потенциометра Π.




б



Рис. 93. Конструкции транзисторов: а — канального; б — типа p—n—i—p; в — динисторы и тиристоры; г— условные изображения динисторов и тиристоров в электрических схемах.

Ширина ρ—п-перехода при наличии запирающего напряжения увеличивается. Поле перехода препятствует проникновению в эту область электронов. Чем больше запирающее напряжение, тем меньше поперечное сечение канала германия, по которому перемещаются электроны. Сопротивление пластинки германия и падение напряжения на ней возрастают, напряжение на нагрузке падает. Если к ρ—/г-переходу приложить переменное напряжение сигнала, то ток в цепи, а следовательно, и напряжение на нагрузке будут изменяться в соответствии с входным

сигналом. Основными достоинствами канального транзистора являются большие входное и выходное сопротивления.

На рис. 93, б схематически показана конструкция канального транзистора с дополнительным слоем собственной проводимости (обозначаемым t')· Базу образует кристалл я-германия, в котором примеси распределены неравномерно. К эмиттеру прилегает слой с высокой концентрацией доноров — слой с малым сопротивлением. Остальная часть базы обладает только собственной проводимостью — большим сопротивлением. База имеет кольцевой вывод, прилегающий к низкоомному слою базы, по которому ток эмиттер — база проходит от эмиттера к кольцевому выводу базы.

К коллектору прикладывают напряжение смещения такой величины, чтобы ширина коллекторного перехода доходила до низкоомного слоя базы. При этом коллекторный ток будет проходить на базу только по низкоомной области. Увеличение напряжения на коллекторе не будет сопровождаться увеличением емкости коллекторного перехода, так как перемещение его происходит в области с высокой концентрацией примеси.

Таким образом, при той же толщине базы и площади коллекторного перехода, как и у обычного сплавного транзистора, канальный транзистор типа ρ—η—ί—ρ имеет меньшую емкость коллекторного перехода и более высокие допустимые рабочие напряжения.

Практическое применение находят также д и н и с-торы и тиристоры— приборы to структурой р—п—р—п. Эквивалентную схему этих приборов (рис. 93, в) можно представить в виде соединения двух транзисторов, типа п—р—п (Г₂) и р—п—р (7\).

Коллекторный ток транзистора Г, является базовым отпирающим током транзистора Т₂; коллекторный же ток транзистора Т₂ является базовым отпирающим током транзистора Т₁.

Незначительное увеличение эмиттерного тока тран-зистора Γι вызывает приращение тока коллектора который, поступая на базу транзистора

, вызывает приращение коллекторного тока транзистора Т_г на величину







Коллекторный ток увеличивается в транзис-

торе Г, на величину

К концу первого цикла первоначальное приращение коллекторного тока увеличилось враз. При следующих циклах ток в контуре эквивалентных транзисторов возрастает еще больше. Причиной возрастания тока является также лавинообразное увеличение носителей в обедненной области центрального ρ—я-перехода вследствие ударной ионизации. Поэтому в эквивалентную схему введен стабилитрон Ст. Таким образом, при достаточно большой величине э. д. с. в динисторе происходит генерация носителей тока, ток увеличивается, а напряжение на нем падает, что равноценно появлению «отрицательного» сопротивления ь вольт-амперной характеристике.

Сопротивления R₁ и R₂ шунтируют эмиттерные переходы, так как при небольших э. д. с. рост эмиттерных токов замедляется из-за рекомбинации носителей в полупроводниковых слоях.

Переход структуры ρ—η—ρ—η в проводящее состояние можно вызвать не только увеличением напряжения, но и увеличением тока базы одного из эквивалентных транзисторов. Для этого от одной из баз делают дополнительный вывод. Такие приборы называют тиристорами.

Условные обозначения транзисторов разработки 1964 г. состоят из двух или трех элементов. Первый элемент — буква Π — обозначает плоскостные транзисторы. Второй элемент указывает область применения транзистора (см. табл. 2), третий элемент — разновидность прибора данного типа.

Таблица 2

Цифровые элементы обозначений транзисторов различных типов

Транзисторы	Цифра маркировки (область применения)
	Низкочастотные		Высокочастотные
	маломощные	мощные	маломощные	мощные
Германиевые Кремниевые	1-100 101—200	201—300 301—400	401—500 501—600	601-700

Например, транзистор марки П404А означает плоскост " ной, высокочастотный, маломощный, германиевый транзистор разновидности А. Если транзистор данного тиш не имеет разновидности, то третий элемент обозначения отсутствует.

Вновь разрабатываемым транзисторам присвоены обозначения из четырех элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен транзистор (буква Г или цифра 1 соответствуют германию, а буква К или цифра 2 — кремнию); второй элемент указывает класс прибора (для транзисторов — буква Т, для выпрямительных импульсных диодов — Д, для фотоприборов — Φ и т. д.); третий элемент определяет электрические свойства транзистора; четвертый элемент — разновидность транзистора данного типа.

Например, транзистор марки ГТ405А означает германиевый, высокочастотный, маломощный, разновидности А.

При эксплуатации транзистора необходимо руководствоваться следующими основными правилами:

1. следить за требуемой в данной схеме полярностью источников питания;
   
2. всегда учитывать, что, несмотря на одинаковый тип проводимости эмиттера и коллектора, они не взаимозаменяемы: сопротивление эмиттерного перехода значительно меньше коллекторного, поверхность коллектора гораздо больше поверхности эмиттера и поэтому, при подаче коллекторного напряжения на эмиттер, эмиттер-ный переход пробивается.
   
3. при включении транзистора в схему, находящуюся под напряжением, сначала присоединить базу, потом эмиттер, а затем коллектор;
   
4. отключение транзистора от схемы, находящейся под напряжением, производить в обратной последовательности;
   
5. при пайке гибкие выводы транзистора держать плоскогубцами со стороны корпуса во избежание их перегрева.