Уральский
федеральный
университет
имени первого Президента
России Б. Н. Ельцина
Уральский
энергетический
институт
А. В. КИРИЛЛОВ
А. В. КОСТЫЛЕВ
Н. Д . ЯСЕНЕВ
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина
А. В. Кириллов, А. В. Костылев, Н . Д . Ясенев
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие
Под общей редакцией кандидата технических наук,
доцента А. В. Кириллова
Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника
Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2022
УДК 655.5(075)
ББК 76.17я73
К43
Р ец ен зен ты :
начальник научно-инженерного центра ЗАО «Автоматизированные
системы и комплексы» канд. техн. наук, доц. С. И. Шилин;
ООО «ПФ Тяжпромэлектропривод», генеральный директор канд.
техн. наук, доц. В. И. Зеленцов
Кириллов, Андрей Владиславович.
К43
Основы электроники : учебное пособие / А. В. Кириллов,
А. В. Костылев, Н.Д. Ясенев ; под общ. ред. канд. техн. наук,
доц. А. В. Кириллова; М-во науки и высшего образования РФ. —
Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2022.— 103, [1] с.
ISBN 978-5-7996-3531-2
В учебном пособии рассмотрены вопросы полупроводниковой электроники: фи
зические основы, принцип действия и характеристики основных полупроводнико
вых приборов.
Материал изложен в соответствии с программой обучения дисциплины «Ос
новы электроники» для студентов, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 — «Электроэнергетика и электротехника.
Библиогр.: 9 назв. Табл. Рис. 62. Прил. 1.
Введение....................................................................................................... 5
1. Электропроводность полупроводников. Беспримесные
и примесные полупроводники................................................................. 7
1.1. Особенности электропроводности твердых тел.........................9
1.2. Носители заряда в беспримесных (чистых)
полупроводниках.................................................................................. 11
1.3. Носители заряда в примесных полупроводниках....................14
1.4. Токи в полупроводниках...............................................................18
Тесты к главе 1 ...................................................................................... 21
2. Полупроводниковые диоды................................................................ 23
2.1. Электрические процессы в р -n переходе при отсутствии
внешнего напряжения......................................................................... 24
2.2. Электрические процессы в р -n переходе при наличии
внешнего напряжения......................................................................... 26
2.4. Емкости р -n перехода.................................................................... 33
2.3. Пробойp-n перехода..................................................................... 31
2.5. Стабилитроны................................................................................ 34
Тесты к главе 2 .......................................................................................37
3. Биполярные транзисторы....................................................................38
3.1. Общие положения......................................................................... 38
3.2. Принцип действия транзистора и его основные
параметры ............................................................................................. 39
3.3. Статические вольт-амперные характеристики
транзистора............................................................................................44
3.4. Параметры схем включения биполярного транзистора........51
3.5. Режим переключения биполярного транзистора
в схеме с общим эмиттером.................................................................52
Тесты к главе 3 ...................................................................................... 54
3
■гловление
4. Униполярные (полевые) транзисторы............................................... 55
4.1. Полевой транзистор с р -n переходом........................................ 55
4.2. МДП-транзисторы........................................................................ 59
4.3. Работа полевых транзисторов в импульсном режиме............. 64
4.4. Сравнительная характеристика МДПи биполярного транзистора.................................................................66
Тесты к главе 4 ...................................................................................... 68
5. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)..... 69
Тесты к главе 5 ...................................................................................... 74
6. Тиристоры.............................................................................................. 76
6.1. Типы тиристоров............................................................................76
6.2. Принцип действия однооперационного тиристора............... 77
Тесты к главе 6 .......................................................................................84
7. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы........................... 86
7.1. Классификация оптоэлектронных приборов.......................... 86
7.2. Полупроводниковый излучатель................................................ 87
7.3. Полупроводниковый приемник излучения..............................88
7.4. Оптоэлектронные п ар ы ............................................................... 94
Тесты к главе 7 ...................................................................................... 97
Библиографический список ................................................................... 99
Приложение. Ответы к тестовым вопросам........................................101
4
Введение
Электроника представляет собой область науки и техники, включа
ющую исследование явлений взаимодействия электронов с электро
магнитными полями в вакууме, газовой среде или твердом теле, а так
же разработку и практическое применение приборов, в которых это
взаимодействие используется для преобразования электромагнитной
энергии (электронных приборов).
В составе электроники выделяют следующие области: вакуумную,
твердотельную и квантовую электронику. Каждая из областей содер
жит ряд разделов и направлений.
Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических
явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для
разработки многих классов электронных приборов данной области.
Совокупность разделов всех областей электроники составляет физи
ческую электронику.
Направление охватывает методы конструирования и расчета элек
тронных приборов, родственных по принципам действия или по вы
полняемым функциям, а также способы изготовления этих приборов.
Совокупность направлений всех областей электроники образует тех
ническую электронику. Одним из основных направлений технической
электроники является промышленная электроника, обеспечивающая
внедрение электронных устройств во все отрасли производства, нау
ки, техники и быта.
Разделы и направления твердотельной электроники — полупрово
дниковая, диэлектрическая электроника, магнитоэлектроника, аку
стоэлектроника и пьезоэлектроника, криоэлектроника, разработка
и изготовление резисторов. Наиболее значимой на современном эта
пе развития твердольной электроники является полупроводниковая.
5
ведение
Электроника находится в стадии интенсивного развития, для нее
характерно появление новых областей и создание новых направлений
в уже существующих областях. Одна из основных проблем, стоящих
перед электроникой, связана с требованием улучшения технических
параметров электронных систем с одновременным уменьшением их
габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюри
зации электронной аппаратуры связано с современным этапом разви
тия электроники — микроэлектроникой.
Микроэлектроника — это область электроники, охватывающая ис
следование, конструирование, производство и применение электрон
ных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном
интегральном исполнении. В курсе «Основы электроники» рассмо
трены вопросы полупроводниковой электроники: физические осно
вы, принцип действия и характеристики основных полупроводнико
вых приборов.
Данное пособие может быть использовано для самостоятельного
изучения теоретического материала по курсу «Основы электриники»;
в конце каждой главы приведены контрольные тесты, ответы на кото
рые даны в приложении.
6
1
Электропроводность
полупроводников.
Беспримесные и примесные
полупроводники
Особенности электропроводности твердых тел ► Носители заряда в беспримесных (чистых)
полупроводниках ► Носители заряда в примесных полупроводниках ► Токи в полупроводниках
олупроводники занимают по электропроводности промежу
точное положение между металлами (проводниками электри
ческого тока) и диэлектриками. Особенность электропровод
ности полупроводников обусловливается спецификой распределения
по энергиям электронов атомов, которое характеризуется энергетиче
ской диаграммой полупроводника.
В соответствии с принципами квантовой механики, электроны ато
ма могут обладать определенными значениями энергии, т. е. находить
ся на определенных энергетических уровнях, которые называются раз
решенными (рис. 1.1).
В изолированном атоме существует конечное число энергетических
уровней, на каждом из них могут находиться одновременно не более
двух электронов. Электроны низших уровней сильно связаны с ато
мом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном,
эта связь ослабевает.
В качестве внешних воздействий, способных увеличивать энергию
электронов, могут быть:
• кванты тепла (фононы), иными словами — нагрев;
П
7
Э л еі
|.)о п р о в о д н о с г ь п о л у п р о в о д н и ко в. беспримесные и примесные полупроводники
• кванты света (фотоны), иными словами — освещение;
• электрическое поле;
• магнитное поле.
Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма изолированного атома
В отсутствие внешних воздействий, атом находится в исходном
(невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетиче
ские уровни заняты электронами, а верхние — свободны.
При наличии внешних воздействий, электроны атома приобретают
дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетиче
ские уровни (возбуждение атома) или вовсе освобождаются от атома
и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация ато
ма). При этом внешнему воздействию подвержены электроны высо
ких энергетических уровней, слабее связанные с атомом.
Согласно квантовой теории, энергетическая диаграмма группы
близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения
по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2).
В результате взаимодействия атомов друг с другом, разрешенные
уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близ
ко расположенные смещенные уровни энергии — подуровни. Под
уровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии,
которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число под
уровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в груп
8
пе (например, на рис. 1.2 показана энергетическая диаграмма для че
тырех близко расположенных атомов).
Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма группы
близко расположенных атомов
1.1. О с о б е н н о с т и
э л е к т р о п р о в о д н о с т и т в е р д ы х тел
На электропроводность твердого тела существенное влияние оказы
вает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии
в верхней части энергетической диаграммы (см. рис. 1.2). В зависимо
сти от электронной структуры атома и строения кристаллической ре
шетки, между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо
может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две
вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три клас
са кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники.
На энергетических диаграммах (рис. 1.3) можно выделить две ха
рактерные зоны разрешенных значений энергии: нижнюю (заполнен
ную), она называется валентной зоной, и верхнюю (свободную), она
называется зоной проводимости.
9
1 Электропроводность полупроводников, эѳспримесныѳ и примесные полупроводники
а
б
в
Рис. 1.3. Энергетические диаграммы:
а — металл; б — полупроводник; в —диэлектрик
В отсутствие внешних воздействий на электроны (электрического
и магнитного полей, облучения квантами света, а также при Т= ОК),
все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней
зоне электронов нет.
Рассмотрим различие в электропроводности указанных трех клас
сов кристаллических тел с точки зрения особенностей их энергетиче
ских диаграмм.
В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к ва
лентной зоне (см. рис. 1.3, а). Электронам валентной зоны достаточ
но сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону сво
бодных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического
поля, в металле имеется большое число свободных (не связанных с ато
мами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электриче
скую проводимость.
В полупроводниках (см. рис. 13,6) свободная зона отделена от ва
лентной зоны запрещенной зоной энергии AJ¥3. Величина AW3опреде
ляет энергию (в электронвольтах), которую нужно сообщить электро
ну, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной
зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне
10
i.P. / іо с и т ѳ л и заряда в бѳапрі«іѳаных -чі іатьіх) полупроводниках
свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии
для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов
из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению
числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с метал
лом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.
Способность преодоления электронами запрещенной зоны зави
сит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температу
ры кристалла: с повышением температуры проводимость чистых по
лупроводников возрастает.
Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел, относя
щихся к полупроводникам, не превышает 3 эВ (ДЖ3< 3 эВ). Их элек
трическая проводимость возникает при температуре выше 80... 100 К.
Диэлектрики (см. рис. 1.3, в) отличаются от полупроводников бо
лее широкой запрещенной зоной. У них АЖ3 > 3 эВ и может достигать
6. ..10 эВ. В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становит
ся заметной лишь при температуре не ниже 400...800 °С или сильных
электрических полях (пробой).
1.2. Н о с и т е л и з а р я д а в б е с п р и м е с н ы х
(чистых) п о л у п р о в о д н и к а х
Рассмотрим особенности образования носителей заряда в полупро
водниках на примере германия и кремния, получивших наибольшее
распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.
Германий и кремний принадлежат к IV группе Периодической си
стемы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четы
ре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия равна
0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ (ДЖ3 (Ge) = 0,72 эВ; ДЖ. (Si) = 1,12 эВ).
В отсутствие структурных дефектов и при Т= 0 К, четыре валентных
электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют
в так называемых ковалентных связях с соседними атомами. Эти свя
зи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки
каждого атома с внешними электронными оболочками рядом распо
ложенных четырех атомов кристалла. При таком перекрытии все че
тыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании кова
лентных связей с четырьмя соседними атомами.
11
. Элеі-дх-проводносгь полу пре-водников, эеспримѳсные и примесные полупроводники
Участие всех электронов атомов кристалла в создании ковалент
ных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов
на уровнях энергии валентной зоны.
Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энер
гии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становит
ся достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кри
сталлической решетки. Валентный электрон освобождается от связей
и становится свободным (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Пример возникновения свободного электрона
и дырки в кристалле полупроводника
Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энер
гетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уро
вень зоны проводимости.
Свободный электрон способен изменять свою энергию и переме
щаться между узлами кристаллической решетки под воздействием
электрического поля, т. е. участвовать в создании тока.
Образование свободного электрона сопровождается разрывом ко
валентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так на
зываемой дырки (см. рис. 1.4). Отсутствие электрона в ковалентной
12
і.Р. і іоситѳли заряда о бѳапрі а і ѳсных -чі ядах) полупроводниках
связи равносильно появлению в данном месте положительного заря
да, который и приписывают дырке.
На энергетической диаграмме образование дырки после перехо
да электрона в зону проводимости отождествляют с появлением ва
кантного уровня энергии в валентной зоне, позволяющего электро
нам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами)
изменять энергию под воздействием электрического поля, т. е. пере
мещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока.
Фактическое перемещение валентных электронов под воздействи
ем внешнего электрического поля при их последовательном заполне
нии образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может
быть заменено движением дырки между узлами кристаллической ре
шетки в противоположном направлении. Действительно, валентный
электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует)
дырку с приближением к ней. Дырка исчезает, и восстанавливается
ковалентная связь у данного атома, но возникает новая дырка в той
ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в од
ном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как
движение дырки (см. рис. 1.4).
Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей за
ряда обусловливается различием в подвижностях свободных электро
нов и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уров
ням энергии.
При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной
зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В резуль
тате этого процесса, получившего название термогенерации носителей
заряда, в полупроводнике создается некоторая концентрация электро
нов щ в свободной зоне и равная ей концентрация дырок р, в валент
ной зоне (индекс «і» означает, что речь идет о чистых, беспримесных
полупроводниках). При этом nhpiназывают собственными концентра
циями носителей заряда в полупроводнике. Концентрация носителей
заряда зависит от температуры кристалла, ширины запрещенной зоны
и определяется по выражению
W3
щ = Рі =Ае 2кТ ,
(1.1)
где А — коэффициент, значение которого зависит от рода кристалла;
к — постоянная Больцмана, к = 1,37*10 23Дж/К;
Т — абсолютная температура, К.
13
. Злеігропроводносгь полупроводников. эес п р имес ные и п р име с ные пол у п рс ■вс:д н ики
Таким образом, из выражения (1.1) можно сделать вывод, что
концентрация носителей заряда в беспримесном полупроводнике
и его электрическая проводимость увеличиваются с повышением
температуры и уменьшаются с ростом ширины запрещенной зоны.
Электроны и дырки являются подвижными частицами. Постоянство
их концентрации, определяемой из соотношения (1.1), при неизмен
ной температуре обусловливается тем, что в любом элементе объема
полупроводника одновременно действуют два процесса: термогене
рация носителей заряда, а также исчезновение электронов и дырок
за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные
уровни валентной зоны (рекомбинация носителей заряда). Соответ
ствующая концентрация устанавливается из условия динамического
равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заря
да равно количеству рекомбинирующих носителей.
1.3.
Носители заряда
в примесных полупроводниках
При производстве полупроводниковых приборов помимо чистых
полупроводников, в частности чистых германия и кремния, являющих
ся исходными материалами, используют примесные полупроводники.
Введение примеси связано с необходимостью создания в полупрово
днике преимущественно электронной либо дырочной электропро
водности и увеличения электрической проводимости в целом. В связи
с этим различают соответственно электронные («-типа) и дырочные
(p-типа) полупроводники.
По л у п р о в о д н и к п- тип а
Для получения полупроводника с электропроводностью «-типа,
в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупрово
днике только свободные электроны. Вводимая примесь является «по
ставщиком» электронов, в связи с чем ее называют донорной. Для гер
мания и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы
элементов, донорной примесью служат элементы У группы (сурьма
14
(Sb), фосфор (P), мышьяк (As)), атомы которых имеют пять валент
ных электронов. При внесении такой примеси, атомы исходного по
лупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки замеща
ются атомами примеси (рис. 1.5).
Рис. 1.5. Пример возникновения свободного электрона
в кристалле полупроводника «-типа
Четыре электрона каждого атома донорной примеси участвуют в ко
валентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый
(«избыточный») электрон, не участвующий в ковалентной связи, ока
зывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того что
бы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда,
требуется значительно менышее количество энергии, чем для освобож
дения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения та
кой энергии (например, энергии фонона при комнатной температуре
кристалла) «избыточный» электрон покидает атом и становится сво
бодным, а атом примеси превращается в положительный ион (иони
зация атома примеси). Концентрация электронов в зоне проводимо
сти (свободных электронов) при этом определяется преимущественно
концентрацией введенной примеси Na, а не собственными электрона
ми валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону
А1Ѵ3. В соответствии с этим концентрация электронов п„ в полупровод
нике «-типа существенно выше концентрации дырокр}„ образующей
15
1. Электропроводность полупроводников. беспримесные и примесные полупроводники
ся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону прово
димости. Можно считать, что в полупроводнике д-типа ток создается
в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае
являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
П о л у п р о в о д н и к р -т и п а
В полупроводниках д-типа введение примеси направлено на по
вышение концентрации дырок. Задача решается путем использова
ния в качестве примеси элементов III группы Периодической систе
мы (индий (In), галлий (Ga), алюминий (А1), бор (В)), атомы которых
имеют по три валентных электрона (рис. 1.6).
Рис. 1.6. Пример возникновения свободного электрона
в кристалле полупроводника р -типа
При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три
заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного по
лупроводника в кристаллической решетке. Четвертая связь остается
незаполненной. Недостающий валентный электрон, для заполнения
связи, принимается от одного из соседних атомов кристаллической ре
шетки, т. к. требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход
электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи сосед
него атома, откуда ушел электрон, и превращению атома в неподвиж
ный отрицательный ион. В результате этого, за счет примеси дости
16
гается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы
примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, на
зывают акцепторными, а саму примесь — акцепторной.
Концентрация дырок в валентной зоне в таком случае определяет
ся преимущественно концентрацией внесенной акцепторной приме
си Na, а не дырками, возникающими при термогенерации носителей
заряда за счет преодоления валентными электронами широкой запре
щенной зоны АЖ,. В соответствии с этим концентрация дырокрр в по
лупроводнике р-типа существенно больше концентрации свободных
электронов пр. По данной причине ток в дырочном полупроводнике
переносится в основном дырками. Дырки в этом случае являются ос
новными носителями заряда, а электроны — неосновными.
Таким образом, в примесных полупроводниках концентрации
основных носителей заряда (п„ — электронного полупроводника
и Рр —дырочного полупроводника) создаются за счет внесения при
меси, а концентрации неосновных носителей заряда (пр,р„ — соот
ветственно электронного и дырочного полупроводников) — за счет
термогенерации носителей заряда, связанной с переходом электро
нов из валентной зоны в зону проводимости.
Необходимая примесь вносится в количестве, при котором кон
центрация основных носителей заряда существенно (на 2...3 поряд
ка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зави
симости от концентрации введенной примеси, удельная проводимость
примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым по
лупроводником в десятки и сотни тысяч раз.
Характерной особенностью полупроводников рассматриваемых ти
пов является то, что произведение концентраций основных и неоснов
ных носителей заряда при данной температуре является постоянной
величиной и определяется по соотношениям
_т
п„Р„=Ррпр =ПіРі=А2е кТ,
где щ — собственные концентрации носителей заряда в чистом полу
проводнике, П; = /?,-.
Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накла
дывает ограничения на температурный диапазон применения полупро
водниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется
17
. Электропроводность полупроврднінов. эеспримесные и примесные полупроводники
существенным превышением в примесных полупроводниках концен
трации основных носителей заряда над неосновными ( пк» рр, рр » пр)
при концентрации основных носителей заряда близкой к концентра
ции внесенной примеси (пп ~ Лд;рр ~ NJ. При температурах, превыша
ющих верхний температурный предел, причиной нарушения условия
пп ~ /Ѵд;рр ~ Naявляется повышение роли концентрации носителей за
ряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоле
ния валентными электронами запрещенной зоны АЖ... При этом может
оказаться, что концентрация носителей заряда и электрическая про
водимость в полупроводнике будут определяться не по концентрации
внесенной примеси, а по концентрации собственных носителей заря
да — электронов и дырок (вырождение примесного полупроводника
в собственный полупроводник). Верхний температурный предел за
висит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет
для германия 75...85 °С, а для кремния 150. ..170 °С. В этом проявляет
ся существенное преимущество кремния как материала для полупро
водниковых приборов.
При температуре ниже рабочего диапазона, концентрация неос
новных носителей заряда, создаваемая термогенерацией, ничтожно
мала. Основную роль здесь играет понижение концентрации основ
ных носителей заряда (и уменьшение электрической проводимости)
вследствие уменьшения количества ионизированных атомов приме
си. Нижний температурный предел работы полупроводниковых при
боров составляет —55...—60 °С.
1.4. Токи в п о л у п р о в о д н и к а х
Факторами, создающими упорядоченное движение носителей за
ряда, т. е. обусловливающими электрический ток в кристалле полу
проводника являются:
• электрическое поле;
• неравномерность распределения концентраций носителей
заряда.
В отсутствие электрического поля в кристалле и одинаковой кон
центрации носителей заряда в объеме полупроводника, электроны
и дырки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движе
18
/А юки в полупроводниках
нии, распределенном по всем направлениям, и ток в кристалле равен
нулю.
Направленное движение носителей заряда под воздействием элек
трического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воз
действием разности концентраций носителей заряда — диффузией
(диффузионное движение). В зависимости от характера движения но
сителей заряда различают соответственно дрейфовый и диффузион
ный токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей за
ряда — электронные и дырочные составляющие этих токов.
1.4.1. Дрейфовый ток
Под воздействием электрического поля носители заряда перемеща
ются в кристалле с некоторой средней скоростью цср, пропорциональ
ной напряженности электрического поля Е:
( 1.2)
° с р ,= и Л
Коэффициент пропорциональности называют подвижностью элек
тронов и дырок . Электроны перемещаются в направлении, про
тивоположном действию поля, а дырки — в направлении действия
поля. Этим объясняется наличие знака минус в формуле (1.2). Так, для
германия ц„ = 3800 см2/(В • с); \ір = 1800 см2/(В • с), а для кремния
= 1300 см2/(В • с);
= 500 см2/(В-с).
Плотности дрейфовых составляющих тока в кристалле определя
ются по величине заряда, переносимого носителями через единичное
сечение в единицу времени:
(1.3)
Л» Р=ЯР»сРР,
(1.4)
где q — заряд электрона;
п, р — концентрации электронов и дырок в объеме полупроводника.
Знак минус в выражении (1.4) означает, что принятому направ
лению тока соответствует противоположное направление движения
электронов.
С учетом выражений (1.3) и (1.4) соотношения для плотностей дрей
фового электронного и дырочного токов можно записать в виде
19
inек_роп ровод носгь полуп роводн и ков. эесп римесные и примесные полуп роводники
(1.5)
J№p=qp\ipE .
( 1 .6)
Суммарная плотность тока, протекающего через полупроводник
под действием электрического поля,
В чистых полупроводниках п = р , но ц„ примерно вдвое больше \ьр.
По этой причине в чистых полупроводниках электронная составляющая
плотности тока в то же число раз больше дырочной. В примесных же по
лупроводниках концентрации п и р различаются на несколько поряд
ков, в связи с чем в электронном полупроводнике дрейфовый ток обус
ловливается преимущественно электронами, а в дырочном —дырками.
1.4.2. Влияние температуры
на плотность дрейфового тока
Из формул (1.5) и (1.6) следует, что плотность тока (проводимость)
полупроводников зависит от концентрации носителей заряда и их
подвижности. Подвижность носителей заряда уменьшается с ростом
температуры. Это объясняется повышением интенсивности тепловых
колебаний атомов в кристаллической решетке и увеличением вероят
ности столкновений с ними электронов и дырок. В чистых полупро
водниках, несмотря на снижение подвижности носителей, плотность
тока и проводимость увеличиваются с ростом температуры вследствие
повышения концентрации носителей заряда. В примесных полупро
водниках в рабочем диапазоне температур концентрация носителей
заряда мало изменяется, т. к. ее определяет главным образом концен
трация основных носителей заряда, созданная примесью (все атомы
примеси ионизированы). В связи с этим плотность тока и проводи
мость здесь с ростом температуры несколько уменьшаются вследствие
уменьшения подвижности.
1.4.3. Диффузионный ток
Диффузионное движение носителей заряда возникает, когда име
ется различие в концентрации электронов (дырок) в соседних сло
ях полупроводника. Носители заряда перемещаются из слоя с боль
20
9С7ы / главе
шей концентрацией в слой с меньшей концентрацией. Если в данном
слое постоянно поддерживается более высокая концентрация носи
телей заряда, чем в соседнем с ним слое, то создается непрерывный
диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания кон
центрации.
Плотности потоков носителей заряда пропорциональны градиен
ту их концентрации. При одномерной диффузии (когда концентрация
вдоль оси * падает: dn/dх < 0 или dp/dx < 0) их находят из соотношений:
dn
dx ’
dp
диф p
dx ’
где Dn, Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок, см2*б
./ с.
Коэффициенты диффузии равны числу носителей заряда, диф
фундирующих за 1 с через площадку в 1 см2 при единичном градиен
те концентрации.
дифи
=QDn
Т ес т ы к г л а в е 1
1. Изменение какого парам етра влияет на концентрацию со б
ственных носителей заряда в полупроводнике?
Варианты ответов:
а. Температура.
б. Постоянная Больцмана.
в. Длина полупроводниковой пластины.
г. Ширина запрещенной зоны.
2. Насколько в примесном полупроводнике концентрация о с
новных носителей заряда должна превышать концентрацию неос
новных?
Варианты ответов:
а. На 10-20.
б. На два-три порядка.
в. В сто — тысячу раз.
г. На 500-1000.
21
Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники
3.
Как называется направленное движение носителей заряда
под воздействием электрического поля?
Варианты ответов:
а. Дрейф.
б. Диффузия.
в. Градиент.
г. Подвижность.
22
2
Полупроводниковые диоды
Электрические процессы в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения
► Электрические процессы в р-п переходе при наличии внешнего напряжения
► Пробой р-п перехода ► Емкости р-п перехода ► Стабилитроны
Д
иодами называют двухэлектродные элементы электрической
цепи, обладающие односторонней проводимостью тока.
В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость
обусловливается применением полупроводниковой структуры, со
четающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р),
а другой — электронной (п) электропроводностью (рис. 2.1, а). Обо
значение диода на электронных схемах и его упрощенная (идеальная)
вольт-амперная характеристика (ВАХ) показаны на рис. 2 .1 6 , в.
а
б
в
,
VD
ак
Рис. 2.1. Полупроводниковый диод:
а — структура; б — условное графическое обозначение;
в — идеальная вольт-амперная характеристика
Принцип действия полупроводникового диода основывается
на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и «-слоев,
в так называемом электронно-дырочном переходе (р-п переход).
23
2. Полупроводниковые диоды
2.1. Э л е к т р и ч е с к и е п р о ц е с с ы в р - п п е р е х о д е
п ри о т с у т с т в и и в н е ш н е г о н а п р я ж е н и я
В германиевых и кремниевых диодах двухслойная р-п структура
(рис. 2.2, а) создается путем введения в один из слоев монокристалла
акцепторной примеси, а в другой — донорной.
j
-------------------
jд
Рис. 2.2. Образованиеp-n перехода:
а —p-n структура полупроводника; б —распределение концентраций носителей
зараяда; в — составляющие плотности диффузионного тока; г — возникновение
объемных зарядов; д — внутреннее электрическое поле с потенциальным
барьером j 0; е — составляющие плотности дрейфового тока
24
in ряжен ия
Распределение концентраций носителей заряда для простейшего
случая, когда Na = TV,, показано на рис. 2.2, б. На практике наиболь
шее распространение получили р-п структуры с неодинаковой кон
центрацией внесенных акцепторной Naи донорной ІѴДпримесей, т. е.
с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях
пп ~ ТѴД; рр ~ N a. Типичными являются структуры с Лта ;» N a (рр з> пп).
В р-п структуре, на границе раздела слоев, возникает разность кон
центраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являют
ся основными, в другом — неосновными (см. рис. 2.2, б). В пригра
ничной области, под действием разности концентраций, возникает
диффузионное движение основных носителей заряда во встречном на
правлении через границу раздела. Дырки из ^-области диффундиру
ют в «-область, электроны из «-области — в ^-область (см. рис. 2.2, в).
Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда
через границу раздела слоев является появление в приграничных об
ластях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так,
при уходе дырок из р -слоя, в нем создается нескомпенсированный
отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных
ионов акцепторных атомов примеси. Электроны же, ушедшие
из «-слоя, оставляют здесь нескомпенсированный положительный
объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных
атомов примеси (рис. 2.2, г).
Наличие объемного заряда является главной особенностью р-п пере
хода. Из-за наличия объемного заряда, в р-п переходе создается элек
трическое поле с потенциальным барьером ф0 (см. рис. 2.2, д), кото
рое создает тормозящее действие для основных и ускоряющее — для
неосновных носителей заряда, т. е. внутреннее электрическое поле
приводит к уменьшению плотности диффузионного тока / диф через
переход и появлению встречного ему дрейфового тока плотностью J№
(см. рис. 2.2, е). Дрейфовый ток имеет направление, противоположное
направлению диффузионного тока. Вследствие этого обеспечивается
равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направ
лениях, т.е. равенство нулю суммарного тока в отсутствие внешнего
электрического поля.
Величина потенциального барьера ф0(называемого также контакт
ной разностью потенциалов) зависит от соотношения концентраций
носителей заряда одного знака по обе стороны перехода
25
2. Полупроводниковые диоды
, Рр
ргЯ
■
, Пп
пр
Ф0 =ФГ ІП — =ФГ In —
где фг — тепловой потенциал, В,
кТ
Ф г= ---- .
Q
Здесь к — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура, К;
q — заряд электрона, Кл.
При комнатной температуре для германия ф0(Ge) = 0,3. ..0,5 В, а для
кремния фо (Si) = 0,6...0,8 В.
В условиях динамического равновесия, уменьшение концентрации
неосновных носителей заряда за счет их ухода черезр-п переход будет
постоянно восполняться носителями того же знака за счет их диффу
зии из противоположных слоев.
2.2. Э л е к т р и ч е с к и е п р о ц е с с ы
в р - п п е р е х о д е п ри н а л и ч и и
внешнего напряжения
Подключение к р-п структуре внешнего напряжения (напряжения
смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через р-п
переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего
напряжения, с которой оно прикладывается к р-п переходу.
2.2.1. Прямая ветвь вольт-амперной
характеристики диода
Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к р-п
структуре в прямом направлении, т. е. плюсом источника к выводу
^-области, а минусом источника к выводу л-области (рис. 2.3). При та
ком подключении источника создаваемое им электрическое поле на
правлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приво
дит к уменьшению результирующего поля в р-п переходе. Объемный
заряд обоих знаков, сосредоточенный в переходе по разные стороны
26
zz
Элоісгричг
гы в p-n переходе
пичі
ni
внешнего н
границы раздела, будет определяться не только по величине ф0, обу
словливаемой, как было показано, диффузионным движением носите
лей заряда под действием разности их концентраций в приграничных
слоях, но и по внешнему напряжению Unv. Объемному заряду в пере
ходе будет отвечать напряжение (ср0 — £7пр) меньшее, чем в отсутствие
внешнего источника. Величина (ср0 — £/пр) определяет высоту потен
циального барьера в р -n переходе при включении внешнего напряже
ния в прямом направлении. Уменьшение объемного заряда (потенци
ального барьера) проявляется в сужении р-п перехода.
Рис. 2.3. Полярность подключения внешнего напряжения
в прямом направлении:
а — структура р -n перехода; б — обозначение диода
Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных
носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в со
седние области, что приводит к увеличению диффузионного тока че
рез р -n переход. Указанное явление называют инжекцией носителей
заряда через р -n переход.
Вместе с тем дрейфовый ток через р -n переход, создаваемый по
токами неосновных носителей заряда, остается без изменения. Раз
ность диффузионного и дрейфового токов определяет результиру
ющий прямой ток через р -n переход (прямой ток диода). Плотность
прямого тока будет
*^пр = ^диф “ ^др •
(2-1)
С повышением приложенного внешнего напряжения, диффузион
ный ток увеличивается, в связи с чем возрастает прямой ток через р-п
переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характери
стики р -n перехода (диода) показан на рис. 2.4.
В кремниевых диодах значение ф0 больше, чем в германиевых. Это
является одной из причин большего падения напряжения Д[/||рв крем
27
2. П0гуіС"0Еі0Д-,К03эіе Д/ІОДэІ
ниевых диодах (0,8... 1,2 В) по сравнению с германиевыми диодами
(0,3...0,6 В) при протекании тока в прямом направлении.
Рис. 2.4. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода
2.2.2. Обратная ветвь вольт-амперной
характеристики диода
Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к р-п
структуре в обратном направлении, т. е. плюсом источника к выводу
«-области, а минусом источника к выводур -области (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Полярность подключения внешнего напряжения
в обратном направлении:
а — структура р-п перехода; б — обозначение диода
При таком подключении источника внешнего напряжения, созда
ваемое им электрическое поле сонаправлено с внутренним полем пе
рехода, что приводит к увеличению результирующего поля. Потен
циальный барьер фовозрастает на величину £/обр и становится равным
(фо + Uo6р). При этом увеличивается объемный заряд в р-п переходе и его
28
\.yj :ЫКi (.уИЧѲі 'КИѲ і п.Х.)ЦЫІ'і'ЬІ U
і і :Ы(..)ЫХі.'£ІЫ i if. )И r-КІГИЧИИ U^tiLU H ti: i.) !~KX (.у'Я/:\ЬХ~! ИЯ
ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение
черезр-п переход основных носителей заряда, вследствие чего диффу
зионный ток, создаваемый этими носителями, уменьшается. Дрейфо
вый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей
заряда по обе стороны перехода, можно считать неизменным. Одна
ко теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет
протекать ток в обратном направлении (рис. 2.6):
( 2.2)
i
Го
ак
II
-и
оо\
Гбр *^др 'Гиф '
1
-/
Рис. 2.6. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода
При небольших обратных напряжениях (участок 0—1) увеличение
обратного тока происходит за счет уменьшения диффузионной состав
ляющей. При обратном напряжении, соответствующем т. 1 и большем,
основные носители заряда неспособны преодолеть потенциальныйба
рьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняет
ся отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напря
жения (участок характеристики левее т. 1).
Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда, за
висит от их концентраций в р- и я-слоях, а также от рабочей поверх
ности р-п перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных дио
дах, имеющих большую площадь р-п перехода, обратный ток больше,
чем в маломощных.
Поскольку концентрация неосновных носителей заряда согласно
выражению (1.1) является функцией температуры кристалла, обратный
ток диода также зависит от температуры. По данной причине обрат
ный ток иногда называют тепловым. Увеличение обратного тока с ро
стом температуры происходит по примерно экспоненциальному закону.
Кроме того, согласно выражению (1.1) концентрация неосновных
носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны
29
2. Полупроводниковые pi юры
на энергетической диаграмме полупроводника. Ширина запрещенной
зоны в кремнии (1,12 эВ) больше, чем в германии (0,72 эВ). В силу это
го обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков мень
ше, чем в германиевых, и кремниевые диоды допускают эксплуата
цию при более высокой температуре полупроводниковой структуры
(135...140 °С против 50...60 °С у германиевых диодов). Отметим также,
что кремниевые диоды применимы при более высоких обратных на
пряжениях, чем германиевые (2500...3500 В против наибольших зна
чений 500...600 В у германиевых диодов).
2.2.3. Полная вольт-амперная
характеристика диода
Полная вольт-амперная характеристика полупроводниково
го диода приведена на рис. 2.6. От характеристики идеального дио
да (см. рис. 2.1, в) она отличается некоторым падением напряжения
на приборе при пропускании прямого тока и наличием обратного тока
в случае приложения обратного напряжения.
Рис. 2.6. Упрощенная вольт-амперная характеристика диода
Прямой ток диода создается основными, а обратный — неоснов
ными носителями заряда. Концентрация основных носителей заря
да на несколько порядков превышает концентрацию неосновных
носителей. Этим и обусловливаются свойства односторонней про
водимости р-п перехода, а следовательно, и диода.
30
''Іробсй р-п п е р и о д а
2.3. П р о б о й р - п п е р е х о д а
В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить
принцип действия полупроводникового диода, не учитывались неко
торые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной ха
рактеристике.
На обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода оказы
вают влияние два фактора:
• ток утечки через поверхность р-п перехода;
• генерация носителей заряда, которая является причиной воз
можного пробоя р-п перехода.
Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт-амперной
характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 2.7.
Рис. 2.7. Обратная ветвь вольт-амерной характеристики диода
с учетом дополнительных факторов
Ток утечки связан линейной зависимостью с обратным напряжени
ем UaK. Он создается различными загрязнениями на внешней поверх
ности р-п структуры, что повышает поверхностную электрическую
проводимость р-п перехода и обратный ток через диод. Эта составля
ющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка
1—2 на характеристике диода (рис. 2.7).
Влияние генерации носителей заряда в р-п переходе обычно ска
зывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляет
ся сначала в нарушении линейной зависимости изменения обратного
тока от напряжения —UaK(участок 2—3), а затем в резком возрастании
31
2. Полупроводниковые диоды
обратного тока (участок 3—5), характеризующем пробойр-п перехода.
В зависимости от причин, вызывающих появление дополнитель
ных носителей заряда в/5-я-переходе, различают:
• электрический пробой, который может быть лавинным или тун
нельным;
• тепловой пробой.
Рассмотрим эти виды пробоя.
2.3.1. Электрический пробой
Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей
в р-п переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми но
сителями заряда. Он происходит следующим образом.
Неосновные носители заряда, поступающие в р-п переход при дей
ствии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем
сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответству
ющей напряженности электрического поля, носители заряда приоб
ретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При
этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электро
ны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами
также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс
носит лавинный характер.
Лавинный пробой возникает в широких р-п переходах, где при дви
жении под действием электрического поля носители заряда, встреча
ясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между
столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.
В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв ва
лентных электронов от атомов кристаллической решетки под действи
ем сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополни
тельные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный
ток через р-п переход. Туннельный пробой развивается в узких р-п пе
реходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении име
ется высокая напряженность поля.
Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением поч
ти вертикального участка 3—4 на обратной ветви вольт-амперной ха
рактеристики (см. рис. 2.7). Причина этого заключается в том, что
небольшое повышение напряжения на р-п переходе вызывает более ин
тенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или тун
32
:перехода
нельном пробое. Оба эти вида пробоя являются обратимыми процес
сами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при
своевременном снижении напряжения его свойства сохраняются.
2.3.2. Тепловой пробой
Тепловой пробой возникает в результате интенсивной термогене
рации носителей в р-п переходе при недопустимом повышении тем
пературы. Процесс развивается лавинообразно и, ввиду неоднородно
сти р-п перехода, обычно носит локальный характер. Лавинообразное
развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение чис
ла носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увели
чение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка
р-п перехода. Процесс является необратимым и заканчивается рас
плавлением этого участка и выходом прибора из строя.
Тепловой пробой также может произойти в результате перегре
ва отдельного участка р-п перехода вследствие протекания большо
го обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок
4—5 на рис. 2.7). В этом случае тепловой пробой оказывается следствием
недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения).
Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем пе
регреве р-п перехода из-за ухудшения, например, условий теплоотвода.
Вследствие этого он может произойти при меньшем напряжении —UaK,
минуя стадии лавинного или туннельного пробоя. В паспорте на при
бор указывается допустимое обратное напряжение £7^ доп (см. рис. 2.7)
и температурный диапазон работы для того, чтобы учитывать возмож
ность теплового пробоя р-п перехода. Величина допустимого обрат
ного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности
электрического пробоя и составляет (0,5...0,8)0^.
2.А. Е м к о с т и р - п п е р е х о д а
Емкостьр-п перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей.
Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточени
ем по обе стороны границы раздела р- и я-слоев объемных зарядов,
создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом барьерной ем
кости приближенно может служить емкость плоского конденсатора.
33
2. Полупроводниковые риоры
Барьерная емкость зависима от протекания тока через р-п переход
вследствие изменения объемньж зарядов (а следовательно, ширины р-п
перехода) при изменении напряжения на переходе. Зарядная емкость
возрастает с уменьшением толщины р-п перехода, т.е. при снижении
обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при
обратных. Величина барьерной емкости зависит от площади р-п пере
хода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость ба
рьерной емкости р-п перехода от обратного напряжения используется
в варикапах (параметрических диодах), применяемых в качестве кон
денсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.
Диффузионная емкость обусловливается изменением суммарных
зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева
и справа от р-п перехода в результате изменения напряжения на нем.
Поскольку эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) но
сителей через р-п переход, диффузионную емкость следует учитывать
при прямом напряжении смещения. В несимметричных р-п перехо
дах, для которых рр » пп, диффузионная емкость определяется пре
имущественно по суммарному заряду неравновесных дырок в л-слое,
величина которого изменяется при изменении прямого напряжения.
Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через
р-п переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофа
рад, т.е. она существенно больше барьерной емкости.
Т аким о б р а зо м , при прям ы х н ап р я ж ен и я х см ещ ен и я , ем к ость
р-п п е р е х о д а о п р е д е л я е т с я в о с н о в н о м д и ф ф у з и о н н о й е м к о с т ь ю ,
а п р и о б р а т н ы х н а п р я ж е н и я х , когда д и ф ф у з и о н н а я е м к о ст ь р авн а
н у л ю , — б а р ь е р н о й ем к о с т ь ю .
2.5. С т а б и л и т р о н ы
Стабилитроны — полупроводниковые диоды, напряжение на кото
рых в области электрического пробоя слабо зависит от тока (в рабо
чем его диапазоне), предназначенные для стабилизации напряжения.
В полупроводниковых стабилитронах (рис. 2.8) используется свой
ство незначительного изменения обратного напряжения на р-п пере
ходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рис. 2.9).
34
'тяб:■;лиr/л■.■■нi>,
VD
Рис. 2.8. Обозначение стабилитрона
Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового стабилитрона
Участок 1-2 обратной ветви (рис. 2.9) является рабочим участком
вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.
Стабилитрон включается параллельно нагрузке RHв обратном на
правлении (рис. 2.10).
^огр
Рис. 2.10. Схема включения стабилитрона
35
2. Полупроводниковые диоды
Основными параметрами стабилитрона являются:
• напряжение стабилизации ист. Это главный параметр прибора.
истравно напряжению пробоя ипр;
• минимальный ток стабилитрона / сттіп.
Т. 1 на характеристике соответствует минимальному току ста
билитрона /ст.^п, при котором наступает пробой. Необходимость
получения малого значения этого тока является одной из при
чин выполнения стабилитронов из кремния;
• максимальный ток стабилитрона / с1,тах. Это значение тока ста
билизации, достижение которого еще не грозит тепловым про
боем p-n перехода;
• динамическое сопротивление гд.
Динамическое сопротивление является параметром, опреде
ляющим наклон рабочего участка характеристики,
. _AUr
д А/
• температурный коэффициент нестабильности напряжения а н
(ТКН). Он является показателем зависимости напряжения ист
от температуры. Он определяет изменение в процентах напряжения
истпри изменении температуры окружающей среды на 1 °C. Для
кремниевых стабилитронов ТКН может быть положительным
или отрицательным и составлять в зависимости от типа прибора
0,0005...0,2 %/°C.
Если единица измерения ТКН —процент на градус Цельсия ( %/°C),
то формула будет
ан
— AU^L .100%;
U
^ с т A Tст
если формула измерения ТКН — милливольт на градус Цельсия
(мВ/°С), то
AU„
а н = ----ст
н АТ
36
Т ес т ы к г л а в е 2
1. Какое действие оказывает внутреннее электрическое поле
р -п перехода на основные носители заряда?
Варианты ответов:
а. Ускоряющее.
б. Замедляющее.
в. Не оказывает действия.
2. Какими носителями заряда создается прямой ток диода?
Варианты ответов:
а. Основными.
б. Неосновными.
в. Электронами.
г. Дырками.
3. Какой тип пробоя р -п перехода может стать следствием недо
пустимого повышения обратного напряжения на диоде?
Варианты ответов:
а. Тоннельный.
б. Лавинный.
в. Тепловой.
4. Каким образом стабилитрон включается в схеме относитель
но нагрузки?
Варианты ответов:
а. Параллельно нагрузке в любом направлении.
б. Последовательно с нагрузкой.
в. Параллельно нагрузке в прямом направлении.
г. Параллельно нагрузке в обратном направлении.
37
3
Биполярные транзисторы
Общие положения ► Принцип действия транзистора и его основные параметры ► Статические
вольт-амперные характеристики транзистора ► Параметры схем включения биполярного
транзистора ► Режим переключения биполярного транзистора в схеме с общим эмипером
3.1. О б щ и е п о л о ж е н и я
иполярный транзистор — полупроводниковый прибор с двумя
или несколькими взаимодействующимир-п переходами и тре
мя (или более) выводами, усилительные свойства которого об
условлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носите
лей заряда. Транзистор называется биполярным, поскольку в работе
прибора участвуют одновременно два типа носителей заряда — элек
троны и дырки.
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полу
проводниковую структуру с чередующимся типом электропроводно
сти слоев и содержит два р-п перехода. В зависимости от чередования
слоев существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 3.1).
Трехслойная транзисторная структура типа р-п-р показана
на рис. 3.1, а. Пластина полупроводника п-типа является основани
ем конструкции, отсюда и название слоя — база (Б). Два наружных
p -слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной приме
си при сплавлении их с соответствующим материалом. Один из сло
ев называется эмиттером (Э), а другой — коллектором (К). Так же на
зываются внешние выводы от этих слоев. Соответственно р-п переход
между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллекто
ром и базой — коллекторным.
Б
38
а
о
К
ѴТ
к
FD
п
р
э
к _
Б
р
Б
Рис. 3.1. Структура и обозначение биполярных транзисторов:
а — тип р-п-р; б — тип п-р-п
Функция эмиттерного перехода — инжектирование (эмигрирова
ние) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода —
сбор носителей заряда (экстракция), прошедших через базовый слой.
В транзисторах типа п-р-п (см. рис. 3.1, б) функции всех трех сло
ев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заря
да, проходящих через базу: в приборах типа р-п-р это дырки, в прибо
рах типа п-р-п — электроны.
3.2. П р и н ц и п д е й с т в и я т р а н з и с т о р а
и его о с н о в н ы е п а р а м е т р ы
Каждый из р-п переходов транзистора может быть смещен либо
в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого раз
личают четыре режима работы транзистора (рис. 3.2).
Управление транзистором наиболее эффективно осуществляет
ся в нормальном активном режиме. При этом транзистор выполняет
функции активного элемента электрической цепи: усиление, генери
рование, переключение и т. д. В режимах отсечки и насыщения управ
ление транзистором практически отсутствует.
39
,5.
эиполярные
транзисторы
Рис. 3.2. Режимы работы биполярного транзистора
Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на при
мере структуры типар-п-р (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Транзисторная структура типа р-п-р
В нормальном активном режиме внешние напряжения подклю
чают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение
эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного пере
хода — в обратном. Это достигается с помощью двух источников на
пряжения и э6 и ІІкб (см. рис. 3.3). Напряжение 1/эб подключается по
ложительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение
40
тора
рам
UK6 — отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схе
ма с общей базой — п. 3.3). Изучим процессы, протекающие в эмиттерном переходе, базовом слое и коллекторном переходе транзистора.
При подключении напряжения U&, коллекторный переход смеща
ется в обратном направлении, что приводит к появлению неуправляе
мой составляющей тока коллектора 0, обусловленной протеканием
обратного тока коллекторного перехода, который создается дрейфом
неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно вклю
ченного р-п перехода. Появление объясняется тем, что внутреннее
электрическое поле коллекторного перехода оказывает тормозящее
действие на основные носители заряда и ускоряющее — на неосновные
носители, т.е. «притягивает» дырки, находящиеся в базовом «-слое,
и «перебрасывает» их через р-п переход в коллектор (см. пп. 2.3.2).
Таким образом, функция коллекторного перехода и процессы
в коллекторном переходе сводятся к экстракции неосновных носи
телей заряда базы (дырок) из базы в коллектор.
Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение (7эб дей
ствует в прямом направлении, основные носители заряда (дырки об
ласти эмиттера) под действием диффузии будут переходить (инжекти
ровать) из эмиттера в область базы. Также увеличится диффузионный
поток электронов (основных носителей заряда области базы) в эмит
тер. Ток эмиттерного перехода и цепи эмиттера можно записать в виде
h = h P+
>
где / э — ток эмиттера;
Іэр — дырочная составляющая тока эмиттера;
/ э„ — электронная составляющая тока эмиттера.
Дырочная составляющая тока Іэр создается потоком дырок, пере
ходящих из эмиттера в базу. Большинство дырок в последующем до
стигает коллектора и создает коллекторный ток транзистора / к. Элек
тронная составляющая тока / э„ обусловлена движением электронов
из базы в эмиттер. Она замыкается по входной цепи через источник
Ь\0 и не участвует в создании тока коллектора.
Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмит
терном переходе сводятся к инжекции носителей заряда (дырок) в базу.
41
з. Биполярные “ ронзисторы
Одним из важнейших показателей эффективности работы эмит
терного перехода является так называемый коэффициент инжекции
Y, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока состав
ляет его дырочная составляющая,
Y
I эр
L
Если говорить о качестве эмиттерного перехода, необходимо, что
бы электронная составляющая эмиттерного тока Іэп была существенно
меньше его дырочной составляющей Іэр. Это достигается в результате
значительного (на два-три порядка) превышением концентрации ос
новных носителей заряда (дырок) в эмиттере над концентрацией ос
новных носителей заряда (электронов) в базе. Типовые значения ко
эффициента инжекции у = 0,97...0,995.
Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в про
цессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электро
нами. В результате актов рекомбинации количество дырок, дошед
ших до коллектора, не будет равно количеству дырок, поступивших
из эмиттера, и, следовательно, дырочная составляющая коллекторно
го тока Ікр (см. рис. 3.2) будет меньше дырочной составляющей эмит
терного тока Іэр. Вследствие рекомбинации некоторого числа дырок
с электронами в процессе их движения через базу, концентрация ды
рок уменьшается. В соответствии с этим запишем соотношение для
дырочной составляющей тока коллектора
кр
эр
эрек 5
где Ікр — дырочная составляющая коллекторного тока;
Іэрек —рекомбинационная составляющая тока эмиттера, вызванная
потерей дырок в базе на рекомбинацию.
Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллек
тор, вводят коэффициент переноса б, который равен отношению ды
рочной составляющей коллекторного тока к дырочной составляющей
эмиттерного тока,
кр
кр
Желательно, чтобы величина Іэрек была как можно меньше, или,
иными словами, чтобы значение коэффициента б как можно мень42
TCjC'1-ч
V' ѲГО OCHQPhih!^
^ОГ^ѴІѲ~^~0N
ше отличалось от единицы. Способы приближения коэффициента б
к единице направлены на сокращение потерь дырок в базе за счет ак
тов рекомбинации. Для сокращения времени нахождения дырок в базе
и увеличения скорости их прохождения через нее, базу делают тонкой
и бедной основными носителями заряда. Кроме всего перечисленно
го, площадь коллекторного перехода делают в разы больше площади
эмиттерного перехода. Типовые значения коэффициента б для тран
зисторов лежат в пределах 0,96...0,996.
Коллекторный ток транзистора / к, обусловленный дырочной со
ставляющей Ікр (см. рис. 3.3, а), связан с током эмиттера / э коэффи
циентом передачи тока эмиттера а
(3.1)
Покажем связь всех трех коэффициентов у, б и а, для чего домножим
числитель и знаменатель равенства (3.1) на / эр, в результате получим
a =[w [3L= 5
Следовательно, коэффициент а тем ближе к единице, чем меньше
отличаются от единицы коэффициенты у и б.
Основное соотношение для токов транзистора составляется по пер
вому закону Кирхгоффа:
(3.2)
L — L + Lб>
If\
С
Iv
1эрек
іѵп
кр
zk60 >
ілzkс60 *
С учетом выражений (3.1) и (3.2) токи /ки /бможно выразить через /.;
Ік
Cc7g "Ь Tjjgg,
~ (1 —
—^Kgg.
Управляющее свойство биполярного транзистора, характеризующее
изменение выходного (коллекторного) тока / кпод действием подводи
мого входного тока / э (т. е. напряжения U.^), обусловливается измене
нием дырочной составляющей коллекторного тока / крза счет измене
ния дырочной составляющей эмиттерного тока / эр (рис. 3.3).
43
6. di іполррные дюнзисгоры
Таким образом, принцип действия биполярного транзистора ос
нован на создании транзитного (проходящего) потока носителей за
ряда из эмиттера в коллектор через базу и на управлении коллектор
ным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного)
тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.
3.3. С т а т и ч е с к и е в о л ь т - а м п е р н ы е
характеристики транзистора
Существует три способа включения транзистора:
• с общей базой (ОБ) (рис. 3.4, а, б);
• общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.4, в, г);
• общим коллектором (ОК) (рис. 3.4, д, ё).
Рис. 3.4. Схема с общей базой (а, б), с общим эммитром (в, г),
с общим коллектором (д, e) (URL: https://clck.ru/s4oKC)
44
TpOh
О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении
принципа действия транзистора. Различие в способах включения зави
сит от того, какой из выводов транзистора является общим для вход
ной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной
цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.
В силу того что статические характеристики транзистора в схемах ОЭ
или ОК примерно одинаковы, далее рассматриваются характеристи
ки только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.
Биполярный транзистор можно представить как нелинейный че
тырехполюсник с короткозамкнутой стороной, соответствующей об
щему электроду.
Электрическое состояние четырехполюсника характеризуется че
тырьмя величинами, связанными с входной и выходной сторонами:
входным напряжением UBX, входным током / вх, выходным напряжением ІІВЫХи выходным током / вх.
Статические вольт-амперные характеристики четырехполюсника пред
ставляют собой зависимости между постоянными входными и выходны
ми токами и напряжениями при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Семейство входных характеристик связывает ток и напряжение
на входе при постоянстве одной из выходных величин
Лх
= f(U J При
£/вых =
const.
Семейство выходных характеристик связывает ток и напряжение
на выходе при постоянстве одной из входных величин
Лых =/(^вых) При / вх = const.
Зависимость выходной величины от входной устанавливает семей
ство характеристик передачи (передаточных характеристик)
Лых = f(U J При ивьа = const.
Зависимость входной величины от выходной величины определя
ется семейством характеристик обратной связи.
3.3.1. Статические характеристики биполярного
транзистора, включенного по схеме с общей базой
Определим входные и выходные величины при включении транзи
стора по схеме с общей базой (рис. 3.5):
^э> ^вх
^эб> -^вых
UBUX &кб45
эиполфные -ронзис- оры
Рис. 3.5. Биполярный транзистор в схеме с общей базой
(URL: https://clck.ru/s4oKC)
Входные характеристики представляют собой зависимость
= А^эб )|tfK6=const •
Входные характеристики определяются свойствами эмиттерного
перехода, смещенного в прямом направлении, поэтому внешне вход
ные характеристики похожи на прямые ветви вольт-амперной харак
теристики р-п перехода (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Семейство входных характеристик биполярного транзистора
при включении с общей базой (URL: https://clck.ru/s4oKC)
46
:ephiьіѳ
характера
ТрО і
Особенностью этих характеристик является то, что при напряже
нии на эмиттерном переходе, равном нулю, входной ток отличается
от нуля и приблизительно равен току / эбк — это ток эмиттера транзи
стора, когда эмиттерный переход находится под обратным напряже
нием, а коллекторный переход короткозамкнут.
Для того чтобы входной ток стал равен нулю, на эмиттерный пере
ход должно быть подано отрицательное напряжение (работа в режи
ме отсечки).
Выходные характеристики представляют собой зависимости
Г = / ( г Д лэ' :COnst *
Общий вид выходных характеристик определяется обратно смещен
ным коллекторным переходом, поэтому аналогичен обратной ветви
вольт-амперной характеристикир-п перехода (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора
при включении с общей базой (URL: https://clck.ru/s4oKC)
С ростом тока эмиттера выходные характеристики смещаются вверх
и пересекают ось ординат (Uk5 = 0) в точках / к = а /э.
/ кбо — ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей
базой, когда коллекторный переход находится под обратным напря
жением, а ток эмиттера равен нулю.
Характеристики передачи представляют собой зависимости
f{ h
)1с/-кб=сопй '
47
d эИПСІЛЯрные “ ронзисгоры
Характеристики передачи в первом приближении можно считать
прямыми линиями. В действительности коэффициент передачи тока
эмиттера зависит от тока эмиттера, поэтому характеристики незначи
тельно отличаются от линейных (рис. 3.8).
Рис. 3.8. Семейство характеристик передачи
биполярного транзистора при включении с общей базой
(URL: https://clck.ru/s4oKC)
При Uk6 = 0 характеристика передачи выходит из начала координат.
При обратном напряжении, на коллекторном переходе характеристи
ки смещаются вверх и выходят из точек на оси ординат, соответству
ющих обратному току коллектора / кб0.
3.3.2.
Статические характеристики
биполярного транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером
Определим входные и выходные величины при включении транзи
стора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.9):
-А х
4 )
^А х
Аых
А о ^вы х
икэ.
Входные характеристики (рис. 3.10) представляют собой зависи
мости
h
48
= / ( £ / б э ) |„
, -
Рис. 3.9. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
(URL: https://clck.ru/s4oKC)
Рис. 3.10. Семейство входных характеристик биполярного транзистора
при включении с общим эмиттером (URL: https://clck.ru/s4oKC)
При икэ = 0 входная характеристика (рис. 3.10) эквивалентна харак
теристике p-n перехода. Если икэ < 0, ток базы уменьшается и входные
характеристики смещаются вниз и не проходят через начало коорди
49
о. DИПОЛ9рн 11Ѳ“ роН3V1сгоры
нат. Кроме того, при условии ( ІІКЗ) « срт входные характеристики рас
положены очень близко друг к другу.
При ибэ = 0 и ІІКЭ> 0 ток базы равен — / |