Какими свойствами обладает диод

Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый при­бор с одним р–n-переходом и двумя внешними выводами от об­ластей с проводимостями разного типа (анодом А и катодом К).

По своему назначению полупроводниковые диоды подразде­ляются на следующие основные типы: выпрямительные, стаби­литроны (опорные диоды), быстро восстанавливающиеся (час­тотные), фото- и светодиоды, варикапы.

Кроме указанных типов диодов существуют импульсные, тун­нельные, магнитодиоды, тензодиоды и др. Чаще всего диоды из­готовляют из германия (максимально допустимая температура перехода Tj m= 80°С) и кремния (Tj m = 180°С).

По конструктивно-технологическому принципу полупроводни­ковые диоды разделяют на точечные и плоскостные. В точечном диоде используют пластину германия или кремния с проводимостью n-типа толщиной 0,1…0,6 мм и площадью 0,5…1,5 мм2. В пластинку вплавляют иглу из металла или сплава, содержащую необходимые примеси. В процессе вплавления в области контакта полупроводника с иглой формируется слой р-типа.

В плоскостном диоде р-n-переход образуется двумя полупро­водниковыми слоями различного типа проводимости, при этом площадь перехода у диодов различных типов находится в диапа­зоне от долей квадратного микрометра до нескольких квадрат­ных сантиметров.

Условно полупроводниковые диоды подразделяют на слабо­точные (предельный ток менее 10 А) и силовые (предельный ток более 10 А).

Условное графическое обозначение полупроводникового диода и его вольт-амперная характеристика приведены на рис. 6.1.

Вольт-амперные характеристики диодов снимают в стаци­онарном режиме, что не позволяет использовать их при анализе и расчете электрических цепей, содержащих диоды, при воз­действии высокочастотных и импульсных сигналов. Для этих целей используют так называемую специальную малосигналь­ную эквивалентную схему полупроводникового диода, в кото­рую входят параметры собственно p-n-перехода без учета пара­зитных параметров внешних выводов.

К основным параметрам полупроводниковых диодов относят­ся параметры по напряжению, току, сопротивлению и мощности потерь, коммутационным явлениям, а также температурные и тепловые.

Наиболее важными из них являются:

• 
  импульсное прямое напряжение UFM;
• 
  пороговое напряжение U(TO);
• 
  предельный (средний прямой) ток 1FAV;
• 
  повторяющийся импульсный обратный ток Irrm;
• 
  дифференциальное прямое сопротивление rT;
• 
  время обратного восстановления trr;
• 
  температура p-n-перехода Tj.

Рис. 6.1. Условное графическое обозначение и вольт-амперная характеристика полупроводникового диода

Рис. 6.2. Прямолинейная аппрок­симация ВАХ диода

Пороговое напряжение U(TO)определяет значение прямого напряжения, соответствующее точке пересечения линии пря­молинейной аппроксимации прямой ВАХ с осью напряжений (рис. 6.2).

Максимально допустимый средний прямой (предельный) ток определяет максимально допустимое среднее за период значение прямого тока, длительно протекающего через диод.

Дифференциальное прямое сопротивление rTопределяют по углу наклона линии прямолинейной аппроксимации прямой ВАХ диода к оси напряжения (рис. 6.2).

Одной из разновидностей плоскостного полупроводникового диода является стабилитрон, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок со слабой зависимостью напряжения от величи­ны обратного тока.

Как отмечалось ранее, при превышении обратным напряже­нием величины напряжения пробоя происходит электрический пробой р-n-перехода, при котором обратный ток резко возрас­тает при почти неизменном обратном напряжении. Это явление используют в стабилитронах, применяемых, например, в пара­метрических стабилизаторах напряжения.

На рис. 6.3, а в третьем квадранте ВАХ показано обратное включение стабилитрона. Если обратный ток через стабилитрон не превышает значения Iстmах, то электрический пробой не при­водит к разрушению перехода и может воспроизводиться в течение практически неограничен­ного времени (сотни тысяч ча­сов).

Стабилитроны изготовля­ют на основе кремния, что связано с необходимостью получения малых значений Iст min

Стабилитроны характеризу­ются следующими основными параметрами:

1.
Напряжением стабилиза­ции Uст, т. е. величиной напря­жения на стабилитроне при протекании через него задан­ного (номинального) тока ста­билизации, например, Iстnom (рис. 6.3, а).Кроме значения ICTnom указывают также минимальное Iстmin и максимальное Iстmах значения токов на участке стабилизации, при которых обеспечивается заданная надежность. Значение ICT min ограни­чено нелинейным участком ВАХ стабилитрона, а значение ICTmax – допустимой мощностью рассеяния перехода, после пре­вышения которой происходит его тепловой пробой.

2. Дифференциальным сопротивлением стабилитрона в ра­бочей точке на участке стабилизации rст = dUст/ dIст в задан­ном диапазоне частот; rстхарактеризует степень изменения на­пряжения стабилизации при изменении тока через стабили­трон.

3.
Температурным коэффициентом напряжения стабилиза­ции ст =( dUст /dT )100%, показывающим величину относи­тельного изменения напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С и выражающимся в про­центах (рис. 6.3, б).

Уровень напряжения стабилизации зависит от величины пробивного напряжения UBR, определяемого шириной p-n-перехода, т. е. концентрацией примеси. Для изготовления низко­вольтных стабилитронов, у которых участок стабилизации оп­ределяется обратным током туннельного характера, используют высоколегированный кремний.

Из-за различного характера пробоя высоковольтных и низко­вольтных стабилитронов знак ст у них тоже будет разным (рис. 6.3, б). У высоковольтных стабилитронов ст > 0, а у низ­ковольтных с ростом температуры напряжение стабилизации уменьшается и ст < 0.

Стабилизацию напряжения в диапазоне 0,3…1,0 В можно по­лучить при использовании прямой ветви ВАХ, которая у некото­рых кремниевых диодов почти параллельна оси токов. Такие диоды называют стабисторами. Промышленность выпускает также двуханодные стабилитроны, имеющие симметричную ВАХ относительно начала координат. При этом напряжения стабилизации при положительном и отрицательном смещениях перехода одинаковы.

Для повышения величины напряжения стабилизации стабилитроны соединяют последовательно, в то время как параллельное соединение стабилитронов недопустимо, поскольку при этом токбудет протекать лишь через один стабилитрон, имеющий наименьшее напряжение стабилизации.

Рис. 7.8. Вольт-амперная характеристика стабилитрона (а) и зависи-
(> мость СT от напряжения стабилизации (б)

Варикапомназывают полупроводниковый диод, использу­емый как нелинейный емкостной элемент: В нем используется барьерная емкость p-n-перехода, смещенного в обратном на­правлении, обусловленная изменением заряда в переходе при изменении приложенного напряжения. Варикапы изготовляют из кремния и применяют в системах дистанционного управле­ния и автоматической подстройки частоты.

^ Основными параметрами варикапа являются:

– емкость С, фиксируемая при небольшом обратном напряже­нии (С =10…500 пФ);

– коэффициент перекрытия по емкости Кс= Cmax/Cmin, характе­ризующий изменение емкости варикапа в рабочем диапазоне из­менения напряжений(Кс=5...20).

Туннельный диод— полупроводниковый диод, в котором npи
обратном и небольшом прямом напряжении возникает туннельный эффект, и прямая ветвь его ВАХ имеет участок с отрицательным сопротивлением (так называемая N-образная характеристика). Туннельный эффект заключается в просачивании электрических зарядов (электронов и дырок) через потенциальный барьер и обусловлен волновыми свойствами микрочастиц. Изготовляют туннельные диоды из германия или арсенида галлия, имеющих очень малые сопротивления. Туннельные диоды отличаются малыми размерами и массой, существенной нелинейностью ВАХ, высоким быстродействием, способностью работать в широком диапазоне температур (до +600° С для apceнид-галлиевых приборов). Применяют туннельные диоды в СВЧ-генераторах с частотами до 10 ГГц и усилителях электрических сигналов, работающих в широком частотном и температурком диапазоне.

69. Транзисторы биполярные. Основные свойства и характеристики.

Общие положения.Транзистором называют полупроводниковый усилительный прибор с двумя p-n-переходами и тремя внешними выводами. В настоящее время существует большая номенклатура транзисторов, отличающихся по мощности, предельной частоте коммутации и генерации и по другим параметрам.

Все современные транзисторы разделяются на два типа: бипо­лярные и полевые. Биполярные транзисторы отличаются от поле­вых большим уровнем мощности и более высокой рабочей час­тотой. В то же время полевые транзисторы превосходят биполяр­ные по возможностям автоматического регулирования усиления и могут работать в более широком динамическом диапазоне.

При изготовлении транзисторов различных типов применя­ют одинаковые конструктивно-технологические принципы. ^ По технологии изготовления различают сплавные, диффузионные и планарные транзисторы. Некоторые типы транзисторов изго­товляют путем комбинирования нескольких технологий (планарно-эпитаксиальные) или технологических методов (мезапланарные, мезапланарно-эпитаксиальные). При производстве дискретных транзисторов в основном используется планарно-эпитаксиальная технология, при производстве транзисторов интегральных микросхем — мезапланарно-эпитаксиальная. Для изготовления транзисторов используют германий и кремний.

^ Биполярные транзисторы.Термин «биполярный» означает на­личие в транзисторе носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В зависимости от типа проводимости внешних слоев различают транзисторы п—р—п- (рис. 6.4, а и б) и р—п—р-типов (рис. 6.4, в и г).

Рис. 6.4. Структура и графическое обозначение транзисторов: а и б — п—р—л-типа; в и г — р—п—р-тииа

Внутреннюю область монокристалла транзистора, разделяю­щую p-n-переходы П1 и П2, называют базой (Б). Внешний слой монокристалла, инжектирующий носители в базу, называют эмиттером (Э), а примыкающий к нему p-n -переход П1 — эмиттерным. Второй внешний слой, выхватывающий носители из ба­зы, называют коллектором (К), а примыкающий к нему переход П2 — коллекторным. База является электродом, управляющим величиной тока через транзистор, поскольку, изменяя напряже­ние между эмиттером и базой, можно управлять величиной ин­жектируемого (эмиттерного), а значит, и коллекторного тока.

Если переход П1 под воздействием напряжения UЭБ смещен в прямом направлении, а переход П2 под воздействием напряже­ния UКБ — в обратном, то такое включение транзистора называ­ют нормальным. При изменении полярности напряжений UЭБ и UКБ получается инверсное включение транзистора.

Рассмотрим принцип действия транзистора р—п—р-типа на примере одной из возможных схем его включения (рис. 6.5).

При отсутствии внешних напряжений (UЭБ = UКБ = 0) электри­ческие поля р-n-переходов создаются лишь объемными заряда­ми неподвижных ионов и установившиеся потенциальные барь­еры обоих переходов поддерживают динамическое равновесие в приборе, токи в переходах которого равны нулю. При этом элек­трическое поле в базе также равно нулю.

При подключении к транзистору внешних источников напря­жения Еэи Екпроисходит перераспределение электрических по­тенциалов переходов. При нормальном включении транзистора создаются условия для инжектирования дырок из эмиттера в ба­зу и перемещения электронов из базы в эмиттер. Так как база является наиболее высокоомной областью монокристалла, то поток электронов значительно меньше встречного потока ды­рок. Поэтому при встречном движении дырок и электронов про­исходит их частичная рекомбинация, а избыток дырок внедряет­ся в базовый слой, образуя ток эмиттера Iэ.

В результате инжекции дырок в базу, в которой они являются неосновными носителями, в последней возникает градиент кон­центрации дырок, что приводит к их диффузионному движению во всех направлениях, в том числе и к переходу П2. Дрейф неос­новных носителей играет незначительную роль. При перемеще­нии неосновных носителей через базу их концентрация умень­шается вследствие рекомбинации с электронами, поступающи­ми в цепь базы от источника Еэ. Поток этих электронов образует базовый ток IБ.

Промежуток времени, в течение которого концентрация не­основных носителей в базе уменьшается в е раз, называют вре­менем жизни неосновных носителей. Поскольку толщина базы современных транзисторов составляет единицы микрометров, то время перемещения неосновных носителей через базу значи­тельно меньше их времени жизни.

Рис. 6.5. Схема включения транзистора р—п—p-типа.

Передачу тока из эмиттерной цепи в коллекторную характе­ризуют коэффициентом передачи тока биполярного транзистора в схеме с общей базой:

Поэтому большая часть ды­рок достигает перехода П2 и захватывается его полем; дырки за­тем рекомбинируют с электронами, поступающими от источни­ка питания Ек. При этом в коллекторной цепи протекает ток Iк. Для токов транзистора справедливо соотношение

Из выше приведенных соотношений следует, что

У современных транзисторов

Транзисторы п—р—п-типа работают аналогично, но при их использовании полярности напряжений внешних источников изменяют на противоположные.

Имеющий три внешних вывода транзистор представляет со­бой четырехполюсник. При этом два вывода транзистора образу­ют входные и выходные зажимы, а третий является общим зажи­мом длявходной и выходной цепей. В зависимости от того, ка­кой электрод транзистора является общим для входной и выход­ной цепей четырехполюсника, различают три схемы включения транзистора:

• 
  с общей базой (ОБ),
• 
  общим эмиттером (ОЭ) и
• 
  об­щим коллектором (ОК).

Наибольшее применение получила схе­ма с общим эмиттером.

Для расчетов цепей с биполярными транзисторами использу­ют семейства статических характеристик транзисторов, опреде­ляющих соотношения между токами, протекающими через его внешние выводы, и напряжения, приложенные к этим выводам.

Такими характеристиками обычно являются:

Схема сОБ не усиливает ток , но усиливает напряжение. Она обладает также и свойством усиления мощности вход­ного сигнала.

В схеме с ОЭ коэффициент передачи тока (коэффициент пе­редачи тока базы)

При изменении в диапазоне от 0,95 до 0,99 величина изменяется в диапазоне от 20 до 100. Таким образом, схема с ОЭ обладает свойством значительного усиления тока. Поскольку эта схема обладает также свойством усиления напряжения, то усиле­ние мощности в данной схеме значительно больше, чем в схеме с ОБ.

Коэффициент передачи тока в схеме с ОК

Поэтому схема с ОК обладает лучшим усилением тока, чем схема с ОЭ, и, кроме того, обладает свойством усиления мощно­сти.

Характеристики транзисторов находятся в сильной зависимо­сти от температуры. При повышении температуры из-за значи­тельного увеличения количества неосновных носителей заряда в базе и коллекторе резко возрастает начальный ток коллектора.

Для предотвращения перегрева коллекторного р— п -перехода необходимо, чтобы его мощность не превышала допустимое зна­чение , т. е.

На рис. 6.6 в качестве примера приведены выходные харак­теристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ. Одним из ограничений кривых выходных характеристик транзистора является ограничение по допустимому значению мощности . Для увеличения допустимой мощности транзистора его полупроводниковую структуру устанавливают на металлическом основании, которое монтируют на специальном радиаторе.

Если напряжение между коллектором и эмиттером превысит допустимое значение , то может произойти электрический пробой р—я-перехода. Поэтому существует ограничение выходных характеристик по коллекторному напряжению, т.е. . Кроме того, существует обусловленное допусти­мым нагревом эмиттерного перехода ограничение по коллек­торному току, т.е.

Область, заключенную внутри ограничивающих линий, назы­вают рабочей областью характеристик транзистора.

Для значительного увеличения коэффициента передачи тока используют комбинацию из двух транзисторов, соединенных по так называемой схеме Дарлингтона, что позволяет, например, повысить коэффициент передачи тока базы до 300000.

Рис. 6.6. Выходные характеристики биполярного транзистора в схеме с ОЭ и их ограничения

Биполярные транзисторы применяют в усилителях, генерато­рах электрических сигналов, а также в логических и импульсных устройствах.