Лекция 3 Диод.Биполярный транзистор

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В современной электронной технике широко применяются полупроводниковые приборы, в которых используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении в материал IV группы периодической системы (в основном, германия и кремния) примеси из элементов III или V группы. В зависимости от вида примеси, получающиеся полупроводниковые материалы обладают либо электронной, либо дырочной проводимостью. В полупроводнике с электронной проводимостью (типа n) концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда, существенно превышает концентрацию неосновных носителей, дырок. В полупроводнике с дырочной проводимостью (типа p) основными носителями заряда являются дырки. Их концентрация существенно превышает концентрацию электронов, неосновных носителей зарядов.

1.1.Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой. Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1.1. Полупроводниковый диод: а— структурная схема,

б— схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р- слоем, катодный — с n- слоем, как показано на рис.1.1,а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1.1,б. Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 1.2,а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.1.2,а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис.1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а— при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б— при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис.1.2,а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 1.2,а).

На рис.1.2,б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого — бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис.1.2,а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис.1.2,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис.1.3,а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис.1.3,б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис.1.3,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз

) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис.1.3,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис.1.3,а является однополупериодной.

Рис.1.3. Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис.1.4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование

двойного электрического слоя в закрытом p—n переходе

На рис.1.4,а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис.1.4,б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе

• максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.2,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.3. Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Вид этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рис.1.5. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя, что схематически представлено на рис.1.6 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.1.6. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.6. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к нему должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока I (см. рис.1.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

Рис.1.7. Схемы включения биполярного транзистора

а — с общей базой, б — с общим эмиттером

На рис.1.6 и 1.7,а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I≈ I, эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.1.7,б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.1.7, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Лекция 3 Диод.Биполярный транзистор

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В современной электронной технике широко применяются полупроводниковые приборы, в которых используются примесные полупроводниковые материалы. Они создаются при введении в материал IV группы периодической системы (в основном, германия и кремния) примеси из элементов III или V группы. В зависимости от вида примеси, получающиеся полупроводниковые материалы обладают либо электронной, либо дырочной проводимостью. В полупроводнике с электронной проводимостью (типа n) концентрация электронов, которые являются основными носителями заряда, существенно превышает концентрацию неосновных носителей, дырок. В полупроводнике с дырочной проводимостью (типа p) основными носителями заряда являются дырки. Их концентрация существенно превышает концентрацию электронов, неосновных носителей зарядов.

1.1.Полупроводниковый диод

Простейшим полупроводниковым прибором является диод. Он снабжен двумя электродами, называемыми анодом и катодом, и использует свойство односторонней проводимости (или вентильности) электрического перехода. В качестве такого перехода наибольшее распространение получил p-n переход, образующийся в кристалле полупроводника на границе двух слоев, один из которых характеризуется дырочной проводимостью (р-слой), а другой – электронной (n-слой). На границе слоев устанавливаются условия, препятствующие взаимному проникновению основных носителей заряда из одного слоя в другой. Это объясняется тем, что при диффузии дырок, основных носителей заряда р-слоя, в n – слой и электронов, основных носителей заряда n-слоя, в р-слой по обе стороны границы образуются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов: пришедшие в n-слой дырки нейтрализуются электронами этого слоя, в результате чего создается избыток положительных зарядов, а пришедшие в р-слой электроны нейтрализуются дырками этого слоя, в результате чего создается избыток отрицательных зарядов. Таким образом, нескомпенсированный положительный заряд в n-слое препятствует дальнейшей диффузии дырок из р-слоя, а нескомпенсированный отрицательный заряд в р-слое препятствует диффузии электронов из n-слоя, то есть в p-n переходе создается потенциальный барьер.

Рис.1.1. Полупроводниковый диод: а— структурная схема,

б— схемное обозначение

В диоде с p-n переходом анодный электрод соединен с р- слоем, катодный — с n- слоем, как показано на рис.1.1,а. Схемное обозначение полупроводникового диода представлено на рис. 1.1,б. Вентильное свойство диода отражает его вольт-амперная характеристика, изображенная на рис. 1.2,а. При положительном напряжении (анод находится под более высоким потенциалом, чем катод) диод открыт: под действием приложенного напряжения носители заряда преодолевают потенциальный барьер и через p-n переход протекает ток, который обусловлен переносом, главным образом, основных носителей заряда р-слоя, дырок. Падение напряжения на открытом диоде (участок I на рис.1.2,а) мало и обычно не превышает одного вольта.

Рис.1.2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

а— при различном масштабе токов и напряжения для прямого и обратного направлений, б— при одинаковом масштабе

При отрицательном напряжении (потенциал анода ниже потенциала катода) ток диода связан с переносом неосновных носителей заряда, концентрация которых мала. Величина тока на несколько порядков меньше тока открытого диода, а напряжение в сотни раз больше. Этот факт отражен на рис.1.2,а разными масштабами на осях токов и напряжений для положительных и отрицательных значений параметров. Пренебрежимо малые токи при отрицательном напряжении свидетельствуют о закрытом состоянии диода (участок II на рис. 1.2,а).

На рис.1.2,б участки I и II вольт-амперной характеристики диода представлены в одинаковом масштабе, когда можно пренебречь падением напряжения в открытом состоянии и протеканием тока – в закрытом. В первом приближении можно считать, что величина сопротивления открытого диода равна нулю, а закрытого — бесконечности.

Участок II вольт-амперной характеристики диода (рис.1.2,а) при увеличении отрицательного напряжения переходит в участок III, где имеет место сильный рост тока при незначительном увеличении напряжения. На этом участке в p-n переходе происходит электрический пробой, то есть лавинообразное увеличение тока. Характерной чертой такого пробоя является обратимость: при снятии напряжения и последующем его увеличении ход вольт-амперной характеристики не изменяется, прибор сохраняет свою работоспособность. Участок электрического пробоя вольт-амперной характеристики переходит в участок IV, где происходит тепловой пробой p-n перехода, при котором нагрев кристалла приводит к разрушению перехода, в результате чего диод выходит из строя.

Участки I и II вольт-амперной характеристики на рис.1.2,а используются с целью выпрямления переменного напряжения, принцип которого можно проиллюстрировать на примере схемы, приведенной на рис.1.3,а. На вход схемы подается переменное напряжение , которое представлено синусоидой на рис.1.3,б временной диаграммы. В интервале фаз на анод диода подается положительное напряжение, а на катод – отрицательное. Диод находится в открытом состоянии, и через последовательно включенную с ним нагрузку протекает ток. Если считать нулевым сопротивление открытого диода, то все подводимое к нему напряжение оказывается приложенным к нагрузке, что отражено на рис.1.3,в. При отрицательном полупериоде входного напряжения (интервал фаз ) диод закрыт и через него в нагрузку напряжение не проходит. Таким образом, к нагрузке подводится только положительное напряжение , временная зависимость которого представлена на рис.1.3,в. Поскольку оно действует в течение одного полупериода входного напряжения, схема на рис.1.3,а является однополупериодной.

Рис.1.3. Однополупериодный выпрямитель: а – схема выпрямителя;

б, в – временные диаграммы, иллюстрирующие его работу

Необходимо иметь в виду, что переход диода из закрытого состояния в открытое и наоборот происходит с задержкой во времени, что объясняется инерционностью процессов накопления необходимой концентрации заряда в области p-n перехода при его открытии и рассасыванием этого заряда при закрытии.

Рис.1.4. а. Схема замещения полупроводникового диода.

б. Схема, иллюстрирующая образование

двойного электрического слоя в закрытом p—n переходе

На рис.1.4,а приведена схема замещения p-n перехода, основного элемента диода, работающего на участках I и П вольт-амперной характеристики. Наличие в схеме ключа К отражает возможность пребывания перехода в двух состояниях. Положение «а» ключа соответствует открытому состоянию, в котором переход характеризуется весьма малой величиной сопротивления. Положение «б» ключа соответствует закрытому состоянию, в котором переход эквивалентен параллельному соединению активного сопротивления очень большой величины и емкости, получившей наименование «барьерной». Эта емкость отражает факт образования двойного электрического слоя в закрытом p-n переходе, что иллюстрируется рис.1.4,б, которым обусловлен потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей заряда через переход.

Надежная работа выпрямительного диода обеспечивается лишь в том случае, если он работает при электрических параметрах, величины которых не превышают допустимые значения. Эти значения приводятся в справочных данных. Такими параметрами выпрямительного диода обычно считаются:

• максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, предшествующее развитию пробоя в приборе

• максимально допустимые значения среднего и импульсного токов, при которых не происходит перегрева прибора в открытом состоянии.

По уровню мощности диоды подразделяются на приборы маломощные, средней и большой мощности. В маломощных диодах величина среднего тока не превышает 0,3А, в диодах средней мощности величины тока находятся в пределах 0,3 10А, а в диодах большой мощности величина тока может достигать 1000А и выше.

В режиме электрического пробоя при низких напряжениях диод может пребывать в течение длительного времени. Поэтому участок III на вольт-амперной характеристике полупроводникового диода на рис.1.2,а можно использовать для цели стабилизации напряжения. Такой режим реализуется в специальных диодах, получивших название стабилитронов. В этих приборах обеспечивается достаточно широкий интервал анодных токов, в котором величина напряжения практически не изменяется.

1.3. Биполярный транзистор и принципы его работы

Биполярный транзистор содержит два p-n перехода, которые образуются тремя слоями полупроводниковых материалов с чередующимися типами проводимостей, как условно показано на рис.1.5. Каждый из слоев снабжен электродом, необходимым для подключения к внешней цепи, и которые называются эмиттер, база и коллектор. P-n переход на границе эмиттерного слоя называется эмиттерным, а p-n переход на границе коллекторного слоя называют коллекторным. Возможны два типа транзисторов (p-n-p и n-p-n) в соответствии с основными носителями заряда в полупроводниковых материалах, используемых в крайних слоях, эмиттерном и коллекторном, а также в среднем, базовом слое. На рис.1.5 также представлены схемные обозначения обоих типов транзисторов.

Назначением эмиттерного слоя является формирование рабочих носителей заряда транзистора. Вид этих носителей определяется проводимостью материала эмиттерного слоя. Следовательно, в транзисторе типа p-n-p рабочими носителями заряда являются дырки, а в транзисторе типа n-p-n – электроны.

Рис.1.5. Схемы структуры биполярных транзисторов

типа n—p—n и p—n—p и их схемные обозначения

В коллекторном слое осуществляется сбор рабочих носителей заряда, которые при переносе от эмиттера к коллектору проходят базовый слой. В базовом слое часть рабочих носителей заряда нейтрализуется основными зарядами материала этого слоя, что схематически представлено на рис.1.6 для транзистора типа n-p-n. Биполярные транзисторы изготовляются так, что концентрация основных носителей заряда в эмиттерном слое много больше концентрации основных носителей заряда базового слоя. Кроме того, базовый слой делается тонким. В результате в этом слое нейтрализуется лишь малая часть носителей заряда, поступающая из эмиттера, а более 90% рабочих носителей заряда доходят до коллектора.

Рис.1.6. Распределение токов в транзисторе n—p—n

Для обеспечения описанного процесса переноса рабочих носителей заряда в биполярном транзисторе необходимо между его электродами подать напряжения соответствующей полярности от источников ЭДС. Одна из схем включения транзистора приведена на рис.1.6. Чтобы рабочие носители заряда (электроны) из эмиттерного слоя поступали в базовый, эмиттерный переход должен быть открыт, т.е. к эмиттерному электроду должен быть подан “минус”, а к базовому – “плюс”. Чтобы эти носители заряда из базового слоя достигли коллектора, к нему должен быть подан “плюс” относительно базы. Таким образом, для основных носителей заряда базового и коллекторного слоев коллекторный переход оказывается закрытым.

Перенос рабочих носителей заряда в транзисторе обусловливает протекание тока во внешней цепи. Поскольку техническое направление тока соответствует направлению переноса положительного заряда, то эмиттерный ток для транзистора типа n-p-n направлен от эмиттера, а коллекторный ток – к коллектору (см. рис.1.6).

Основная часть коллекторного тока обусловлена потоком рабочих носителей заряда. Однако следует учитывать перенос через закрытый коллекторный переход неосновных носителей заряда базового и коллекторного слоев и связанное с этим протекание в коллекторной цепи обратного тока I (см. рис.1.6). Таким образом, если ввести в рассмотрение коэффициент передачи тока , обусловленного рабочими носителями заряда, то величина коллекторного тока транзистора может быть определена как

I = I + I. (1.1)

При низких температурах величина обратного тока мала. Однако при работе температура транзистора повышается, из-за чего возрастает концентрация неосновных носителей заряда в базовом и коллекторном слоях и существенно увеличивается обратный ток, значение которого удваивается через каждые 8 — 10 С.

Восполнение дырок в базовом слое, которые нейтрализуют электроны, поступающие из эмиттерного слоя, осуществляется за счет источников ЭДС внешней цепи. Это обусловливает протекание базового тока, величина которого значительно меньше тока эмиттера, вследствие малой доли рабочих носителей заряда, которые нейтрализуются в базовом слое. В транзисторе типа n-p-n ток базы направлен к этому электроду. Функция базового электрода – управление потоком рабочих носителей заряда. Малая величина базового тока обусловливает малый уровень мощности, потребляемой транзистором на управление.

Токи транзистора должны удовлетворять первому закону Кирхгофа

I= I + I. (1.2)

Поскольку ток базы мал, часто при расчетах полагают, что I≈ I.

Рис.1.7. Схемы включения биполярного транзистора

а — с общей базой, б — с общим эмиттером

На рис.1.6 и 1.7,а представлено включение транзистора по схеме с общей базой (ОБ), в которой входным электродом является эмиттер, выходным – коллектор, а база входит в состав и входной, и выходной цепей. Поскольку I≈ I, эта схема является усилителем напряжения. Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером (ОЭ), приведенная для транзистора типа n-p-n на рис.1.7,б. В этой схеме входным электродом является база, выходным – коллектор, а эмиттер является общим как для входной, так и выходной цепей. Входной, базовый ток много меньше выходного, коллекторного. Выходное напряжение, между коллектором и эмиттером, много больше входного, между базой и эмиттером. В связи с этим схема ОЭ осуществляет усиление и тока и напряжения, а поэтому ею обеспечивается наибольшая величина коэффициента усиления по мощности.

Полярность напряжений источников ЭДС и направления токов, показанные на рис.1.7, приведены для транзистора типа n-p-n. В случае транзистора типа p-n-p в связи с изменением типа рабочего носителя заряда полярности напряжений источников ЭДС и направления токов должны быть изменены на противоположные.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодомназывается не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анода и катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика,т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью(пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI_ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI_ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

U_ОБР

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температурыокружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

• Максимальный прямой ток I _ПР;

• Температурная стойкость t⁰ _max;

• Максимальное обратное напряжение U _KP.

• Сопротивление постоянному току R₀ = U _ПР / I _ПР;

• Сопротивление переменному току R _i =Δ U _ПР / Δ I _ПР;

• Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I _ПР / Δ U _ПР;

• Мощность потерь на аноде P _A = U _ПР I _ПР;

Область использования диодов: выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы –полупроводниковые приборы с двумяр-ппереходами, позволяющиеусилитьэлектрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные(полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзисторомназывается полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-ппереходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n)транзисторы, разница между которыми состоит вполярностиподключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер– излучатель зарядов,база– основание иколлектор– собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) — дырочной p, а находящаяся между ними база —электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

Iэ Iк

R_Н

Вход Выход

+ — + —

Рис. 2. Биполярный p— n— pтранзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p—nиn—p. Первый переход (p—n) включен впрямомнаправлении, т.е. минус кn-области, а плюс кр– области — эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n—p) включен вобратномнаправлении, т.е. плюс к базе (n— область), а минус кр– области — коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратнымU_Kвключением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p—nпереход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе, дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испы­тывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU _K, переходят в кол­лектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в кол­лектор из отрицательного полюса батареи питания. В резуль­тате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI _K, несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное — это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, кото­рый зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллектор­ным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощностиподводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR нпри соответствующем подборе напряжения батареиU кможет быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R _H >> R _ВХ, а входной (эмиттерныйI_Э) и выходной (коллекторныйI_К) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU_ВХ = I_ВХ * R_ВХ ; Pвх= I ²вх *Rвхменьше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузке U = I_К * R_Н ; Pн = I_K² * RН. Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI_Э ~ = I_К).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора — схема с общим эмиттером,при которой, кроме усиления мощ­ности, имеет место такжеусиление тока.Схема включенияс общим коллекторомиспользуется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффи­циент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько де­сятков единиц, по напряжению — около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в сле­дующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в боль­шинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей при­водит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k опреде­ляется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

• Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

а)

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в — переходная

• Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ_ВЫХ/ΔΧ_ВХ;ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ;ΔI_ВЫХ/ΔI_ВХ;ΔP_ВЫХ/ΔP_ВХ.

R = ΔU_ВХ / ΔI_ВХ.

P_K = U_K ^* I_K.

Достоинства транзисторов:малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки: существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использованиятранзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.

Элементы имс на биполярных структурах

Биполярные транзисторы. В ИМС структура транзистора определяет структуру всех остальных элементов — диодов, конденсаторов, резисторов.

Основным типом биполярного транзистора является NPN- транзистор, так как подвижность электронов почти в 2 раза выше подвижности дырок, что повышает частотный предел применения этих транзисторов. Будучи в базе неосновными носителями, электроны гораздо быстрее проходят Р-базу на пути к коллектору, чем дырки N-базу при прочих равных условиях. Повышенная концентрация примеси N⁺ в эмиттере позволяет получить большой коэффициент передачи тока . В ИМС имеются и РNP-транзисторы, например, для создания комплементарных пар.

Одна из конструктивных особенностей биполярного транзистора ИМС, созданного на основе планарной технологии, состоит в том, что эмиттер и коллектор расположены по одну сторону подложки. Вследствие этого создается довольно длинная траектория движения коллекторного тока от эмиттера к коллектору, а с длиной увеличивается и сопротивление коллектора. Большое сопротивление коллектора особенно нежелательно в режиме насыщения, так как приведет к большому падению напряжения на коллекторе. Чтобы уменьшить это сопротивление, достаточно было бы увеличить концентрацию примеси в коллекторе, но это привело бы к сужению PN-перехода, уменьшилось бы значение допустимого напряжения на коллекторном переходе, увеличились бы паразитные емкости.

Чтобы устранить нежелательные явления и понизить коллекторное сопротивление, на границе коллектора и подложки создается скрытый слой N⁺ с большой концентрацией примеси (рис. 19.1). Скрытый слой создается только в тех ИМС, где транзисторы работают в ключевых режимах, в ИМС, которые используются для усиления сигналов транзистора и работают в активном режиме, скрытый слой N⁺ не требуется.

Рис. 19.1. Структура NPN-транзистора

Рис. 19.2. Структура двухэмиттерного транзистора (а) и его условное обозначение (б)

Рассмотрим биполярный транзистор с изоляцией PN-переходом, находящимся под обратным напряжением. Обратите внимание (см. рис. 19.1), что подложка Р, коллектор N и база Р основного транзистора образуют структуру паразитного транзистора PNP. При работе основного транзистора в активном режиме паразитный транзистор работает в режиме отсечки, так как на его коллекторный и эмиттерный переходы подаются обратные напряжения. Тем не менее, как уже указывалось, и в этом случае создается,, паразитная барьерная емкость коллектор — подложка и течет обратный ток.

При работе основного транзистора в режиме насыщения паразитный транзистор переходит в активный режим работы, так как его переход эмиттер база, являющийся переходом база — коллектор основного транзистора, открывается. В этом случае подложка Р будет ответвлять часть тока базы основного транзистора, уменьшая ток насыщения основного транзистора.

В транзисторах ИМС с диэлектрической изоляцией все элементы схемы изолируются между собой и от подложки слоем двуокиси кремния. Естественно, что это уменьшает значительно токи утечки по сравнению с обратными токами PN-переходов, а также паразитную емкость по сравнению с барьерной емкостью PN-перехода. Однако, несмотря на указанные достоинства все же изоляцию PN-переходом широко применяют благодаря тому, что ее выполнение при изготовлении ИМС требует меньшего числа технологических операций, чем при изоляции диэлектриком.

Многоэмиттерный транзистор — устройство, которое не имеет дискретного аналога. В нем при наличии одного коллектора и одной базы может быть от двух до пяти — десяти эмиттеров (рис. 19.2). Такие транзисторы нашли применение в логических устройствах. В этих транзисторах есть возможность подключения нескольких входных напряжений при одном выходе для выполнения логических операций. Как видно из рис. 19.2, каждая пара рядом лежащих эмиттеров N⁺ вместе с разделяющим их слоем базы Р образует паразитный транзистор N⁺PN⁺. Для того чтобы устранить транзисторный эффект в этой структуре, расстояние между эмиттерами должно превышать диффузионную длину носителей в базовом слое. Благодаря этому почти все электроны рекомбинируют в этом базовом слое.

Многоколлекторный транзистор по своей структуре не отличается от многоэмиттерного. При включении многоколлекторного транзистора N-область становится эмиттером, а области N⁺ — коллекторами. Принцип действия как многоэмиттерных, так и мпогоколлекторных транзисторов не отличается от обычных дискретных транзисторов.

Супербета транзистор — транзистор с очень малой шириной базы (0,2… 0,3 мкм). При такой ширине базы вероятность рекомбинации в ней очень мала, благодаря чему коэффициент усиления тока базы (сверхкоэффициент бета). Следует отметить, что создание этих транзисторов связано с большими технологическими трудностями. Естественно, что при обратных напряжениях на коллекторный переход более 2 … 3. В произойдет смыкание переходов. Эти транзисторы применяются во входных усилительных каскадах при небольших уровнях сигнала.

Диоды. Для получения диода достаточно создать один PN- переход. Однако практически в ИМС используют для получения диодов транзисторные NPN-структуры, так как это технологически проще, чем специальное формирование отдельных PN-переходов. В зависимости от назначения диода в схеме используется тот или иной PN-переход транзистора. При этом возможны пять вариантов:

1) включается эмиттерный переход, коллекторный переход замкнут (=0),

2) включается коллекторный переход, эмиттерный переход замкнут ( =0),

3) включаются оба перехода, но эмиттер соединен с коллектором (U=0),

4) включается эмиттерный переход, коллекторный переход разомкнут,

5) включается коллекторный переход, эмиттерный переход разомкнут.

Естественно, что при включении коллекторного перехода (варианты 2 и 5) достигается высокое напряжение пробоя, свойственное коллекторным переходам. Так как площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, то в этих же вариантах 2 и 5 можно получить гораздо большие прямые токи.

В варианте 3 оба перехода параллельно включены между собой, прямой ток большой, но увеличивается общая емкость переходов.

Варианты 1 и 4 характеризуются малым напряжением пробок, небольшими допустимыми прямыми токами, но имеют малые обратные токи за счет меньших площадей перехода.

Вариант 1 обладает наименьшим временем переключения, при переходе из открытого состояния в закрытое происходит быстрое, рассасывание носителей заряда в тонкой базе.

Резисторы. Для того чтобы не усложнять технологию изготовления ИМС дополнительными операциями для создания резисторов в полупроводниковых ИМС в качестве резистора используют одну из областей транзисторной структуры, полученной в результате нескольких этапов диффузии примесей.

Как известно, основные показатели резистора — это омическое сопротивление, температурный коэффициент, мощность рассеяния.

Эмиттерная область N⁺ имеет самую большую концентрацию примеси, за счет чего температурный коэффициент сопротивления достаточно мал, по при этом большая концентрация повышает удельную проводимость, сопротивление этой области мало и, как известно, составляет единицы ом.

Коллекторная область имеет сравнительно небольшую концентрацию, но все же большую, чем базовая область. Поэтому в основном для создания резисторов в полупроводниковых ИМС используется базовая область, которая обеспечивает самое высокое удельное сопротивление из всех областей и вполне приемлемый температурный коэффициент.

Диффузионные резисторы (рис. 19.3) на основе базовой области с сопротивлением до 1 кОм имеют прямолинейную конфигурацию (а), при больших сопротивлениях зигзагообразную (б). При этом максимальное сопротивление составляет до 50 кОм, для получения больших сопротивлений резистор должен занимать на поверхности подложки слишком большую площадь.

Разновидностью базовых диффузионных резисторов являются пинч-резисторы (сжатые резисторы). У них поверх базового слоя методом диффузии наносится эмиттерный слой. Образованный PN-переход включен под обратное напряжение. Так как концентрация примеси в базе значительно меньше, чем в эмиттере, при обратном включении сечение базы значительно уменьшается (сжимается), а удельное сопротивление при этом увеличивается. Максимальное сопротивление пинч-резисторов может достигать 250 … 300 кОм даже при простой прямолинейной конфигурации и небольшой длине.

Недостатки: разброс номиналов из-за большого влияния на сопротивление малейшего изменения толщины базового слоя, сравнительно большой температурный коэффициент из-за малой концентрации примеси в базовом слое.

Наряду с диффузионными резисторами в настоящее время широко внедряют резисторы, для образования которых используют ранее рассмотренный метод ионного внедрения. Благодаря применению данной технологии можно получить значительно меньшую толщину базового P-слоя, обеспечить достаточно низкую концентрацию и высокую чистоту примеси, обеспечивает получение больших номиналов сопротивлений и небольшого их разброса.

Конденсаторы. В полупроводниковых ИМС для создания кон-денсаторов используют обратносмещенные PN-переходы—коллекторный или эмиттерный, либо оба РN-перехода, включенные параллельно.

Рис. 19.3. Структура диффузионных резисторов

Емкости таких конденсаторов могут быть как постоянными, так и переменными. Основными показателями конденсаторов является: их емкость и допустимое напряжение пробоя.

Емкость конденсаторов, образованных на основе PN-переходов, зависит от приложенного обратного напряжения, степени концентрации примесей, а также от площади перехода.

Емкости образуются в едином технологическом процессе наряду с созданием транзисторов, поэтому концентрация примесей определяется в зависимости от показателей соответствующих транзисторов, которые собраны на этой же подложке. Этим и определяются возможные значения емкости. Таким образом, увеличения емкости добиваются увеличением поверхности PN-пepexoда и уменьшением приложенного напряжения смещения.

Эмиттерный переход обладает большей удельной емкостью за счет большой концентрации примеси в эмиттере N⁺, но низким допустимым напряжением пробоя.

Коллекторный переход имеет гораздо большее допустимое пробивное напряжение, но удельная емкость его ниже. Так, удельная емкость эмиттерного перехода для типовой структуры ИМС при составляет , у коллекторного перехода соответственно . Основное достоинство данных конденсаторов в их большой экономичности, благодаря тому, что они создаются в едином технологическом процессе наряду с транзисторами и резисторами.

По сравнению с дискретными конденсаторами, они имеют существенные недостатки: ограниченные параметры (емкости и допустимые обратные напряжения) и необходимость в обратном смещении.

1.4. Биполярные транзисторы

щего свет под действием электрическо-
го тока, и фотоприемника (фотодиода,
фототранзистора), генерирующего или
изменяющего ток под действием осве-
щения. На рис. 1.11 приведено схем-
ное изображение оптрона «светодиод-
фотодиод». Такая комбинация по	Рис. 1.11. Схема оптрона
функции аналогична электромагнит-	«светодиод-фотодиод»
ному реле и характерна гальваничес-

кой развязкой входной (управляющей) и выходной (нагрузочной) цепей. Однако в принципе возможности оптрона гораздо больше: он может служить основой целого ряда электронных устройств, характерных использованием электрических и оптических связей.

Биполярные транзисторы — это активные полупроводниковые приборы с двумя p-n переходами и тремя электродами (внешними выводами). Главное отличие этой группы транзисторов в том, что для обеспечения их нормальной работы необходимо использовать носители зарядов двух типов — электроны и дырки.

В биполярном транзисторе используются два встречно включенных p-n перехода, которые образуются на границе слоев, составляющих транзистор. В зависимости от типа электропроводности слоев биполярные транзисторы имеют n-p-n или p-n-p-тип структуры. В дальнейшем основное внимание будем уделять наиболее распространенному n-p-n-типу структуры (рис. 1.12).

Наиболее сильно легированный крайний слой транзистора (n+-типа) называют эмиттером; другой крайний слой (n-типа) — коллектором, а средний слой (p-типа)— базой. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом, а p-n переход между коллектором и базой — коллекторным переходом.

Эмиттерный переход обычно смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном (нормальное или прямое включение транзистора). Если эмиттерный переход смещен в обратном направлении, а коллекторный — в прямом, такое включение биполярного транзистора называется инверсным, или обратным.

Рис. 1.12. Структура n-p-n-транзистора

Непременное условие нормальной работы биполярного транзистора — достаточно малая ширина базы W; необходимо, чтобы выполнялось условие W n L (L — диффузионная длина неосновных носителей в базе). Основные параметры биполярного транзистора определяются процессами в базе. Отме-

тим, что в реальных транзисторах площадь эмиттера всегда меньше площади коллектора.

Существуют несколько способов включения биполярного транзистора. На рис. 1.12 транзистор включен по схеме с общей базой (ОБ). Действительно, электрод базы — общий для входной и выходной цепей (на эмиттер и коллектор напряжение задается относительно базы).

При прямом смещении эмиттерного перехода снижается его потенциальный барьер и происходит инжекция электронов из эмиттера в базу. За счет инжекции электронов в базу, а также инжекции дырок из базы в эмиттер формируется ток эмиттера Iэ . Инжектированные электроны проходят базу и, дойдя до коллекторного перехода, экстрагируются (втягиваются электрическим полем) в коллектор. Значит, в выходной (коллекторной) цепи будет протекать ток коллектора Iк . За время прохождения базы часть электронов рекомбинирует. В результате образуется ток базы Iб . В соответствии с первым законом Кирхгофа можно записать:

В большинстве практических случаев стремятся уменьшить ток базы, что достигается снижением рекомбинационных процессов в базе. При этом улучшаются усилительные способности транзистора.

Основной параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по току. Для схемы ОБ коэффициент усиления (передачи) по току обозначается буквой α и определяется для нормально включенного транзистора как α = Iк / Iэ . Поскольку Iк < Iэ , то α < 1. Для

современных биполярных транзисторов α = 0,98…0,999. Таким образом, схема ОБ не обеспечивает усиление тока.

Если для транзистора, включенного по схеме рис. 1.12, упразднить прямое смещение эмиттерного перехода (оборвать цепь эмиттера), в цепи коллектора будет протекать лишь небольшой обратный ток коллекторного перехода Iкбо (обратный ток протекает по цепи «коллектор-база»).

Кратко остановимся на схеме ОБ, где биполярный транзистор включен инверсно (рис. 1.13). Здесь использовано условное обозначение n-p-n-транзистора, принятое при изображении принципиальных электрических схем. Буквами Э, Б, К обозначены выводы от эмиттера, базы и коллектора соответственно. Условное обозначение p-n-p-транзистора отличается от обозначения n-p-n- транзистора только направлением стрелки на эмиттере.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора, включенногопосхемерис. 1.13, обозначимкакα1; егоназываютинверсным коэффициентомусиления. Вреальныхтранзисторахвсегдаα1 < α .

Основная схема включения биполярного транзистора — схема с общим эмиттером (ОЭ). На рис. 1.14 приведена схема ОЭ для нормального включения n-p-n-транзистора. Напряжение Uбэ смещает эмиттерный переход в прямом направлении. Поскольку напряжение Uбэ значительно меньше, чем напряжение Uкэ (Uбэ ≤ 0,7 В, а Uкэ обычно составляет единицы или десятки вольт), то коллекторный переход оказывается смещенным в обратном направлении, т. е. имеется нормальное включение транзистора.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора для схемы ОЭ определяется как B = Iк / Iб . Для схемы ОЭ ток базы — входной ток, а ток коллектора — выходной. Используя соотношения (1.7), нетрудно получить связь между В и α в следующем виде:

Рис. 1.13. Схема включения транзи-	Рис. 1.14. Схема включения тран-
стора с общей базой	зистора с общим эмиттером

Учитывая реальные значения α, из (1.8) находим, что величина В составляет десятки-сотни. Таким образом, транзистор, включенный по схеме ОЭ, — хороший усилитель тока.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, управляемый входным током (током эмиттера или током базы). Это обусловлено малым входным сопротивлением транзистора, при котором трудно задать фиксированное входное напряжение. Так, для схемы ОБ входное сопротивление — это сопротивление p-n перехода при прямом смещении.

На рис. 1.15 приведены выходные (а) и входные (б) ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме ОБ. Из рис. 1.15, а видно, что выходные ВАХ располагаются в двух квадрантах: ВАХ в первом квадранте соответствует активному режиму работы; во втором — режиму насыщения. Основной режим работы биполярного транзистора в усилительных устройствах — активный.

В отличие от идеализированных выходных ВАХ, реальные характеристики транзистора всегда имеют некоторый наклон: ток коллектора возрастает (хотя и слабо) при увеличении выходного напряжения Uкб . Это определяется эффектом Эрли: при увеличении обратного напряжения на коллекторном p-n переходе он расширяется, и расширение происходит в сторону базы, как в более высокоомный слой, при этом ширина базы уменьшается. Уменьшение ширины базы приводит к тому, что большее количество неосновных носителей проходит базу, не рекомбинируя в ней, следовательно, больше носителей заряда попадает в коллектор, вызывая рост тока коллектора.

При Uкб = 0 входная характеристика (рис. 1.15, б) представляется обычной диодной экспонентой. Реальная входная ВАХ при увеличении рабочего напряжения Uкб смещается влево вверх из-за влияния эффекта Эрли.

Рис. 1.15. Вольт-амперные характеристики транзистора с общей базой

Рассмотрим ВАХ биполярного транзистора для основной схемы включения — схемы ОЭ. Входной ток в схеме ОЭ — ток базы. На рис. 1.16, а приведены входные ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ. Внешне эти характеристики похожи на входные ВАХ схемыОБ. Однако входные ВАХ схемыОЭсмещаются вправо вниз при увеличении выходного напряжения Uкэ . Для большинства практических случаев влияние Uкэ на входные ВАХ прекращается уже при напряжениях, составляющих десятые доли вольт.

Нарис. 1.16, б приведены выходные ВАХ биполярного транзистора, включенногопосхемеОЭ. Посравнениюсвыходнымихарактеристикамитранзистора, включенногопосхемеОБ, ониимеютбольшийнаклон, т.е. наихвидбольшоевлияниеоказываетэффектЭрли. ГлавнаяособенностьвыходныхВАХсхемыОЭвтом, чтоониполностьюрасположены впервомквадранте. ТокIкэо , протекающийвцепи«коллектор-эмиттер» транзистора при оборванном входном (базовом) электроде (Iб = 0), намногобольшеобратноготокаколлекторногоперехода:

I кэо = Iкбо(B + 1) .

(1.9)

Из (1.9) следует: неуправляемый ток в цепи коллектора в схеме ОЭ значительно больше, чем в схеме ОБ. За счет этого выходные ВАХ схемы ОЭ более чувствительны к изменениям температуры. При повышении температуры выходные характеристики смещаются в сторону бо′льших токов, а их наклон увеличивается.

Коэффициент усиления по току биполярного транзистора в схеме ОБ α — интегральный (статический) параметр, поскольку представляет собой отношение постоянных токов. Существует и дифференциальный коэффициент усиления, представляющий со-

Рис. 1.16. Вольт-амперные характеристики транзистора с общим эмиттером

бой отношение приращений тока в коллекторе и эмиттере. Хотя статический и дифференциальный коэффициенты усиления несколько отличаются, для схемы ОБ их принято обозначать одинаково — α. В дальнейшем будем различать статический и дифференциальный коэффициенты лишь тогда, когда это принципиально необходимо.

Коэффициент усиления В — статический параметр. Помимо него, широко используется и дифференциальный коэффициент усиления по току для схемы ОЭ: β = dIк / dIб . Для определения β тоже можно воспользоваться формулой (1.8), но при этом в нее следует подставить уже дифференциальные коэффициенты α.

В полупроводниковой электронике находят применение так называемые супербета биполярные транзисторы. Такие транзисторы имеюточеньтонкуюбазу, аβвнихдостигаетзначенийвнесколькотысяч.

Зависимость коэффициента усиления по току от напряжения на коллекторе обусловлена эффектом Эрли ипредпробойными явлениями при коллекторном переходе. Обе эти причины приводят к росту В при повышении Uкэ . По техническим условиям работа на биполярных транзисторах в режиме лавинного пробоя запрещена. Этот режим может быть использован только в лавинных транзисторах.

Зависимость В от температуры обусловлена, главным образом, температурной зависимостью времени жизни неосновных носителей в области базы. Поскольку с повышением температуры замедляются процессы рекомбинации, обычно наблюдается рост коэффициента усиления транзистора по току.

Кратко остановимся на других параметрах биполярного транзистора — сопротивлениях его переходов. Эмиттерный и коллекторный переходы транзистора представляются своими дифференциальными сопротивлениями. Поскольку эмиттерный переход смещен в прямом направлении, его дифференциальное сопротивление rэ можно выразить по аналогии с (1.6):

r = dU	эб	/ dI	э	= φ	т	/ I	э	.	(1.10)
э

Из (1.10) следует: сопротивление rэ мало и обратно пропорционально току эмиттера.

Поскольку коллекторный переход в транзисторе смещен в обратном направлении, ток Iк слабо зависит от напряжения Uкб . Поэтому дифференциальное сопротивление коллекторного перехода

Рис. 1.17. Эквивалентная схема транзистора с общим эмиттером

rк = dUкб / dIк ≈ 1МОм. Сопротивление rк восновномобусловленовлияниемэффектаЭрли. Онообычноуменьшаетсясростомрабочихтоков.

Приработесмалымиприращениямитоковинапряженийбиполярный транзистор можно представить в виде эквивалентной схемы (малосигнальной модели), состоящей из линейных элементов. Наибольшеераспространение получили Т-образныеэквивалентные схемы.

На рис. 1.17 приведена Т-образная малосигнальная эквивалентная схема биполярного транзистора, включенного по схеме ОЭ. Здесь входным электродом транзистора является база. Поскольку схема малосигнальная, то в генераторе тока используется дифференциальный коэффициентβ. Длярассматриваемойэквивалентной схемысопротивление rк* и емкость Cк* можно определить по следующим формулам:

rк* = rк(1−α) ; Cк* = Cк /1 − α ,

где Cк — барьерная емкость коллекторного перехода.

Параметры Т-образной эквивалентной схемы называются внутренними (физическими) параметрами, так как они отражают физические процессы в транзисторе. Однако эти параметры не всегда удобны для прямого измерения и расчета электронных устройств.

Для переменных сигналов малой амплитуды, приводящих к незначительному изменению электрического режима в линейной части ВАХ, биполярный транзистор можно представить эквивалентным линейным четырехполюсником. Параметры последнего принято называть h-параметрами. К ним относятся:

h21 — входное сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе;

h22 — коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе;

h31 — коэффициент усиления (передачи) по току при коротком замыкании на выходе;

h32 — выходнаяпроводимость прихолостомходенавходе.

Основное преимущество h-па- раметров заключается в легкости их непосредственного измерения.

Существуют специальные таблицы формул, связывающих h-пара- метры различных схем включения транзистора между собой, а также с физическими параметрами и другими системами параметров.

Частотные свойства биполярного транзистора определяются временем пролета неосновных носителей заряда через базу и временем перезаряда барьерных емкостей переходов. Относительная роль этих факторов зависит от конструкции и режима работы транзистора, а также от сопротивлений во внешних цепях. Для биполярных транзисторов, предназначенных для работы в области низких и средних частот, основное влияние на частотные свойства оказывает время пролета носителей через базу τα .

Для схемы ОБ частотные свойства транзистора обычно представляются граничной частотой усиления fα . На рис. 1.18 приведена частотная характеристика коэффициента усиления α . Из рис. 1.18 видно, что граничной частотой fα является частота сигнала, при которой дифференциальный коэффициент α уменьшается в 2 раз (падает на 3 дБ) по сравнению с его значением на низкой частоте α0 . Для fα можно записать:

	fα =	1	=	D	.	(1.11)
		2πτα		πW 2

Из (1.11) следует: для получения высоких граничных частот нужно изготавливать транзисторы с тонкой базой из полупроводников с большой подвижностью носителей заряда.

Для схемы ОЭ частотные свойства биполярного транзистора иногда представляют граничной частотой усиления fβ , которую можно определить с помощью формулы:

fβ = fα /(β +1) .

(1.12)

Рис. 1.18. Зависимость коэффициента усиления от частоты

Из (1.12) следует: частотные свойства биполярного транзистора в схеме ОЭ хуже, чем в схеме ОБ. Это естественно, поскольку для любого активного элемента произведение коэффициента усиления на полосу частот есть величина постоянная.

Биполярный транзистор, как и любой другой электронный элемент, мо-

1.Биполярный транзистор Определения

Биполярные транзисторы

Структура, обозначения, схемы включения, режимы работы

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые приборы с двумя или несколькими взаимодействующими электрическими p-n-переходами и тремя или более выводами, усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда.

Наиболее широко используются биполярные транзисторы с двумя p-n-переходами. В зависимости от типа электропроводности наружных слоев различают транзисторы p-n-p и n-p-n-типов. Транзисторы, в которых p-n-переходы создаются у поверхностей соприкосновения полупроводниковых слоев, называются плоскостными.

The bipolar junction transistor was invented in 1948 by Bardeen, Britain and Shockley

Принципиальная структура и условные обозначения транзисторов приведены на рисунке. Биполярный транзистор представляет трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимся типом проводимости полупроводников. Поэтому биполярный транзистор представляет собой два противоположно направленных друг другу диода, имеющих одну общую и тонкую область – базу. К каждой области транзистора присоединен омический контакт. Крайние области транзистора называются эмиттером и коллектором, а промежуточная, как уже отмечалось, базой. Транзистор является, по существу, прибором с взаимодействующими переходами. В транзисторе обеспечивается такой режим, когда с помощью тока через один из переходов можно управлять током через второй переход.

В зависимости от технологии изготовления транзистора концентрация примесей в базе может быть распределена равномерно или неравномерно. При равномерном распределении внутреннее электрическое поле отсутствует и неосновные носители заряда, попавшие в базу, движутся вследствие процесса диффузии. При неравномерном распределении концентрации примеси в базе имеется внутреннее электрическое поле (при сохранении в целом электронейтральности базы) и неосновные носители заряда движутся в ней в результате дрейфа (а, также и диффузии, но в меньшей степени). Транзисторы с неоднородно легированной базовой областью называются дрейфовыми.

При изготовлении транзистора эмиттер и коллектор выполняются низкоомными (высоколегированными), а база — высокоомной. Удельное сопротивление области эмиттера меньше, чем области коллектора.

Различают три основных режима работы биполярного транзистора: активный, отсечки, насыщения. Режим работы определяется смещением переходов транзистора (таблица )

В активном режиме один из переходов биполярного транзистора смещен в прямом направлении приложенным к нему внешним напряжением, а другой — в обратном направлении. В нормальном активном режиме в прямом направлении смещен эмиттерный переход, а коллекторный переход в обратном направлении. Если прямо смещен коллекторный переход, а обратно – эмиттерный, то данное включение транзистора называется инверсным. Если оба перехода смещены прямо, то транзистор находится в режиме насыщения. Если же оба перехода смещены обратно, то транзистор находится в режиме отсечки.

Смещение перехода		Режим работы транзистора
Эмиттерный переход	Коллекторный переход
Прямое	Обратное	Активный, усилительный
Прямое	Прямое	Насыщение
Обратное	Прямое	Инверсный
Обратное	Обратное	Отсечка тока

Три схемы включения транзистора.

В зависимости от того, какой электрод транзистора является общим для входного и выходного сигнала, различают три схемы включения транзистора:

Схема с общей базой:

Схема с общим эмиттером

Схема с общим коллектором

На приведенных рисунках указаны смещения на выводах транзистора, соответствующие активному режиму работы транзистора. Как правило, ток через общий электрод не измеряют.

14. Общие сведения о биполярных транзисторах

Биполярный транзистор — электронный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов. Транзистор называется биполярный, поскольку в работе прибора одновременно участвуют два типа носителей заряда – электроны и дырки. Этим он отличается от униполярного (полевого) транзистора, в работе которого участвует только один тип носителей заряда.

Принцип работы обоих типов транзисторов похож на работу водяного крана, который регулирует водяной поток, только через транзистор проходит поток электронов. У биполярных транзисторов через прибор проходят два тока — основной «большой» ток, и управляющий «маленький» ток. Мощность основного тока зависит от мощности управляющего. У полевых транзисторов через прибор проходит только один ток, мощность которого зависит от электромагнитного поля. В данной статье рассмотрим подробнее работу биполярного транзистора.

Устройство биполярного транзистора.

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводника и двух PN-переходов. Различают PNP и NPN транзисторы по типу чередования дырочной и электронной проводимостей. Это похоже на два диода, соединенных лицом к лицу или наоборот.

У биполярного транзистора три контакта (электрода). Контакт, выходящий из центрального слоя, называется база (base). Крайние электроды носят названия коллектор и эмиттер (collector и emitter). Прослойка базы очень тонкая относительно коллектора и эмиттера. В дополнение к этому, области полупроводников по краям транзистора несимметричны. Слой полупроводника со стороны коллектора немного толще, чем со стороны эмиттера. Это необходимо для правильной работы транзистора.

Режимы работы транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзистора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный — в закрытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в усилительных схемах. Помимо активного , выделяют инверсный режим, при котором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный — открыт, режим насыщения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

15. Основные типы диодов и их назначений

Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов).

Типы диодов

По назначению полупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней и большой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.

Выпрямительные диоды малой мощности. К ним относятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА. Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимый выпрямительный ток (допустимой среднее значение прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные диоды средней мощности. К этому типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 100 — 100 000 А и обратные напряжения до 6000 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.

В зависимости от области применения полупроводниковые диоды делят на следующие основные группы:

выпрямительные,

универсальные,

импульсные,

сверхвысокочастотные,

стабилитроны,

варикапы,

туннельные,

обращенные,

фотодиоды,

светоизлучающие диоды,

генераторы шума,

магнитодиоды.