ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Привет всем читателям «Радиосхем«, меня зовут Дима и сегодня я расскажу простыми словами о полупроводниках и их свойствах, а также о транзисторах и диодах. Итак, приступим, для начала вспомните, какие вы элементы электроники встречали? И их принцип работы? Если вы  начали сразу изучать диоды и транзисторы, то у вас возникнет много вопросов. Поэтому лучше начать с закона Ома, а потом приступить к более простым конструкциям. Транзисторы и диоды – не очень простые элементы, обладающие свойством полупроводника.

Вы знаете как работает простой проводник — ничего сложного. Электроны с большой скоростью проходят через атом, сталкиваясь с ними. При этом возникает сопротивление, вы уже встречали это слово, конечно встречали. Вот лучший друг сопротивления называется резистор. Резистор – это пассивный элемент, обладающей бОльшим сопротивлением, чем обычный  проводник. Ладно, идём дальше, нам надо узнать что же представляет из себя полупроводник? У полупроводника в атомной связи есть лишние электроны, их называют свободными электронами, и есть дырки. Дырки – это пустые места, в которых должны находиться электроны. На рисунке 1, изображено внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Рисунок 1. Внутреннее строение межатомных связей полупроводника.

Теперь разберёмся — как полупроводник пропускает ток. Представим, что мы подключили полупроводник к гальваническому элементу, например к обычной батарее. Ток начинает  двигаться от плюса к минусу. При тепловых явлениях электроны проходящие через полупроводник начинают выхватывать из межатомных связей электроны. Происходят дырки, а свободные электроны сопровождаются проходящими электронами гальванического элемента. Те же электроны, которые попадут на дырку, как бы впрыгнут в неё, восстановив межатомную связь. Проще говоря в полупроводнике при поступлении на него тока нарушаются межатомные связи, электроны вылетают и становятся свободным, другие заполняют дырки, встретив на их пути. И этот процесс происходит бесконечно. На рисунке 2 показано движение электронов.

Рисунок 2. Движение и направление электронов и дырок.

Полупроводниковые диоды

Итак, мы разобрались что из себя представляет полупроводник и какой у него принцип работы. Теперь приступим к диодам, не самым простейшим радиоэлектронным элементам. Выше уже говорил про p-n переход. Теперь подробней: p — это positive (позитив, положительный), n — negative (негатив, отрицательный). Давайте разберёмся как движутся электроны в диоде. Представим, если мы подключим гальванический элемент, например батареи так, чтоб была полярность. Ах да — мы же не разобрались в полярности. Мы уже знаем структуру диода: p-n переход, p — положительный является анодом, n — отрицательный является катодом. На корпусе диода есть тоненькая белая полоска — она чаще всего является катодом, её присоединяют к минусу, а другой вывод является анодом, который присоединяется к плюсу. Теперь разберёмся с движение электронов. Мы присоединили полярно выводы диода, теперь возникает ток. Электроны положительной области начинают двигаться к минусу батареи, а электроны отрицательной области начинают двигаться к плюсу, они встречаются друг с другом, электроны как бы впрыгивают в дырки, в результате и те и другие прекратили своё существование. Эта электропроводность называется электроно-дырочной электропроводностью, электроны движутся с небольшим сопротивлением, показано на рисунке 3 (А). Этот ток называется прямым током Iпр, а что же будет если поменять полярность так, чтобы анод был соединён с минусом, а катод с плюсом. Что же будет происходить? Положительная область, короче дырки начнут двигаться к минусу батареи, а свободные электроны к плюсу, в результате возникнет большая область, она заштрихована на рисунке 3 (Б). Этот ток называется обратным, обладающим очень большим сопротивлением, превышающим несколько сотен Ом, килоом и даже мегаом.

Итак, разобрались с p-n переходом, давайте теперь поговорим о предназначении диода. Диоды используются для детекторных приёмников, чтобы из переменного тока создавать пульсирующий постоянный. А что такое вообще переменный ток? Давайте вспоминать. Переменный ток — это ток который способен менять своё направление в течении каждого полупериода, единицы времени. Как же диод сможет сделать из переменного тока пульсирующий? А вот как: вы же помните, что диод пропускает ток только в одну сторону.

Рисунок 3. Движение электронов обратного и прямого тока в диоде.

Когда ток начинает двигаться от плюса к минусу, проходит прямой ток, спокойно без большого сопротивления, но когда ток начинает двигаться от минуса к плюсу, то возникает обратный ток, который диод не пропускает. Вы наверняка видели график переменного напряжения, такая волнистая линия — сунусоида. Если прикрыть нижнюю линию, то получиться пульсирующий ток. Значит диод как бы отсёк нижнею часть. Ток будет двигаться только в одну сторону — это от плюса к минусу. Разобрались? Тогда теперь приступим к транзисторам.

Биополярные и полевые транзисторы

Итак, мы подошли к биополярным и полевым транзисторам. Мы изучим только биополярные транзисторы, а  полевые пока не будем трогать — отложим для следующего занятия. Биополярные транзисторы ещё иногда называют простыми. В общем мы уже изучили полупроводники и их свойства, а также диод и p-n переход. Теперь подошли к более сложной структуре. Структуре? Думаете что же это, мы уже изучили структуру диода. Напомним, что структура – это несколько полупроводников обладающим либо дырочной проводимостью, либо электронной проводимостью, вот эта структура знакома как p-n переход. У простого (биполярного) транзистора есть две структуры. Это p-n-p структура и  n-p-n структура. А вы же не изучили выводы. Ну конечно, в простом транзисторе как и в полевом три вывода. Только у обычного транзистора другие название выводов и другой принцип работы. Ладно, давайте рассмотрим p-n-p структуру. Первый вывод это база, обладающая управляющим током, второй вывод — эмиттер, взаимодействует с базой, и третий вывод — коллектор, с него снимается повышенный ток. Теперь определим где какой вывод и к какой области он относиться. Первый вывод база, она принадлежит к электронной области, то есть «n», дальше эмиттер — принадлежит к положительному выводу который слева от базы, и коллектор принадлежит к положительному выводу, который справа от базы.

Итак, разберёмся с принципом работы транзистора. Если ток направить на эмиттер и на базу, то получиться p-n переход, там произойдёт избыток электронов, в результате коллектор соберёт этот сильный поток электронов и ток будет усиленный. Я забыл сказать — транзистор как и диод может находиться в двух состояниях: закрытом и открытом. Всё, мы разобрались с транзисторами и диодами, рисунок двух структур p-n-p и n-p-n показан ниже.

Рисунок 4. Две структуры транзистора: p-n-p и n-p-n. 

На этом статья закончена, если что-то не понятно — обращайтесь, расскажу и отвечу. Всем пока. С вами был Дмитрий Цывцын.

   Форум по теории электроники

   Обсудить статью ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ И ДИОДЫ

Разница между диодом и транзистором — Разница Между

Разница Между 2020

Ключевая разница: Диод — это тип электрического устройства, которое позволяет току проходить через него только в одном направлении. Он состоит из полупроводника N-типа и полупроводника P-типа, которые

Содержание:

Ключевая разница: Диод — это тип электрического устройства, которое позволяет току проходить через него только в одном направлении. Он состоит из полупроводника N-типа и полупроводника P-типа, которые размещены вместе. Транзистор — это триод, который существует в двух формах — либо в полупроводнике n-типа, расположенном между двумя полупроводниками p-типа, либо в полупроводнике p-типа, расположенном между двумя полупроводниками n-типа.

Диод — это тип электрического устройства, которое позволяет току проходить через него только в одном направлении. Другими словами, это самый простой из двух терминальных односторонних полупроводниковых приборов. Он позволяет току течь в одном направлении, и в то же время он также блокирует ток, который течет в противоположном направлении. Две клеммы диодов известны как анод и катод. Диод может быть тесно связан с выключателем.

Диоды часто используются для выпрямления напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока. Существуют различные типы диодов. Например, фотодиод — это тот, который позволяет току течь при попадании на него света. Эти типы диодов широко используются в качестве детекторов света.

Транзистор (сокращение от сопротивления передачи) — это электронный компонент, который работает как электронный переключатель и усилитель. Они используются для изменения в потоке электрического тока, и поэтому они рассматриваются как строительные блоки интегральных схем, таких как компьютерные процессоры или процессоры. В большинстве транзисторов предусмотрены три точки подключения. Эти точки также называются терминалами.

Ток между вторым и третьим выводами может быть изменен путем изменения тока между первым и вторым выводами. Таким образом, транзистор ведет себя как переключатель, который может включать или выключать сигнал. Транзистор был разработан Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли в Bell Laboratories 23 декабря 1947 года.

Сравнение между диодом и транзисторами:

	диод	транзистор
Определение	Диод — это тип электрического устройства, которое позволяет току проходить через него только в одном направлении.	Транзистор — это триод, который существует в двух формах — либо в полупроводнике n-типа, расположенном между двумя полупроводниками p-типа, либо в полупроводнике p-типа, расположенном между двумя полупроводниками n-типа.
Пользы	Клиппирование и зажим — для защиты цепей путем ограничения напряжения Выпрямитель напряжения — Тьюринга переменного тока в постоянный Множители напряжения Нелинейное смешение двух напряжений	Усилители. Относительно слабый сигнал, который подается в базу, усиливается в гораздо больший ток, протекающий от эмиттера к коллектору. Переключатели — определенный тип сигнала в базу может использоваться для отключения тока, протекающего от эмиттера к коллектору.
Типы	Распределительный диод (обычный тип) Светоизлучающий (LED) Фотодиоды (поглощает свет, дает ток) Шоттки (высокоскоростной переключатель, низкое напряжение при включении, Al. На кремнии) Туннель (я против V немного отличается от JD, отрицательное сопротивление!) Veractor (колпачок соединения зависит от напряжения) Стабилитрон (специальный диод, использующий обратное смещение)	Существует два основных типа транзисторов: Полевые транзисторы Биполярное соединение
Тип устройства	Диод имеет только 2 полупроводниковых области и поэтому имеет 2 вывода.	Транзистор имеет 3 области и должен иметь 3 провода.
Этимология	Греческие корни di (от δί), что означает «два», и ода (от ὁδός), что означает «путь».	Смесь трансдуктивности (или передачи) и резистора.

Полупроводниковые диоды и транзисторы, область применения — КиберПедия

Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выходами и одним электиронно-дырочным переходом

Полупроводниковые диоды применяются в устройствах радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники, силовой преобразовательной техники. Диоды большой мощности используются в силовых установках для питания тяговых электродвигателей, привода станков и механизмов

Полупроводниковые диоды имеют ряд преимуществ по сравнению с электронными лампами: небольшие габариты, малую массу, высокий КПД, отсутствие накаливаемого источника электронов, большой срок службы, высокую надежность.

Важное свойство полупроводниковых диодов – односторонняя проводимость – широко применяется в устройствах выпрямления, ограничения и преобразования электрических сигналов.

Диоды классифицируются по назначению, физическим свойствам, основным электрическим параметрам, конструктивно-технологическим признакам (точечные и плоскостные), исходному полупроводниковому материалу.

По функциональному назначению различают полупроводниковые диоды: выпрямительные, импульсные, стабилитроны (опорные), фотодиоды, светоизлучающие диоды

1. выпрямительные предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный и используют свойство р-н перехода, а также других электрических переходов хорошо проводить ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствующие напряжения называют прямыми и обратными токами и напряжениями. различают низко и высокочастотные выпрямительные диоды. Первые применяют в преобразовательных устройствах энергетической электроники, вторые – для преобразования радиосигналов

2. импульсные предназначены для преимущественной работы в импульсных устройствах. Их свойства определяют параметры, учитывающие инерционность переключения диода: емкость перехода, интервал времени восстановления обратного сопротивления

3. стабилитроны предназначены для стабилизации постоянного напряжения и ограничения выбросов напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя р-н перехода при некоторых значениях обратного напряжения. Важным параметром является температурный коэффициент стабилизации напряжения.

В основу маркировки положен буквенно-цифровой код

— первая буква или цифра обозначает материал полупроводникового кристалла: 1или Г – германий; 2 – К – кремний;3-А – арсенид галлия

— вторая буква обозначат класс диода: Д- выпрямительный, Аи – СВЧ диоды, В – варикап, С- стабилитрон, И -туннельный диод;

-3 последующие цифры характеризуют тип или область применения 101-399 — выпрямление переменного тока, 401-499 – работа в высокочастотных или сверх частотных цепях, 501-599 — импульсные системы

— последняя цифра -обозначает конструктивные или другие особенности диода

Транзисторами называются активные полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими р-н переходами и тремя выводами, применяемые для усиления и генерирования электрических колебаний. (в связи, телевидении, радиолокации, радионавигации, автоматике, телемеханике, вычислительной и измерительной технике.)

Транзистор иметь трехслойную структуру, состоящую из чередующихся областей с различными типами электропроводимости р-н-р или н-р-н Принцип действия транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных электрических зарядов из эмитерной области в коллекторную (крайние зоны) через базу (средняя зона). Назначением эмитерного перехода является инжекция (впрыскивание) основных носителей эмитерра в базовую область

Различают 4 режима работы транзистора:

— активный (переход эмиттер- база включен в прямом направлении а переход коллектор-база – в обратном)

—инверсный(переход эмиттер- база включен в обратном направлении а переход коллектор-база – в прямом)

-режим отсечки – оба перехода включены в обратном направлении

— режим насыщения — оба перехода включены в прямом направлении

Недостатком транзистора является относительно высокая нестабильность их параметров и характеристик. Причины нестабильности: влияние температуры окружающей среды, изменение параметров при старении с течением времени, разброс параметров в процессе изготовления однотипных транзисторов.

Транзисторы классифицируются по материалу, способу движения неосновных носителей в базовой области, мощности и частоте, назначению и способу изготовления

 

Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) — Студопедия

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы — диода (см.§ 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-n-переход, называется полупроводниковым (кристаллическим) диодом. Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечныеи плоскостные.

Рис. 339 Рис. 340

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия А1 в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий р-проводимостью. На границе этого слоя образуется р-n-переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu₂О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu₂О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu₂О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,— дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu₂О к Сu ( ).

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис.325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). р-n-Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 — 80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Рис. 341

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р, т. е. триода на основе n-полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов — металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором — постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление , а усиленное — снимается с выходного сопротивления

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» — инжекцией — в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении — переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n-переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б_к. Обычно >> , поэтому значительно превышает входное напряжение (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п-типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода и поэтому потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме и т. д.), транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

• В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
• Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?
• Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?
• Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
• Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
• Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?
• Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.
• Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
• Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?
• Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?
• Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?
• В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
• В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
• Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n-типа? с полупроводником р-типа? Объясните механизм его образования.
• Как объяснить одностороннюю проводимость р-п-перехода?
• Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
• Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
• Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17°С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.

Диодные включения транзисторов

Для создания интегрального диода достаточно сформировать только один p-n-переход. Однако при изготовлении микросхем желательно все элементы формировать в едином технологическом процессе. Поэтому наиболее экономично использовать биполярный транзистор в диодном включении.

При этом характеристики диода-транзистора можно изменять, используя тот или иной p-n-переход путем применения одного из шести возможных вариантов включения (рис. 15).

 

Рис. 15. Транзистор в диодном включении

 

Первые два варианта анализируются наиболее просто. Так как один из переходов замкнут, то напряжение на нем равно нулю, т. е. закороченные p-n-переходы не оказывают никакого влияния на вольт-амперные характеристики рабочих p-n-переходов. В вариантах (в) и (г) второй p-n-переход никуда не подключается и влияет на рабочий переход, снижая ток насыщения получающегося диода.

Последний вариант (е) получается, если в технологическом процессе формирования транзисторной структуры исключить эмиттерную диффузию. Поскольку остается только один p‑n‑переход, никакого влияния на него не оказывается, и вольт-амперная характеристика точно такая же, как и при закороченных выводах эмиттер—база.

Отмечая особенности рассмотренных вариантов, можно сказать, что наибольший ток пропускает диод варианта (д), наибольшим быстродействием обладает диод варианта (а), а наибольшие пробивные напряжения имеют диоды вариантов (б, г, е).

 

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

 

1. Определение вольт-амперных характеристик диодных структур транзисторов и характерных электрических параметров их. Исследование изменения электрических свойств диодов в зависимости от температуры.

2. Определение входных и выходных вольт-амперных характеристик транзисторных структур и исследование изменения электрических свойств транзисторов в зависимости от температуры.

 

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

 

Лабораторная установка включает в себя измерительный блок и персональный компьютер (ПК).

Измерительный блок содержит управляемый источник тока, коммутатор образцов и преобразователь ток – напряжение. Управляемый источник тока предназначен для задания тока азы исследуемых транзисторов. Коммутатор схем включения служит для задания схемы эксперимента. Выбор необходимого объекта происходит с помощью коммутатора образцов. Измерение тока производится при помощи преобразователя трок – напряжение. Образцы помещены в термостат, там же расположен и датчик температуры. Необходимый режим работы термостата задается узлом управления нагревателя.

ОПИСАНИЕ ПРОГРАМНОГО ИНТЕРФЕЙСА

Основное меню

Главное окно программы содержит меню, которое включает следующие пункты: Измерение, Настройки, Окно, Помощь. Некоторые из них содержат подменю. Описание команд меню приведено в таблице 1.

 

Таблица 1

Пункт меню	Подменю	Действие
Измерение	База данных	Открывает окно базы данных
	Осциллограф	Открывает окно осциллографа
	Подключиться	Команда подключения клиента к серверу
	Отключиться	Команда отключения клиента от сервера
	Разговор с оператором	Открывает окно диалога между кли­ентом и сервером
	Выход	Выход из программы
Настройки	Параметры	Выводит на экран окно параметров установки и сведений об исследуе­мых образцах
	Термостат	Открывает окно настройки термо­стата
Окно	Каскадом Упорядочить все Закрыть все База данных	Команды управления расположени­ем на экране открытых окон прило­жения
Помощь	О программе	Приводит к появлению на экране окна с информацией о разработчике программы
	Содержание	Открывает электронную справоч­ную систему программы

Панель инструментов

Ниже строки меню находится панель инструментов, где располагаются кнопки, описанные в таблице 2.

 

Окно базы данных

Окно «База данных» (рис. 16) содержит таблицу записей результатов измерений различных характеристик в базе. Таблица записей включает дату измерений, номер образ­ца и измерения, для которого получена характеристика.

Рис. 16. Окно «База данных»

 

В окне базы данных содержатся следующие кнопки:

	Просмотр;
	Удаление текущей записи.

При нажатии «Просмотр» открывается окно просмотр текущего измерения содер­жащее панель инструментов для редактирования графических характеристик.

 

Таблица 3

При нажатии кнопки открывается окно редактирования отображения графика (рис. 17).

Рис. 17. Окно «Редактирования графика»

 

Для редактирования параметров графика, таких как цвет линии, тип линии, толщи­на линии необходимо открыть вкладку «Series» в окне «Editing Chart» на экране монитора появится окно «Series». В этом окне из выпадающего списка меню выбрать серию экспе­риментов, которую необходимо отредактировать.

Рис. 18. Окно настройки параметров графика

Далее нажать кнопку «Border» откроется окно редактирования линии, где можно задать её параметры.

Рис. 19. Окно редактирования линии

 

Окно измерений

При нажатии кнопки открывается окно осциллографа (рис. 20).

Для запуска измерения необходимо нажать кнопку «Обновлять», а при снятии тем­пературных измерений нажать кнопку «Термостат». При нажатии вкладки «Настройки» в окне «Осциллограф» открывается окно настроек текущего измерения, где отображается текущий режим измерения и устанавливается время обновления измерения (рис.21). Если частота процессора невелика, можно увеличить время обновления (например, 3 с). В этом случае ПЭВМ будет успевать обрабатывать измерительную информацию и характе­ристики на экране не будут искажены.

Рис. 20. Окно «Осциллограф»

Рис. 21.Окно «Настройки»

 

Меню настройки

Меню настройки содержит две вкладки:

— Параметры;

— Термостат.

Нажав вкладку «Параметры» открывается окно (рис. 22) содержащее вкладки:

— установки — содержит сведения об IP — адресе сервера и порта;

— образцы — содержит сведения об образцах установленных в термокамере изме­рительного блока.

Нажав вкладку «Термостат» в меню «Настройки» открывается окно настроек па­раметров термостат (рис. 23):

— установка начальной температуры измерений;

— установка конечной температуры измерений;

— установка шага измерения температуры.

Рис. 22. Окно «Параметры»

Рис.23. Окно «Термостат»

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Включить ПК, подать напряжение на измерительный блок с помощью тумблера (загорится сигнальная лампа «Сеть»). Прибор должен быть включен до запуска программы. Запустить программу «Биполярные структуры».

2. Замерить начальную температуру транзисторных структур.

3. Снять ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения указанных преподавателем диодных структур транзисторов.

При этом необходимо задать максимальные значения обратного и прямого напряжений для управляемого источника напряжения (УИН) и предельные значения измеряемого обратного и прямого токов.

Максимальный предел изменения прямого тока – 50 мА, которое достигается при прямом смещении кремниевых структур на 0,7 – 1 В и 0,4 – 0,7 В для германиевых.

Обратный ток для кремниевых переходов составляет десятые – сотые доли микроампер, а у германиевых — единицы — сотни микроампер. На ВАХ диодов должно наблюдаться явление электрического пробоя.

4. Снять входные ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения исследуемого транзистора при двух различных значениях напряжения коллектор — эмиттер U_КЭ. Значение напряжения коллектор — эмиттер записать.

В данной лабораторной работе реализована возможность регистрации входных характеристик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером. При этом снимается зависимость напряжения база – эмиттер U_БЭ от тока базы I_Б при постоянном напряжении коллектор-эмиттер U_КЭ.

С помощью управляемого источника тока (УИТ) изменяется ток базы транзистора всегда в диапазоне от нуля до 1 мА, а U_БЭ измеряется электронным вольтметром. Можно снять семейство входных характеристик при различных значениях напряжения U_КЭ (от нуля до 5В), задаваемых при помощи УИН.

6. Снять выходные ВАХ и записать таблицу значений тока и напряжения исследуемого транзистора при двух различных значениях тока базы I_Б. Значение тока базы записать.

В данной лабораторной работе реализована возможность регистрации выходных характеристик биполярных транзисторов в схеме с общим эмиттером. При этом снимается зависимость тока коллектора I_К от напряжения коллектор – эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б.

С помощью УИН изменяется U_КЭ транзистора в диапазоне от нуля до заданного предельного значения, при этом измеряется I_К. Можно снять семейство выходных характеристик при различных значениях I_Б (от нуля до 1 мА), задаваемых УИТ. Выбор необходимых значений I_Б осуществляется путем перемещения движка регулятора тока базы. Правильно выбирайте предел измерения по току коллектора. При смене значения I_Б, как правило, необходимо нажать кнопку “Авто”.

7. Повторить работу по пунктам 3-6 при заданных преподавателем температурах.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

 

Отчет формируется в любом текстовом редакторе.

Часть I «Исследование диодных структур» содержит:

— схемы диодных включений транзисторов с указанием их типов;

— графики ВАХ полупроводниковых диодов при различных температурах;

-сравнительные таблицы электрических параметров полупроводниковых диодов при различных температурах (см. таблицы 4 и 5), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

 

Таблица 4. Сравнительная таблица значений тока и напряжения полупроводниковых диодов в прямом включении электрического поля при различных температурах

Прямая ветвь ВАХ
Iпр, мА	Uпр, В
T1= , °С	T2= , °С
Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)	Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)

 

Таблица 5. Сравнительная таблица значений тока и напряжения полупроводниковых диодов в обратном включении электрического поля при различных температурах

Обратная ветвь ВАХ
Uобр, В	Iобр, мкА
T1= , °С	T2= , °С
Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)	Кремневый диод (указать тип)	Германиевый диод (указать тип)

 

— значения напряжений отпирания и пробоя диодов с указанием их на увеличенных ВАХ соответственно прямой и обратной ветвей;

— расчет сопротивления прямой и обратной ветви при различных температурах и фиксированных значениях напряжений, соответственно, прямого и обратного включений, а также график зависимости прямого и обратного сопротивлений от температуры.

В выводах пояснить принцип действия полупроводникового диода, опираясь на его ВАХ, охарактеризовать напряжения отпирания и пробоя. По полученным данным сделать выводы об изменении свойств полупроводниковых материалов в зависимости от температуры и сравнить их с теоретическими данными.

 

Часть II «Исследование транзисторных структур» содержит:

— схемы измерения входных и выходных характеристик транзистора с указанием его типа;

— серии входных ВАХ транзистора при различных значениях напряжения коллектор-эмиттер и температурах;

— сравнительные таблицы входных ВАХ транзистора при двух различных значениях U_КЭ и температуры (см. таблицы 6), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

 

Таблица 6. Сравнительная таблица входных ВАХ транзистора (указать тип) при различных температурах

Входные ВАХ
Iб, А	UБЭ, В
Т= , °С	Т= , °С
UКЭ= , В	UКЭ= , В	UКЭ= , В	UКЭ= , В

 

— серии выходных ВАХ транзистора при различных значениях тока базы и температурах;

— сравнительные таблицы выходных ВАХ транзистора при двух различных значениях I_б и температуры (см. таблицы 7), используя полученные в ходе лабораторной таблицы значений токов и напряжений. Для сравнения выберите 10 – 15 значений во всем измеряемом диапазоне.

Таблица 7. Сравнительная таблица выходных ВАХ транзистора (указать тип) при различных температурах

Выходные ВАХ
UКЭ, В	Iк, А
Т= , °С	Т= , °С
Iб = , А	Iб = , А	Iб = , А	Iб = , А

 

В выводах пояснить принцип действия полупроводникового транзистора опираясь на его входные и выходные ВАХ, а также выявить как изменяются электрические свойства транзистора при его нагреве.

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1. В чем заключается суть зонной теории твердых материалов?

2. Поясните физические процессы, определяющие собственную и примесную проводимости полупроводников с точки зрения кристаллического строения вещества и зонной теории.

3. Как влияют внешние факторы (температура, деформация, свет, электрические поля и др.) на элекропроводимость полупроводников?

4. Что такое электронно-дырочные переход?

5. Какие особенности у перехода металл-полупроводник?

6. Полупроводниковый диод: принцип действия, вольт-амперная характеристика.

7. Биполярный транзистор: его принцип действия, входные и выходные вольт-амперные характеристики, получение диодных структур.

8. Как определить тип электропроводимости полупроводника?

9. Классификация полупроводниковых материалов.

10. Дайте характеристику простым полупроводниковым материалам (германий, кремний, селен).

11. Дайте характеристику группам сложных полупроводниковых материалов.

12. Какие бывают методы очистки полупроводниковых материалов?

13. Каким образом изготовляют монокристаллические полупроводники? Для чего они предназначены?

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Материаловедение. Технология конструкционных материалов : Учеб.пособие / Под ред.В.С.Чередниченко. — 4-е изд.,стер. — М. : Омега-Л, 2008.

2. Лахтин Ю.М.
Материаловедение : Учебник / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. — 3-е изд.,перераб.и доп. ; Репр.изд. — М. : Альянс, 2013. — 528 с.

3. Справочник по электротехническим материалам: В 3-х т. / Под ред.Ю.В.Корицкого, В.В.Пасынкова, Б.М.Тареева. — 3-е изд.,перераб. — Л.: Энергоатомиздат.Ленингр.отд-ние, 1988.

4. Электротехнический справочник: В 3-х т. Т.1: Общие вопросы. Электротехнические материалы / Под общ.ред.И.Н.Орлова(гл.ред.) и др. — 7-е изд.,испр.и доп. — М.: Энергоатомиздат, 1985.

5. Никулин Н.В. Справочник молодого электрика по электротехническим материалам и изделиям / Н. В. Никулин. — 5-е изд.,перераб.и доп. — М.: Высш.шк., 1982.

6. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы [Электронные текстовые данные]: Учеб.пособие / Т. Е. Харламова; Северо-зап.заочный политехн.ин-т. — СПб.: Изд-во СЗПИ, 1998

7. Алиев И.И. Электротехнические материалы и изделия: Справочник / И. И. Алиев, С. Г. Калганова. — М.: РадиоСофт, 2005.

 

---

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:

5. Полупроводниковые диоды и транзисторы СВЧ. Приборы СВЧ и оптического диапазона. Курс лекций

5.1. Классификация полупроводниковых СВЧ диодов.Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ

5.2. Детекторные диоды СВЧ

5.3. Смесительные диоды СВЧ

5.4. Переключательные диоды СВЧ

5.5. Биполярные СВЧ транзисторы

5.6. Полевые СВЧ транзисторы

5.1. Классификация полупроводниковых СВЧ диодов. Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ

Сверхчастотный полупроводниковый диод (СВЧ-диод) – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования и обработки сверхчастотного сигнала.

Полупроводниковые СВЧ-диоды уже длительное время применяют в различной радиоэлектронной аппаратуре и измерительной технике СВЧ-диапазона, т.е. на частотах более 300 МГц. Сначала СВЧ-диоды использовали для детектирования и смещения сигналов. Для этих целей применяли точечные диоды, выпрямляющий электрический переход в которых возникал между кристаллом полупроводника и прижимным металлическим электродом в виде заостренной пружинки. Созданные в последнее время новые типы СВЧ-диодов практически целиком заменили точечные детекторные и смесительные диоды. Они дают возможность решать задачи генерации и усиления электромагнитных колебаний СВЧ-диапазона, умножения частоты, модуляции, регулирования, ограничения сигналов и т.п.

На сверхвысоких частотах могут работать такие СВЧ-диоды как детекторные, смесительные, параметрические, настроечные, переключательные, лавинно-пролетные, генераторы Ганна и др.

5.2. Детекторные диоды СВЧ

Детекторный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для детектирования сигнала.

При детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения из модулированных по амплитуде ВЧ- или СВЧ-колебаний сигнала более низкой частоты, который потом поступает на вход усилителя (рисунок).

Одним из основных параметров детекторных СВЧ-диодов является чувствительность по току b ₁ – отношение приращения выпрямленного тока при заданной нагрузке в выходной цепи диода к мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диодной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме и вызвавшей это приращение. Чувствительность по току детекторного диода зависит от постоянного прямого тока смещения. Наибольшие значения чувствительности по току обычно получаются при прямом токе смещения в несколько десятков микроампер, но при выборе тока смещения необходимо учитывать его влияние и на другие параметры.

Обобщенным параметром детекторного диода, учитывающим различные свойства диода и следующего за ним усилителя (видеоусилителя), является коэффициент качества детекторного диода, который характеризует чувствительность приемного устройства с детекторным диодом и определяется по формуле: где r_диф – дифференциальное сопротивление диода при определенном положительном смещении; n_ш – шумовое отношение СВЧ-диода; r_ш – эквивалентное шумовое сопротивление видеоусилителя, которое обычно принимают при расчетах равным 1 кОм.

Лучшие детекторные СВЧ-диоды имеют коэффициент качества более 100 Вт ^–1/2. К таким диодам можно отнести, например, диоды Шоттки с планарно-эпитаксиальной структурой на основе арсенида галлия АА204А…АА204В, предназначенные для детектирования в сантиметровом диапазоне длин волн.

5.3. Смесительные диоды СВЧ

Смесительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

К смесительному диоду подводится сигнал и напряжение от специального генератора – гетеродина. В связи с нелинейностью ВАХ диода происходит образование сигнала разностной (промежуточной) частоты. Дальнейшее усиление входного сигнала осуществляется на этой промежуточной частоте, которая должна быть выше частот, соответствующим низкочастотным шумам, обратно пропорциональным частоте.

Основным параметром смесительных диодов, определяющим эффективность преобразования входных сигналов высокой частоты в сигналы промежуточной частоты, является параметр L_прб называемый потери преобразования смесительного диода и равный отношению мощности СВЧ-сигнала на входе диодной камеры к мощности сигнала промежуточной частоты, выделяемой в нагрузке смесительного диода в рабочем режиме:

В большинстве приемных устройств СВЧ-диапазона отсутствуют усилители перед смесителем. Поэтому чувствительность всего приемного устройства, возможность различить полезный сигнал на фоне шумов зависят от уровня шумов смесительного диода. Уровень шумов смесительного диода (и других приборов) оценивают шумовым отношением n_ш – отношением номинальной мощности шумов диода в рабочем режиме к номинальной мощности тепловых шумов соответствующего активного сопротивления при той же температуре и одинаковой полосе частот.

Другим параметром, характеризующим шумы смесительного диода и других приборов и систем, является коэффициент шума – отношение мощности шумов на выходе к той ее части, которая вызвана тепловыми шумами источника сигнала:

Обобщенным параметром приемного устройства, в смесителе которого использован диод с определенными потерями преобразования и шумовым соотношением, является нормированный коэффициент шума – значение коэффициента шума приемного устройства со смесительным диодом на входе при коэффициенте шума усилителя промежуточной частоты F_упч, равном 1,5 дБ:

Одним из вспомогательных параметров смесительных диодов служит выпрямительный ток I_вп – постоянная составляющая тока, протекающая в выходной цепи диода в рабочем режиме. Этот параметр используется для контроля исправности смесительного диода и гетеродина приемника, от которого на смесительный диод подается определенная мощность СВЧ-колебаний с определенной длинной волны.

Другим вспомогательным параметром является коэффициент стоячей волны по напряжению СВЧ-диода K_{ст U} – коэффициент стоячей волны по напряжению в передающей линии СВЧ, когда она нагружена на определенную диодную камеру с СВЧ-диодом в рабочем режиме. Чем лучше согласовано входное сопротивление камеры (с диодом) с волновым сопротивлением тракта, тем меньше коэффициент стоячей волны по напряжению и потери принимаемого сигнала.

5.4. Переключательные диоды СВЧ

Переключательный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Принцип действия переключательного диода основан на большом различии полного сопротивления СВЧ-сигналу при прямом постоянном токе через диод и при обратном постоянном напряжении на диоде. Именно поэтому СВЧ-тракт (волноводная, коаксиальная или полосковая линия), следующий за переключательным устройством с диодом, может быть либо открыт, либо закрыт для СВЧ0сигнала. Например, в радиолокационных станциях с фазированными решетками, содержащими тысячи идентичных антенных элементов, переключательные диоды должны обеспечить подачу мощного СВЧ-импульса на каждый элемент в определенные моменты времени. При этом мощные импульсы передатчика не должны попадать в канал чувствительного приемника.

Отсюда ясны основные требования к переключательным СВЧ-диодам. Они должны с минимальными потерями пропускать СВЧ-мощность в состоянии пропускания и не пропускать – в состоянии запирания, обладать большой допустимой мощностью рассеяния, большим пробивным напряжением, малой собственной емкостью и достаточно большой скоростью переключения.

Обобщенным параметром переключательного диода является критическая частота f_кр, которая характеризует эффективность переключательного диода и определяется по формуле: где С_стр – емкость структуры; r_пр – прямое сопротивление потерь (активная составляющая полного сопротивления диода) при определенном прямом токе смещения; r_обр – обратное сопротивление потерь при определенном обратном напряжении смещения.

Для увеличения допустимой мощности рассеяния диода необходимо увеличивать площадь выпрямляющего электрического перехода, что влечет за собой увеличение барьерной емкости. Поэтому большинство переключательных СВЧ-диодов имеет p-i-n-структуру, толщина p-n-перехода которой существенно увеличена из-за наличия между p- и n-областями слоя высокоомного полупроводника с собственной электропроводимостью (рисунок).

Практически p-i-n-структуру для переключательных СВЧ-диодов формируют на исходном кристалле кремния с проводимостью, близкой к собственной, т.е. либо с небольшой концентрацией акцепторов (p -слой), либо с небольшой концентрацией доноров (n -слой). Энергетическая диаграмма, распределение примесей, плотность объемного заряда и электрического поля в p-i-n- и p-p -n-структурах показаны на рисунке. Методы формирования этих структур различны: вплавление и диффузия примесей, эпитаксиальное наращивание, ионное легирование.

Диоды с p-i-n-структурой отличаются меньшей барьерной емкостью, которая к тому же очень слабо зависят от напряжения (особенно при больших концентрациях примесей в p- и n-областях). Практическая независимость емкости структуры от напряжения оказывается важным свойством переключательных диодов, так как изменение емкости с напряжением может вызвать дополнительные частотные искажения полезного сигнала.

Пробивное напряжение диодов с p-i-n-структурой достигает нескольких сотен вольт, что существенно превышает пробивное напряжение диодов с обычным p-n-переходом и с таким же уровнем легирования прилегающих областей.

Для переключательных СВЧ-диодов некоторых марок (2А523А-4 и др.) максимально допустимая мощность, которую может рассеять диод в непрерывном режиме, равна 20 Вт. Такие диоды представляют собой бескорпусные приборы с жесткими выводами – кристаллодержателями – и защитным покрытием. Диаметр их 2 мм, длина 3,6 мм.

Переключательный СВЧ-диод может работать при последовательном и при параллельном включении с линией передачи. В параллельной схеме при прямом смещении диод имеет небольшое сопротивление, шунтирующее линию, и большая часть СВЧ-мощности отражается обратно. Таким образом, при параллельной схеме для переключения СВЧ-тракта используют разницу в отражении, а не в поглощении. В самом диоде при этом поглощается незначительная часть падающей на него СВЧ-мощности, что позволяет относительно маломощному прибору управлять десятками и сотнями киловатт импульсной СВЧ-мощности.

Недостатками переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой является инерционность процесса рассасывания носителей заряда (электронов и дырок) из i-слоя при переключении диода с прямого направления на обратное, так как толщина i-слоя может составлять несколько десятков микрометров, а скорость движения носителей заряда ограничена.

Значительно большую скорость переключения можно получить при использовании диодов Шоттки, изготовленных на основе арсенида галлия. Однако уровень переключаемой СВЧ-мощности при этом на несколько порядков ниже, чем при применении переключательных СВЧ-диодов с p-i-n-структурой.

5.5. Биполярные СВЧ транзисторы

Граничная частота. Частотные свойства транзисторов обычно характеризуются граничной частотой f_гр, которая связана со временем задержки сигнала τ от эмиттера до коллектора:

f_гр =1/2πτ (5.1)

Время задержки

τ = τ_э.п+ τ_б + τ_к.п+ τ_к, (5.2)

где τ_э.п — время зарядки емкости эмиттерного перехода; τ_б — время пролета носителей заряда через базовую область; τ_к.п — время задержки в коллекторном переходе, связанное с временем пролета; τ_к — время зарядки емкости коллекторного перехода.

Уменьшение ширины базовой области примерно до 0,1 мкм снижает τ_б до единиц пикосекунд. В этом случае граничная частота в основном будет определяться τ_э.п и τ_к.п, которые примерно равны 10 пс. Поэтому для увеличения f_гр необходимо выдвигать дополнительные требования: уменьшение емкости эмиттерното перехода С_э.п, ширины коллекторного перехода d_к и сопротивления коллекторной области r_к, влияющего на значение τ _к.

Однако требования, предъявляемые к СВЧ транзисторам, противоречивы. Например, повышение концентрации примеси, необходимое для уменьшения ширины коллекторного перехода (уменьшения d_к), приводит к росту емкости этого перехода. Уменьшение площади перехода для снижения его емкости будет сопровождаться падением мощности транзистора. Необходимого уменьшения величин r_к и d_к можно добиться повышением концентрации примеси, но при это τ м произойдет сужение коллекторного перехода, увеличится емкость, а кроме того, снизится напряжение пробоя и выходная мощность. Таким образом, повышение граничной частоты биполярного транзистора сопровождается падением мощности и важнейшим ограничением является напряжение пробоя коллекторного перехода, которое зависит и от выбора полупроводникового материала.

Рассмотрим предельный случай, когда граничная частота определяется только временем задержки сигнала в коллекторном переходе τ_к.п, т. е.

f_гр =1/2π τ_к.п (5.3)

Доказано, что τ_к.п примерно равно половине времени пролета носителей в коллекторном переходе (τ_к.п ≈ τ_пр/2).

Дрейфовая скорость при увеличении напряженности поля сначала возрастает линейно, а затем стремится к предельному значению, называемому скоростью насыщения v_н. Эта зависимость скорости от напряженности доля объясняется в § 7.1. Скорость v_н определяется материалом полупроводника и типом носителей заряда (электрон, дырка). Так как дрейфовая скорость носителей в переходе не может превышать значения v_н, то минимальное время пролета τ_пр=d_к /v_н а максимальная граничная частота (5.3)

f_гр = v_н /π d_к (5.4)

Предположим, что поле Е в переходе однородное, а его значение, соответствующее началу пробоя, Е_пpoб. Тогда напряжение на переходе в начале пробоя U_пpoб ≈ Е_пpoб d_к и (6.4) преобразуете к виду

f_гр U_пpoб ≈ Е_пpoб v_н /π (5.5)

Максимальная напряженность поля Е_пpoб и U_пpoб, связанные между собой, зависят от концентрации примеси и формы перехода. С ростом концентрации Е_пpoб увеличивается, а U_пpoб уменьшается. При увеличении концентрации примеси в резком переходе от 10¹⁴ до 10¹⁷ см ^-3 Е_пpoб изменяется в следующих пределах: у германия (1,5 — 3,1)•10⁶ В/см, у кремния (3 — 6)•10⁶ В/см, а у арсенида галлия (3,5—6,5)•10⁶ В/см. Таким образом, Е_пpoб и U_пpoб у Si и GaAs почти одинаково и в 1,5 — 2 раза больше, чем у Ge. Скорость насыщения v_н для электронов и дырок соответственно в Ge 6•10⁶ и 8•10⁶ см/с, в Si примерно равны 10⁷ см/с, в GaAs — около 9•10⁶ см/с. Произведение (5.5) составит для Ge, Si и GaAs примерно 200, 400 и 450 ГГц•B соответственно. Эти результаты можно заменить одним условием, ограничивающим частоту f_гр:

f_грU_пpoб ≤ 200ГГц•В.

При минимальном напряжении пробоя 2 В частота f_гр ≈ 100 ГГц. Однако этот результат не может быть получен, так как в переходе значение поля не постоянно, а скорость не везде равна скорости насыщения. Кроме того, существуют конструктивные и технологические ограничения. Поэтому считают, что f_{гр. max} ≈ 20 ГГц.

Влияние уровня инжекции на граничную частоту. На пути создания транзисторов с узкой базой имеются ограничения, связанные с большой плотностью тока в мощных транзисторах.

Одно из них состоит в том, что при большой плотности тока эмиттера возрастает напряжение, создаваемое базовым током на сопротивлении узкой базовой области (рис. 5.4). Если базовый электрод окружает эмиттер, то прямое напряжение на переходе в центре эмиттера, расстояние I от которого до базового электрода наибольшее (базовое сопротивление максимально), оказывается меньше, чем на периферии эмиттера. Поэтому ток в переходе будет существовать по периметру (эффект оттеснения тока эмиттера к периферии эмиттера). В этом случае площадь эмиттера используется неэффективно, в то время как емкость перехода определяется полной площадью. Таким образом, в мощных транзисторах целесообразно использовать очень узкие эмиттеры с большим общим периметром. Ширина эмиттерных полосок при плотности тока примерно 1000 А/см² выбирается порядка нескольких микрометров.

Рис. 5.4

Рис. 5.5

Еще одним ограничением при создании узкой базы в транзисторах с большой плотностью тока является смещение границы базовой области в сторону коллекторной области. При большой плотности тока в pnp-транзисторе концентрация дырок в коллекторном переходе становится сравнимой с концентрациями донорной и акцепторной примесей. В сечении, где распределение объемного заряда в переходе проходило ранее через нуль, теперь будет существовать положительный заряд дырок. Это означает, что весь коллекторный ‘переход сместился в сторону коллекторной области, т. е. увеличилась ширина базовой области. Последнее приводит к росту рекомбинации инжектированных дырок в базовой области, снижению коэффициента передачи тока и уменьшению граничной частоты f_гр вследствие роста времени пролета носителей в базовой области.

При большой плотности тока приходится также учитывать влияние сопротивления коллекторной области, так как обычно последняя является высокоомной и изготавливается путем эпитаксиального наращивания n-слоя на низкоомной подложке (n⁺-область). На рис. 6.5 показано типичное распределение концентрации основных носителей заряда в транзисторе с высокоомной коллекторной областью, которая необходима для уменьшения емкости коллекторного перехода и повышения напряжения пробоя. Однако с ростом коллекторного тока увеличивается падение напряжения на сопротивлении эпитаксиальной коллекторной n-области и напряжение на самом переходе уменьшается. Это вызовет уменьшение ширины коллекторного перехода, т. е. нежелательное расширение базовой области. При некотором токе коллектора напряжение на переходе пройдет через нулевое значение и транзистор из активного (усилительного) режима перейдет в режим насыщения.

Технологические ограничения. Формула (5.5) устанавливает для граничной частоты теоретический предел, который пока не достигнут. При выборе полупроводникового материала предпочтение отдается кремнию по технологическим соображениям. Главное преимущество кремния состоит в том, что появляющаяся на нем двуокись кремния может использоваться как маска в процессе диффузии примесей или как изолирующее диэлектрическое покрытие. Окислы германия и арсенида галлия менее стабильны, чем двуокись кремния.

Важными электрофизическими свойствами полупроводников, определяющими параметры транзистора, являются подвижность электронов и дырок, диэлектрическая постоянная и теплопроводность. Подвижность определяет время пролета носителей, в базе и сопротивления областей базы и коллектора. Чем меньше эти величины, тем выше коэффициент усиления и меньше коэффициент шума транзистора на СВЧ.

В GaAs подвижность электродов примерно в 4 раза больше, чем в кремнии, и поэтому GaAs является более предпочтительным материалом. Однако из-за технологических трудностей он не получил применения в биполярных транзисторах.

Диэлектрическая постоянная, влияющая на емкость переходов составляет для кремния, арсенида галлия и германия 11,7; 11,1 и 16 соответственно. Но по теплопроводности кремний в 2 раза превосходит GaAs и поэтому обычно используется для изготовления мощных транзисторов.

Сравнивая же кремний и германий, следует отметить такие преимущества кремния, как более высокая скорость насыщения электронов и большая напряженность поля пробоя.

Технология изготовления приборов на основе кремния хорошо разработана и позволяет создавать СВЧ транзисторы с высоким процентом выхода годных и с хорошей надежностью. Глубину диффузии примесей (мышьяка, фосфора и бора) в кремнии можно контролировать при планарной технологии с точностью 0,1 мкм, а достижимые на практике уровни легирования оказались особенно удобными для создания кремниевых nрn -транзисторов.

Выполняются СВЧ транзисторы по планарной технологии таким образом, чтобы отношение периметра эмиттера к его площади было наибольшим. Последнее достигается в транзисторе с гребенчатой и многоэмиттерной структурами и в многоструктурных транзисторах. В гребенчатой структуре (рис. 6.6 а) чередуются эмиттерные и базовые области, имеющие форму узких полосок. В многоэмиттерной структуре (ряс. 5.6 б) вместо каждой эмиттерной полосковой области используется ряд небольших прямоугольных эмиттеров, соединенных металлическими полосками. Между эмиттерами находятся полосковые выводы от общей базовой области. Применяются также многоструктурные транзисторы, которые по существу являются объединением ряда многоэмиттерных или гребенчатыхсекций.

а) б)

Рис. 5.6

Отношение периметра к площади эмиттера с гребенчатой структурой доходит до 250 мм/мм². Дальнейшее увеличение отношения требует изготовления полосок с шириной менее 1 мкм.

Для СВЧ транзисторов большое значение имеет точность воспроизведения элементов — ширины эмиттерных полосок, расстояния между эмиттерными и базовыми полосками, коллекторных площадок. Максимальная разрешающая способность при фотолитографии соответствует получению ширины эмиттерных полосок 1 мкм. Для воспроизведения меньших размеров следует применять электронно-лучевую литографию. Вследствие меньшей длины волны электронного излучения можно получить полоски и промежутки с разрешением 0,1 мкм, что позволяет повысить рабочую частоту транзистора.

Для мощных СВЧ транзисторов важной является задача равномерного распределения тока и теплоотвода. В этих транзисторах наблюдается вторичный пробой (первичным называют пробой коллекторного перехода при обратном напряжении эмиттерного перехода) — Вторичный пробой может следовать за первичным, но может возникать самостоятельно при прямом включении эмиттерного перехода.

Вторичный пробой коллекторного перехода связан с перераспределением тока в сечении прибора и его концентрацией в локальных областях. Вторичный пробой характеризуется резким увеличением коллекторного тока и, как правило, приводит к выходу прибора из строя из-за образования локальных областей перегрева. В случае прямого включения эмиттерного перехода перераспределение тока может быть связано с оттеснением тока эмиттера к периферии, с неравномерностью инжекции, вызванной неодинаковостью падения напряжения на различных эмиттерных полосках или наличием дефектов структуры.

Применение гребенчатой и многоэмиттерной структур обеспечивает и равномерность распределения тока. Однако для улучшения равномерности последовательно с полосковыми эмиттерами в гребенчатой структуре или полосками в многоэмиттерной структуре включаются резисторы, ограничивающие ток при прямом включении эмиттерного перехода. Для борьбы со вторичным пробоем при обратном включении эмиттерного перехода следует затруднить развитие первичного (лавинного) пробоя коллекторного перехода. С этой целью эпитаксиальный высокоомный слой коллекторной области делают достаточно толстым. Следует также снижать тепловое сопротивление участка коллекторный переход – корпус.

Параметры биполярных СВЧ транзисторов. Основными параметрами являются рабочая частота, коэффициент усиления по мощности, выходная мощность, КПД и коэффициент шума. При этом коэффициент шума важен только для маломощных (малошумящих) транзисторов, а КПД — для мощных СВЧ транзисторов.

На граничной частоте f_гр, при которой коэффициент передач по току в схеме с общим эмиттером равен единице, имеется еще значительное усиление по мощности. Поэтому дополнительно используется характеристическая частота f_max — максимальная частота генерации, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице при условии компенсации действия внутренней обратной связи (без внесения потерь) и согласования на входе и выходе. В этом случае:

(5.6)

где r’_б — объемное сопротивление базы; С_к — емкость коллекторного перехода; α₀ — коэффициент передачи тока эмиттера(h_21б).

Если ширины эмиттерных, базбвых полосок и промежутков между ними одинаковы и равны s, длина l, а удельные (на единицу площади) сопротивление базы r₀ и емкость коллектора С₀, то r’_Б ≈ r₀s/l, C_к ≈ С₀sl. Поэтому (5.6) приводится к виду:

Следовательно, f_max увеличивается с уменьшением размера s. Это подтверждает необходимость уменьшения ширины полосок и зазоров в транзисторных структурах.

Зависимость коэффициента шума от частоты показана рис. 5.7 горизонтальный участок кривой объясняется в основном тепловыми шумами объемного сопротивления базы r’_б. Чем выше граничная частота транзистора f_гр, тем протяженней участок кривой с наименьшим коэффициентом шума. Коэффициент шума зависит также от сопротивления источника сигнала, при этом существует оптимальное сопротивление при котором K_ш достигает минимального значения. Существует также оптимальное значение тока эмиттера. Следует отметить, что условия, при которых коэффициент шума имеет минимальное значение, могут не совпадать с условиями получения максимального коэффициента усиления.

Рис. 5.7

Рис. 5.8

На рис. 5.8 приведены для различных частот значения коэффициентов усиления К_у и шума К_ш маломощных биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом шума (БТ1) и с максимальным коэффициентом усиления (БТ2). В диапазоне частот 4 — 8 ГГц К_{ш min}=2÷4 дБ, а К_{у max} = 5 ÷ 3 дБ. Усилители на малошумящих биполярных транзисторах конкурируют с малошумящими ЛБВ и превосходят последние по шумовым свойствам, габаритам, массе и долговечности.

Выходная мощность мощных биполярных транзисторов при переходе от 1 до 4 ГГц падает от 35 — 40 до 5 Вт. Коэффициенты усиления в этом диапазоне составляют 10 — 5 дБ.

Применение в транзисторных СВЧ генераторах варикапов или ферритовых элементов для электрической перестройки частоты позволяет заменять ими лампы обратной волны. Генераторы с варикапами обладают большой скоростью, но малой линейностью перестройки, например ±10%. Если в качестве феррита используется железо-иттриевый гранат (ЖИГ), то линейность перестройки высокая (примерно ±0,3%), но скорость перестройки мала. Диапазон электрической перестройки частоты транзисторных СВЧ генераторов достигает октавы.

5.6. Полевые СВЧ транзисторы

В последние годы возросла роль полевых транзисторов в СВЧ диапазоне, но сравнению с биполярными транзисторами в связи с разработкой полевых транзисторов с барьером Шотки на арсениде галлия. Устройство такого, транзистора показано на рис. 5.9. Затвор представляет собой барьер Шотки, изготовленный на эпитаксиальной пленке из арсенида галлия n-типа. Пленка выращивается на полуизолирующей подложке из того же материала. Затвор, расположенный между истоком и стоком, имеет обычно конфигурацию замкнутого кольца или квадрата. Характерные размеры: ширина затвора 0,2 – 2 мм, длина затвора 0,5 – 2 мкм, толщина эпитаксиальной пленки 0,15 – 0,5 мкм.

Для получения омических контактов истока и стока используются сплавы на основе золота и серебра с соответствующими легирующими добавками. Барьер Шотки получают нанесением металлов (платина, хром, никель, молибден и др.) или сплавов.

Рис. 5.9

Резкое улучшение частотных свойств полевых транзисторов произошло благодаря применению арсенида галлия с высокой подвижностью электронов, уменьшению длины затвора до 1 мкм и использованию более тонких и более высоколегированных эпитаксиальных пленок арсенида галлия.

Для транзисторов с малой длиной канала частота f_max, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице, определяется минимально возможным значением времени пролета τ_min, т. е.

(5.7) Значение τ_min соответствует максимальной скорости носителей – скорости насыщения υ_н , поэтому при длине канала L τ= L/υ_н , а из (5.6) (5.8)

Следовательно, GaAs, имеющий большее значение υ_н, чем у кремния и германия, является предпочтительным материалом для изготовления полевых транзисторов.

Уменьшение длины затвора приводит к уменьшению времени пролета электронов в канале и к снижению емкости затвора. Эта емкость может быть также уменьшена изготовлением полуизолирующего слоя между затвором и эпитаксиальной пленкой арсенида галлия (каналом).

Важным направлением в разработке маломощных полевых транзисторов с барьером Шотки на арсениде галлия является снижение коэффициента шума. Основные источники шума в этом транзисторе — тепловой шум в канале, индуцированный шум затвора и шум паразитных (пассивных) элементов. Тепловой шум в канале — это тепловой шум сопротивления проводящей части канала. Индуцированный шум затвора является следствием шума в канале, так как любая флуктуация потенциала в канале вызывает флуктуацию напряжения между затвором и каналом. Эти шумы при коротких каналах сильно коррелированны (коэффициент корреляции близок к единице). Шумы пассивных элементов связаны с сопротивлением затвора и истока и по своей природе тепловые. Так как шумы в активной области полевых транзисторов с барьером Шотки очень малы, то шумы пассивных элементов дают больший относительный вклад в общий шум, чем в биполярных транзисторах.

Особенностью полевых транзисторов является большое различие сопротивлений источника сигнала, необходимых для получения максимального коэффициента усиления и минимального коэффициента шума. Это приводит к тому, что при минимальном коэффициенте шума коэффициент усиления примерно в 2 раза меньше максимально возможного. Однако в этом случае коэффициент усиления еще достаточно велик (8 – 15 дБ). Необходимо отметить, что существует также трудность согласования полевого транзистора со стандартным СВЧ трактом, особенно на частотах ниже 1 – 2 ГГц. В связи с этим приходится увеличивать ширину затвора, хотя последнее и приводит к увеличению емкости и сопротивления металлизации затвора.

Существуют полевые транзисторы с коэффициентом шума К_ш=З,7 дБ и усиления К_у=12,8 дБ на частоте 10 ГГц. Длина затвора этих транзисторов 0,5 мкм, а ширина 200 мкм. Имеются приборы, у которых К_ш=2,6 дБ на частоте 4 ГГц (длина затвора 1,5 мкм, ширина – 1,8 мм).

Рис. 5.10

На рис. 5.10 сравниваются коэффициенты усиления К_у и шума К_ш полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТБШ) и биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом шума (БТ1) и максимальным коэффициентом усиления (БТ2).

Для мощных полевых транзисторов требование низкого уровня шума не существенно. Применение арсенида галлия с большой шириной запрещенной зоны (1,4 эВ) позволяет повысить рабочую температуру вплоть до 350°С.

В мощных полевых транзисторах необходимо обеспечить высокое напряжение пробоя затвора, низкоомные контакты истока и стока, а также возможно большее значение периметра истока.

Повышение напряжения пробоя достигается использованием умеренного легирования области канала: см ^–3, а также созданием области повышенного сопротивления между затвором и стоком без ухудшения крутизны транзистора. Низкоомные контакты истока и стока получаются путем вплавления пленок золото–германий или созданием низкоомных эпитаксиальных областей (n⁺-области). Увеличение периметра истока возможно в результате изготовления многоканальных структур с несколькими контактными площадками затвора, так как обычное увеличение длины истока и затвора ухудшает параметры полевого транзистора из-за роста сопротивления металлизации контактов. Существуют сетчатые и гребенчатые затворы, подобно тому, как это делается в биполярных СВЧ транзисторах.

Применение многоканальных структур обеспечивает повышение мощности полевых транзисторов. Созданы варианты мощных многоканальных полевых транзисторов с управляемым p–n–переходом с горизонтальной и вертикальной структурами. В транзисторах с горизонтальной структурой каналы располагаются параллельно полупроводниковой подложке, как на рис. 1, а в транзисторах с вертикальной структурой они перпендикулярны плоскости подложки.

Мощность полевых транзисторов на арсениде галлия с барьером Шотки уже превышает мощность биполярных транзисторов: 1,6 Вт и КПД 45% на частоте 8 ГГц. Ожидается, что в трехсантиметровом диапазоне волн будет получена мощность 10 Вт. Эти транзисторы становятся конкурентами с ЛБВ, имея перед последними преимущество в габаритах, КПД и простоте источников питания.

Наибольшее применение полевые транзисторы на GaAs с барьером Шотки нашли в малошумящих СВЧ усилителях. В диапазоне 4 – 20 ГГц они являются лучшими по шумовым и усилительным характеристикам, чем другие приборы того же назначения. Большой динамический диапазон и хорошие шумовые характеристики позволяют использовать их в смесителях. В последнее время наметилась тенденция к широкому внедрению полевых транзисторов с барьером Шотки в усилителях, предназначенных для замены ламп бегущей волны и в параметрических усилителях. Низкий коэффициент шума, малая пульсация коэффициента усиления (0,05 дБ на 10 МГц), небольшие изменения групповой задержки этих транзисторов позволяют произвести замену ЛБВ в телевизионной системе с частотной модуляцией.

В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из GaAs с барьером Шотки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному уменьшению коэффициента шума. При этом, в отличие от биполярных транзисторов, коэффициент усиления увеличивается. Трехкаскадный усилитель для спутниковой связи США в диапазоне 11,7–12,2 ГГц имеет при комнатной температуре коэффициент шума 5,3 дБ, а коэффициент усиления 18 дБ. Охлаждение усилителя до 40 К снижает К_ш до 1,6 дБ и увеличивает К_у до 31 дБ, что сравнимо с параметрами неохлаждаемых параметрических усилителей.

Малошумящие усилители на полевых транзисторах из GaAs с барьером Шотки по сравнению с параметрическими усилителями характеризуются простотой настройки, высоким постоянством усиления, большой мощностью насыщения.

Контрольные вопросы.

1. Конструктивные особенности полупроводниковых диодов СВЧ.
2. Особенности работы полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ.
3. Особенности устройства СВЧ биполярных транзисторов (БТ).
4. Особенности устройства СВЧ полевых транзисторов (ПТ).
5. Факторы, ограничивающие рабочие частоты БТ.
6. Факторы, ограничивающие рабочие частоты ПТ.
7. Пути улучшения частотных свойств ПТ и БТ.
8. Пути повышения выходной мощности БТ и ПТ на СВЧ.

Устраняем заблуждения относительно внутреннего диода MOSFET

Проектировщики мощных импульсных цепей на основе полупроводниковых приборов с широкой запрещенной зоной часто допускают ошибки, связанные с режимом переключения транзисторов, которые потом дорого им обходятся.

Порой нам приходится сталкиваться с неприятной для самолюбия правдой о собственных познаниях в области силовой электроники. Поэтому автору этой статьи хотелось бы попросить читателей попытаться хотя бы на время стать полностью самокритичными!

У вас неверные представления о внутреннем диоде в мощных полевых транзисторах? Вы не одиноки в этом среди множества остальных специалистов. У любого из нас есть похожие истории о том, с чего начиналась эта путаница.

MOSFET обладают весьма полезным свойством, которое заключается в том, что когда V_GS = 0, транзистор все еще проводит ток в обратном направлении. Происходит это из-за образования между истоком и стоком транзистора паразитного диода, называемого также внутренним диодом (body diode). Работая с силовой электроникой, мы обнаруживаем, что MOSFET могут пропускать ток в обратном направлении через внутренний диод, а у IGBT такой возможности нет (из-за отсутствия подобного диода).

В англоязычной литературе этот эффект уже привыкли называть просто «body diode». И все было прекрасно на протяжении десятилетий, пока не появились полупроводниковые приборы с расширенной запрещенной зоной. Благодаря измененной полупроводниковой топологии у некоторых из них нет паразитных диодов. Но они по-прежнему имеют то же самое полезное свойство, что и MOSFET: они обладают проводимостью в обратном направлении, когда V_GS = 0. В частности, этим свойством отличаются GaN-транзисторы типа E-HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Вот после этого и возникла путаница.

Я и мои коллеги неоднократно встречались с инженерами, которые предполагают, что поскольку GaN-приборы не имеют паразитных диодов, то они не проводят ток в обратном направлении. Мы неоднократно обсуждали эту тему, беседы велись в подобном ключе:

Инженер: Таким образом, у GaN-транзисторов нет паразитного диода?

Я: Да, верно.

Инженер: Значит, они не могут проводить ток в обратном направлении при отсутствии управляющего напряжения между затвором и истоком? Поэтому мне нужно добавить в схему встречно-параллельный диод?

Я: Это не совсем так.

Инженер оставался в недоумении.

Пришло время обновить используемые в данном случае понятия, чтобы правильно ссылаться на канал обратной проводимости, понимая, почему для этого не нужны внутренние body-диоды, и даже оценить преимущества, которые обеспечивают GaN-транзисторы, не имеющие таких диодов.

 Что же на самом деле происходит

Внутри GaN E-HEMT есть так называемый вторичный канал двумерного электронного газа (2DEG), сформированный на гетероэпитаксиальной структуре AlGaN/GaN. Он обеспечивает чрезвычайно высокую плотность заряда и подвижность носителей. Для работы в режиме обогащения затвор, по сути, обедняет 2DEG под этим электродом при нулевом или отрицательном смещении. Положительное смещение на затворе притягивает электроны в обедненную область и открывает канал 2DEG. При прямой проводимости (первый квадрант на рисунке 1) такое поведение во многом напоминает MOSFET, но с улучшенными характеристиками переключения.

В третьем квадранте (когда V_GS = 0, а V_DS отрицательное) устройство ведет себя не так, как MOSFET. Проще говоря, отрицательное смещение на выводе стока создает градиент напряжения в канале полупроводникового устройства. Это, в свою очередь, приводит к тому, что обедненная область под затвором имеет отрицательный электрический потенциал относительно электрода затвора. Другими словами, сток GaN HEMT будет вести себя как исток, а исток будет действовать как сток. Как только разность потенциалов между затвором и каналом превышает пороговое напряжение (V_{TH_GD}), транзистор включается. Этот эффект иногда называют «самокоммутацией» (self-commutation). Поскольку транзистор проводит ток I через резистивный канал R_on, падение напряжения D вычисляется по формуле 1:

D = V_{TH_GD} + IR_on   (1)

Если транзистор выключен с отрицательным напряжением, сток должен быть более отрицательным, прежде чем возникнет самокоммутация, а общее падение напряжения D_T будет вычисляться по формуле 2:

D_T= V_{TH_GD}+ (-V_GS) + IR_on   (2)

Рис. 1. На диаграмме из указаний GaN Systems по применению GN001 показаны графики IR для различных значений V_GS

Теперь займемся поиском истины. Стоит отметить, что закреплению ошибочного представления о канале обратной проводимости способствовали сами производители GaN-транзисторов.

Многие годы они использовали два основных подхода для объяснения характеристик своих изделий при нулевом обратном смещении V_GS. Во-первых, некоторые производители просто продолжали пользоваться термином «body diode». Они объясняли это тем, что GaN-транзисторы имеют некий магический диод с нулевым Q_RR (заряд обратного восстановления диода) и необычайно высоким падением напряжения. Это не истина, но скорее удобная фикция, позволяющая разработчикам почти всегда создавать удачные схемные решения.

Во-вторых, некоторые производители публикуют подробную документацию с характеристиками своих полупроводниковых приборов, ожидая, что инженеры внимательно прочитают эти руководства, осознают возможные ошибки и способы их устранения, прежде чем рассматривать технологию. Это достойный одобрения подход, хотя он и упускает из виду тот факт, что инженеры — такие же люди, которым трудно изменить прочно укоренившиеся привычки.

Как и следовало ожидать, результатом этих подходов стала дезориентация пользователей. До сих пор специалисты технической поддержки из компании GaN Systems встречают схемы заказных проектов, где к нашим транзисторам подключают встречно-параллельные диоды. 

Преимущества при отсутствии внутреннего диода

В конце концов, обратная проводимость при отсутствии внутреннего диода имеет некоторые реальные преимущества.

Во-первых, отсутствие этого диода означает отсутствие Q_RR (заряда для обратного восстановления диода), что делает GaN-транзистор пригодным для мощной полумостовой схемы коммутации. Это, в свою очередь, означает отсутствие дополнительных проблем с жесткой коммутацией из-за обратного восстановления диода, что приводит к гораздо более высоким потерям на переключение. К тому же отсутствие в GaN-транзисторах эффекта обратного восстановления позволяет использовать новые высокоэффективные схемные решения, такие как PFC (управление коэффициентом мощности) с безмостовым выходным каскадом на двух транзисторах.

Во-вторых, как видно из рисунка 2, при отсутствии этого диода нет всплеска шума при его включении. Все это упрощает разработку цепей защиты от ЭМП и повышает быстродействие схемы, что особенно полезно в компактных конструкциях, где и преобразование мощности, и обработка сигнала выполняются на одной и той же небольшой печатной плате.

Наконец, есть преимущества в ограничениях dv/dt и надежности. MOSFET имеют механизм отказа, вызываемый быстрым нарастанием напряжения на встроенном в MOSFET диоде (dv/dt). Пока этот диод находится в состоянии обратного восстановления, на нем увеличивается напряжение «сток-исток». Такое поведение может вызвать ложное включение внутреннего паразитного биполярного NPN транзистора, что в итоге разрушает структуру MOSFET.

Рис. 2. Осциллограммы сигналов переключения типичного MOSFET и E-HEMT иллюстрируют некоторые различия в поведении при включении, вызываемые встроенным диодом

В действительности, при отсутствии встроенного диода имеется только один недостаток: повышенное падение обратного напряжения (рисунок 3). В GaN E-HEMT падение обратного напряжения включает пороговое напряжение и напряжение на резистивном элементе, возникающее из сопротивления канала. Падение напряжения в GaN E-HEMT, рассчитанном на 650 В, может достигать 3 В при протекании больших токов. Это больше чем эквивалентное падение в MOSFET. Такое повышенное обратное напряжение может снизить эффективность типичной полумостовой схемы за счет увеличенных потерь при переключении («мертвое время»).

Правда, эти потери можно понизить, сократив длительность паузы между переключениями. Режим ускоренного переключения GaN E-HEMT обычно упрощает задачу сокращения паузы между открытым и закрытым состояниями ключей. Кроме того, есть такие корпусные решения от компании GaN Systems как GaNPx, они отличаются малой паразитной индуктивностью, что обеспечивает крутые фронты переключающих импульсов с сокращенным мертвым временем.

Рис. 3. Различия между обратной проводимостью в MOSFET и GaN-HEMT 

Как правило, выигрыш в эффективности усиления при реализации GaN-схем получают от сокращения мертвого времени, что значительно перевешивает потери от повышенного обратного напряжения. Сегодня такое повышение эффективности реализовать проще, поскольку драйверы и контроллеры нового поколения все чаще поддерживают сокращение мертвого времени.

Также стоит отметить, что короткое мертвое время выгодно и по другим причинам. Например, в аудиоусилителях класса D укороченное мертвое время приводит к снижению гармонических искажений и повышению качества звука.

Есть немало учебных пособий, способных помочь тем, кто хочет избавиться от ошибочных представлений о роли встроенных диодов и намерен создавать оптимизированные по эффективности и стоимости схемы. Понимание особенностей поведения встроенного диода и четкое представление рабочих режимов GaN-устройств помогают устранить путаницу в голове, по крайней мере, до тех пор, пока очередная эволюция в сфере силовой электроники не приведет к появлению новой терминологии.

Источник: https://www.eeworldonline.com

Литература:

1. Design/High side driver considerations
2. Recommended GaN driver/controller ICs
3. Design examples

Разница между диодом и транзистором (со сравнительной таблицей)

Диод и Транзистор считается основой электронных устройств и схем. Но на этом сходство между этими важнейшими устройствами в области электроники заканчивается. Основное различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод — это устройство с двумя выводами , которое пропускает ток только в одном направлении от анода к катоду.

Напротив, транзистор представляет собой трехконтактное устройство , которое пропускает ток из области высокого сопротивления в область низкого сопротивления. Само слово «транзистор» выражает его функцию, слово «транзистор» образовано от двух слов: Transfer и Resistor . Таким образом, это считается устройством, которое передает сопротивление из одной области в другую.

Есть определенные факторы, которые различают эти два устройства, такие как область истощения, приложения и т. Д. Мы обсудим все эти факторы с помощью сравнительной таблицы.

Содержимое: диод против транзистора

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Параметры

	Диод	Транзистор
Определение	Диод — это устройство с двумя выводами, которое позволяет току проходить только в одном направлении.	Транзистор представляет собой трехконтактное устройство, которое позволяет току течь из области с высоким сопротивлением в область с низким сопротивлением
Formation	Он образован путем соединения полупроводника P-типа с полупроводником N-типа.	Он сформирован путем размещения слоя материала P-типа или N-типа между двумя материалами N-типа или P-типа на обоих концах.
Обозначение цепи
Слой истощения	Образуется только одна область истощения.	Формируются две области истощения.
Количество переходов	Только один переход между полупроводником P-типа и N-типа.	Две перемычки образованы между эмиттером и базой, а другая — между базой и коллектором.
Клеммы	В диоде 2 клеммы, то есть анод и катод.	В транзисторе есть 3 клеммы: эмиттер, база и коллектор.
Считается	Его можно рассматривать как выключатель.	Его можно рассматривать как выключатель или как усилитель.
Приложения	Выпрямитель, двойное напряжение, ограничитель и т. Д.	Усилитель, осциллятор и т. Д.

Определение

Диод

Диод формируется путем объединения двух образцов полупроводников, один из которых представляет собой полупроводник P-типа , а другой — полупроводник N-типа. Переход, образованный соединением этих двух полупроводников, называется PN переходом.Обедненный слой формируется из-за разной концентрации носителей заряда в обеих областях.

Полупроводник P-типа имеет дырки в качестве основных носителей, в то время как полупроводник N-типа имеет электроны в качестве основных носителей. Теперь поведение PN-перехода будет другим в несмещенном режиме и в режиме смещения.

Давайте сначала обсудим несмещенный режим . В несмещенном режиме электроны из N-области и дырки из P-области будут двигаться к стыку из-за градиента концентрации.Наступает стадия, когда носители заряда больше не диффундируют через переход. Эта стадия называется стадией насыщения .

После этого электроны и дырки, достигшие перехода, рекомбинируют. В связи с этим будет ограничено движение дальнейших мажоритарных перевозчиков. Образованная таким образом область называется обедненным слоем. Это создаст внутреннее электрическое поле.

Теперь переходим к режим смещения , когда применяется смещение, то есть соединение P-типа с положительной клеммой и N-типа с отрицательной клеммой.Прямой ток начнет течь от анода к катоду. Ширина обедненной области уменьшается с увеличением прямого смещения.

Точно так же ширина обедненного слоя увеличивается при условии обратного смещения в режиме обратного смещения. Ток, протекающий в диоде, возникает из-за неосновных носителей заряда. Это называется обратным током насыщения , потому что он насыщается после определенного обратного напряжения. Далее он не увеличивается при увеличении обратного напряжения.

Обратный ток увеличивается только с повышением температуры .

Транзистор

Транзистор — это трехконтактное устройство, состоящее из трех областей и двух переходов. Регионами являются эмиттер , база и коллектор . Два перехода — это переход база-эмиттер , и переход база-коллектор .

Эти регионы имеют разные характеристики, и все они разного размера.Эмиттер сильно легирован, так что можно создать больше носителей заряда; база слегка легирована, так что там рекомбинируют лишь несколько носителей заряда, а коллектор умеренно легирован.

Размер коллектора больше, чем эмиттер, а также коллектор, в то время как размер базы самый маленький среди всех трех регионов. Ширина обедненного слоя между коллектором и базой больше, чем ширина перехода база-эмиттер.

Эмиттер и база подключены к батарее таким образом, что они работают в режиме прямого смещения, в то время как коллектор и база подключены к батарее таким образом, что она становится обратно смещенной.Следовательно, большинство носителей заряда будут течь от эмиттера к базе, а затем от базы к коллектору. Чем больше размер коллектора, тем больше будет носителей заряда, которые он собирает, а также будет происходить отвод тепла.

Ключевые различия между диодом и транзистором

1. Ключевое различие между диодом и транзистором состоит в том, что диод представляет собой двухконтактный прибор

.

Разница между диодом и транзистором (со сравнительной таблицей)

Одно из основных различий между диодом и транзистором заключается в том, что диод преобразует переменный ток в постоянный, в то время как транзистор передает входные сигналы от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением. Другие различия между ними поясняются ниже в табличной форме.

Диод также известен как кристаллический диод, потому что он состоит из кристаллов (кремния или германия).Это двухконтактное устройство, которое начинает проводить ток, когда положительный вывод источника питания подключается к области p-типа, а отрицательный вывод подключается к n-области диода.

Транзистор имеет три области: эмиттер, коллектор и базу. Эмиттер сильно легирован, поэтому он может переносить тяжелую заряженную частицу на базу. База транзистора меньше по размеру и слегка легирована, поэтому носитель заряда легко перемещается от базы к области коллектора.Коллектор — это самая большая область транзистора, поскольку он может рассеивать тепло, выделяемое на переходе база-коллектор.

Таблица сравнения

Основа для сравнения	Диод	Транзистор
Определение	Полупроводниковый прибор, в котором ток течет только в одном направлении.	Полупроводниковое устройство, которое передает слабый сигнал от цепи с низким сопротивлением к цепи с высоким сопротивлением.
Символ
Использует	Выпрямитель	Регулятор, усиление и выпрямление
Клемма	Два (анод и катод)	Три (эмиттер, база и коллектор)
Переключатель	Неуправляемый	Управляемый
Типы	Переходный диод, светоизлучающий диод, фотодиоды, диоды Шоттки, туннельный, Veractor и стабилитрон.	Биполярный транзистор и полевой транзистор.
Область	P-область и N-область	Излучатель, коллектор и база
Область истощения	Один	Два

Определение диода

Диод представляет собой устройство с двумя выводами, которое позволяет току течь в одном направлении. Диод изготовлен из полупроводникового материала и в основном используется для выпрямления.Проводимость в цепи возникает при прямом смещении диода.

Прямое смещение означает, что материал P-типа соединен с положительной клеммой батареи, а материал N-типа подключен к отрицательной клемме батареи. Блок-схема диода представлена ​​на рисунке ниже.

Определение транзистора

Транзистор — это трехконтактное устройство, которое используется для усиления электрических сигналов. Он состоит из полупроводникового материала.Эмиттер, коллектор и база — это три вывода батареи. Эмиттерный переход имеет прямое смещение и имеет небольшое сопротивление, тогда как коллекторный переход имеет обратное смещение и имеет высокое сопротивление. Когда слабый сигнал вводится в цепь низкого сопротивления транзистора, он передает сигнал из цепи высокого сопротивления.

Ключевые различия между диодом и транзистором

1. Диод представляет собой полупроводниковое устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении, тогда как транзистор передает сопротивление из области низкого сопротивления в область высокого сопротивления.
2. Диод используется для преобразования переменного тока в постоянный или для выпрямления, тогда как транзистор в основном используется для усиления и в качестве регулятора.
3. Диод имеет два вывода, а именно анод и катод. Анод — это положительный вывод, а катод — отрицательный вывод диода. Транзистор имеет три вывода; они эмиттер, коллектор и база.
4. Диод — это тип неуправляемого переключателя, тогда как транзистор — это управляемый переключатель.
5. Транзисторы в основном подразделяются на два типа, т.е.е., биполярный переходной транзистор и полевой транзистор. BJT использует как электроны, так и дырку в качестве носителя заряда, а полевой транзистор представляет собой униполярный транзистор. Диод бывает многих типов, например, фотодиоды, стабилитрон, туннельный диод, варакторный диод и т. Д.
6. P-тип и N-тип — это две области

.