Основы теории электропроводности

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭЛЕКТРОНИКИ

Учебное пособие

для специальностей 071 700, 200 700,

200 800, 200 900, 201 000, 201 100, 201 200, 201 400

 

Новосибирск

УДК 621.385

 

 

Рассматриваются устройство, физические процессы, характеристики, параметры и простейшие схемы применения полупроводниковых электронных приборов.

 

 

ктн, доц. В.Л. Савиных,

ктн, доц. Н.Е. Фадеева

 

Для студентов дневной и заочной форм обучения специальностей 071700, 200700, 200800, 200900, 201000, 201100, 201200, 201400.

 

Кафедра технической электроники.

Ил. 8, табл. 11, список лит. 4 назв.

Рецензент ктн, доц. Матвеев В.А.

 

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве

учебного пособия

 

 

@ Сибирский государственный

университет телекоммуникаций

и информатики, 2015 г.

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………5

1 Основы теории электропроводности полупроводников..................6

1.1 Общие сведения о полупроводниках.................................................6

1.1.1 Полупроводники с собственной проводимостью.............................6

1.1.2 Полупроводники с электронной проводимостью.............................9

1.1.3 Полупроводники с дырочной проводимостью.................................11

1.2 Токи в полупроводниках....................................................................13

1.2.1 Дрейфовый ток.....................................................................................13

1.2.2 Диффузионный ток..............................................................................14

1.3 Контактные явления............................................................................16

1.3.1 Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия…………16

1.3.2 Прямое включение p-n перехода........................................................20

1.3.3 Обратное включение p-n перехода.....................................................22

1.3.4 Теоретическая характеристика p-n перехода....................................24

1.3.5 Реальная характеристика p-n перехода..............................................26

1.3.6 Ёмкости p-n перехода..........................................................................29

1.4 Разновидности p-n переходов.............................................................31

1.4.1 Гетеропереходы....................................................................................31

1.4.2 Контакт между полупроводниками одного типа проводимости….33

1.4.3 Контакт металла с полупроводником................................................34

1.4.4 Омические контакты............................................................................34

1.4.5 Явления на поверхности полупроводника.........................................35

3 Полупроводниковые диоды.................................................................38

Классификация......................................................................................38

Выпрямительные диоды.......................................................................38

Универсальные и импульсные диоды.................................................42

Стабилитроны и стабисторы................................................................44

Варикапы...............................................................................................46

4 Полевые транзисторы.........................................................................72

4.1 Полевой транзистор с p-n переходом.................................................72

4.2 Полевой транзистор с изолированным затвором (МДП-транзистор).………………………………………………………………75

4.3 Дифференциальные параметры полевых транзисторов……………78

4.4 Эквивалентная схема полевого транзистора………………………….80

4.5 Частотная свойства полевого транзистора……………………………81

5 Биполярные транзисторы........................................................................48

5.1 Общие сведения..................................................................................48

Принцип действия биполярного транзистора. Режимы работы.............49

5.2 Токи в транзисторе……………………………………………………51

Статические характеристики биполярных транзисторов.................54

Дифференциальные параметры биполярного транзистора..............59

Модели биполярного транзистора.........................................................60

Эксплутационные параметры транзисторов……………………….63

Частотные свойства биполярного транзистора.................................64

 

Литература..............................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

 

Главы учебного пособия посвящены физическим основам полупровод-ников, контактным явлениям между полупроводниками различной прово-димости и между полупроводником и металлом. Рассматриваются принципы работы, характеристики и параметры полупроводниковых приборов: диодов, биполярных и полевых транзисторов различной структуры.

Для освоения дисциплины ²Физические основы электроники² достаточно знаний по общеобразовательным и общетехническим предметам в объёме, предусмотренном учебными программами. После изучения данной дисциплины студент должен получить базовую подготовку, необходимую для успешного освоения специальных радиотехнических курсов и последующего решения различного рода профессиональных задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиоэлектронной аппаратуре. Подробное рассмотрение физических основ явлений, принципов работы, параметров, характеристик и моделей приборов направлено на развитие у студентов умение самостоятельно решать задачи моделирования, анализа и синтеза радиоэлектронных устройств при их проектировании и эксплуатации.

Однако в учебном пособии отсутствуют сведения о большой и постоянно обновляемой номенклатуре электронных приборов. Необходимый материал по этим вопросам можно найти в справочниках, каталогах и других изданиях.

 

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

ТОКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

 

Дрейфовый ток

 

В полупроводниках свободные электроны и дырки на­ходятся в состоянии хаотического движения. Поэтому, если выбрать произвольное сечение внутри объема полупровод­ника и подсчитать число носителей заряда, проходящих через это сечение за единицу времени слева направо и справа налево, значения этих чисел окажутся одинаковы­ми. Это означает, что электрический ток в данном объеме полупроводника отсутствует.

При помещении полупроводника в электрическое поле напряженностью Е на хаотическое движение носителей зарядов накладывается составляющая направленного дви­жения. Направленное движение носителей зарядов в элек­трическом поле обусловливает появление тока, называе­мого дрейфовым (Рисунок 1.6, а) Из-за столкновения носителей зарядов с атомами кристал- лической решетки их движение в направ­лении действия электрического поля

а)	б)
Рис. 1.6 Дрейфовый (а) и диффузионный (б) токи в полупроводнике.

 

прерывисто и харак­теризуется подвижностью m. Подвижность равна сред­ней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля напряженностью Е = 1 В/м, т. е.

. (1.11)

Подвижность носителей зарядов зависит от механизма их рассеивания в кристаллической решетке. Исследова­ния показывают, что подвижности электронов m_n и дырок m_p имеют различное значение (m_n > m_p) и определяются температурой и концентрацией примесей. Увеличение тем­пературы приводит к уменьшению подвижности, что зави­сит от числа столкновений носителей зарядов в единицу времени.

Плотность тока в полупроводнике, обусловленного дрей­фом свободных электронов под действием внешнего элек­трического поля со средней скоростью , определяется выражением .

Перемещение (дрейф) дырок в валентной зоне со сред­ней скоростью создает в полупроводнике дырочный ток, плотность которого . Следовательно, полная плот­ность тока в полупроводнике содержит электронную j_n и дырочную j_р составляющие и равна их сумме (n и p — концентрации соответственно электронов и дырок).

Подставляя в выражение для плотности тока соотноше­ние для средней скорости электронов и дырок (1.11), по­лучаем

(1.12)

Если сравнить выражение (1.12) с законом Ома j =sЕ, то удельная электропроводность полупроводника опреде­ляется соотношением

.

У полупроводника с собственной электропроводностью кон­центрация электронов равна концентрации дырок (n_i = p_i), и его удельная электропроводность определяется выра­жением

.

В полупроводнике n-типа > , и его удельная электропроводность с достаточной степенью точности мо­жет быть определена выражением

.

В полупроводнике р-типа > , и удельная элек­тропроводность такого полупроводника

В области высоких температур концентрация электро­нов и дырок значительно возрастает за счет разрыва ковалентных связей и, несмотря на уменьшение их подвижно­сти, электропроводность полупроводника увеличивается по экспоненциальному закону.

 

Диффузионный ток

 

Кроме теплового возбуждения, приводящего к возник­новению равновесной концентрации зарядов, равномерно распределенных по объему полупроводника, обогащение полупроводника электронами до концентрации n_p и дыр­ками до концентрации p_n может осуществляться его осве­щением, облучением потоком заряжённых частиц, введе­нием их через контакт (инжекцией) и т. д. В этом случае энергия возбудителя передается непосредственно носите­лям заряда и тепловая энергия кристаллической решетки остается практически постоянной. Следовательно, избы­точные носители заряда не находятся в тепловом равнове­сии с решеткой и поэтому называются неравновесными. В отличие от равновесных они могут неравномерно распре­деляться по объему полупроводника (рисунок 1.6, б)

После прекращения действия возбудителя за счет реком­бинации электронов и дырок концентрация избыточных но­сителей быстро убывает и достигает равновесного значения.

Скорость рекомбинации неравновесных носителей про­порциональна избыточной концентрации дырок (p_n - ) или электронов (n_p - ):

; ,

где t_p - время жизни дырок; t_n - время жизни электронов. За время жизни концентрация неравновесных носите­лей уменьшается в 2,7 раза. Время жизни избыточных носителей составляет 0,01...0,001 с.

Носители зарядов рекомбинируют в объеме полупро­водника и на его поверхности. Неравномерное распределение неравновесных носите­лей зарядов сопровождается их диффузией в сторону мень­шей концентрации. Это движение носителей зарядов обу­словливает прохождение электрического тока, называемо­го диффузионным (рисунок 1.6, б).

Рассмотрим одномерный случай. Пусть в полупровод­нике концентрации электронов n(x) и дырок p(x) являют­ся функциями координаты. Это приведет к диффузионно­му движению дырок и электронов из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией.

Диффузионное движение носителей зарядов обуслов­ливает прохождение диффузионного тока электронов и дырок, плотности которых определяют­ся из соотношений:

; (1.13) ; (1.14)

 

где dn(x)/dx, dp(x)/dx - градиенты концентраций электронов и дырок; D_n, D_p - коэффициенты диффузии электро­нов и дырок.

Градиент концентрации характери­зует степень неравномерности распределения зарядов (электронов и дырок) в полупроводнике вдоль какого-то выбранного направления (в данном случае вдоль оси x). Коэффициенты диффузии показывают количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени еди­ничную площадку, перпендикулярную к выбранному направ­лению, при градиенте концентрации в этом направлении, рав­ном единице. Коэффициенты

диффузии связаны с подвижностями носителей зарядов соотношениями Эйнштейна:

; .

Знак "минус" в выражении (1.14) означает противопо­ложную направленность электрических токов в полупро­воднике при диффузионном движении электронов и дырок в сторону уменьшения их концентраций.

Если в полупроводнике существует и электрическое поле, и градиент концентрации носителей, проходящий ток будет иметь дрейфовую и диффузионную составляющие. В таком случае плотности токов рассчитываются по следую­щим уравнениям:

; .

 

 

КОНТАКТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

 

Гетеропереходы

 

Гетеропереход образуется двумя полупроводниками, различающимися шириной запрещенной зоны. Параметры кристаллических решеток полупроводников, составляющих гетеропереход, должны быть близки, что ограничивает выбор материалов. В настоящее время наиболее исследо­ванными являются пары: германий-арсенид галлия, арсенид галлия-мышьяковидный индий, германий-кремний. Различают n-p и p-n гетеропереходы (на первое место ставится буква, обозначающая тип электропроводности полупроводника с более узкой запрещенной зоной). На основе гетеропереходов возможно также создание струк­тур n-n и p-p.

Рис. 1.21 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода в равновесном состоянии.

 

На рисунке 1.21 приведена упрощенная энергетическая диа­грамма n-p перехода между арсенидом галлия р-типа (DW_P = 1,5 эВ) и германием n-типа (DW_n = 0,67 эВ) в состоянии равновесия (U = 0). При контакте полупровод­ников происходит перераспределение носителей зарядов, приводящее к выравниванию уровней Ферми p- и n-областей и возникновению энергетического барьера для элек­тронов n-области q×U_kn и. для дырок p-области q×U_кp, при­чем U_кn > U_кp.

Рис. 1.22 Упрощенная энергетическая диаграмма p-n гетероперехода, включенного в прямом состоянии.

 

В состоянии равновесия ток через n-p переход равен нулю. Поскольку потенциальные барьеры для дырок и электронов различны, при приложении к гете­ропереходу прямого напряжения смещения происходит односторонняя инжекция дырок из полупроводника с боль­шей шириной запрещенной зоны в полупроводник с меньшей шириной запрещенной зоны (рис. 1.22).

 

 

Омические контакты

 

Омическими называют контакты, сопротивление кото­рых не зависит от величины и направления тока. Другими словами, это контакты, обладающие практически линей­ной вольт-амперной характеристикой. Омические контак­ты обеспечивают соединение полупроводника с металли­ческими токопроводящими элементами полупроводниковых приборов. Кроме линейности вольт-амперной характери­стики, эти контакты должны иметь малое сопротивление и обеспечивать отсутствие инжекции носителей из метал­лов в полупроводник. Эти условия выполняются путем вве­дения между полупроводником рабочей области кристал­ла и металлом полупроводника с повышенной концентра­цией примеси (рис. 1.23). Контакт между полупроводника­ми с одинаковым типом электропроводности является не­выпрямляющим и низкоомным. Металл выбирают так, что­бы обеспечить малую контактную разность потенциалов. Одним из способов получения омических кон­тактов является введение в металл примеси, которой легирован полу­проводник. В этом случае при сплавлении металла с полупровод­ником в контактной области об­разуется тонкий слой вырожден­ного полупроводника, что соответ­ствует структуре, изображенной на рис. 1.24.

Рис. 1.24 Структура омического контакта.

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Классификация

 

Классификация полупроводниковых диодов производится по следующим признакам:

- методу изготовления перехода: сплавные, диффузионные, планарные, точечные, диоды Шоттки и др.;

- материалу: германиевые, кремниевые, арсенидо-галлиевые и др.;

- физическим процессам, на использовании которых основана работа диода: туннельные, лавинно-пролетные, фотодиоды, светодиоды, диоды Ганна и др.;

- назначению: выпрямительные, универсальные, импульс­ные, детекторные, стабилитроны, варикапы, параметрические, смеситель­ные, СВЧ-диоды и др.

Некоторые из указанных типов диодов по назначению будут рас­смотрены в настоящей главе, а другие - в соответствующих учебных пособиях.

 

Выпрямительные диоды

 

Выпрямительными обычно называют диоды, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. В зависимости от частоты и формы переменного напряжения они делятся на низкочастотные, высокочастотные и импульсные. Низкочастотные служат для выпрямления напряжения промышленной частоты (50 или 400 Гц). В высокочастотных частота выпрямляемого напряжения составляет десятки кГц. Основой диода является обычный p-n переход. В плоскостных диодах p-n переход имеет достаточную площадь для того, чтобы обеспечить большой прямой ток. Для получения больших обратных (пробивных) напряжений диод обычно выполняется из высокоомного материала.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются (рис. 3.1):

· максимальный прямой ток I_{ПР MAX},

· падение напряжения U_ПР на диоде при заданном значении прямого тока I_ПР (или наоборот) (U_ПР» 0,3…0,7 В для германиевых и U_ПР» 0,8…1,2 В для кремниевых диодов);

· максимально допустимое постоянное обратное напряжение диода U_{ОБР MAX},

· обратный ток I_ОБР при заданном обратном напряжении U_ОБР (значение обратного тока германиевых диодов на два-три порядка больше, чем у кремниевых);

· диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

· рабочий диапазон температур (германиевые диоды работают в диапазоне

-60...+70°С, кремниевые - в диапазоне -60...+150°С, что объясняется малыми обратными токами кремниевых диодов).

Рис. 3.1. К определению параметров выпрямительных диодов

 

На рисунке 3.2 приведена схема включения диода с нагрузкой. При этом напряжение генератора U_Г делится между нагрузочным сопротивлением и диодом:

. (3.1)

Рис.3.2. Схема включения диода с нагрузкой

Рис. 3.3. К определению параметров схемы включения диода с нагрузкой

 

Очевидно, что ток, протекающий через резистор и диод одинаковый.

Учитывая, что U_R=I∙R, получаем

. (3.2)

Выражение (3.2) является уравнением нагрузочной прямой (рисунок 3.3). ВАХ диода (прямая ветвь) имеет экспоненциальный вид. Точка А на ВАХ, для которой выполняется условие равенства токов, называется рабочей точкой, а величина - сопротивлением цепи по постоянному току.

Схема простейшего выпрямителя имеет вид в соответствии с рисунком 3.4. Она включает генератор переменного напряжения, диод и последовательно включенный с диодом нагрузочный резистор.

Осциллограммы напряжений и токов приведены на рисунке 3.5.

При работе с переменным сигналом, входное напряжение есть U_Г(t) (рисунок 3.5 а), а выходное – U_Н(t). В промежутки времени, когда к диоду приложено прямое напряжение (положительный полупериод), его сопротивление оказывается небольшим, и форма тока в цепи будет повторять форму входного напряжения в соответствии с рисунком 3.5, б и все входное напряжение будет практически падать на резисторе (рисунок 3.5 б). При отрицательном полупериоде диод смещен в обратном направлении, его сопротивление достаточно велико, ток в цепи практически становится равным обратному току диода, и большая часть входного напряжения упадет на диоде (рисунок 3.5 в).

 

Рис. 3.4. Схема включения диода на переменном токе а) и

 

Для того чтобы из пульсирующего напряжения выделить постоянную составляющую, в схему выпрямления параллельно резистору включают конденсатор (на рисунке 3.4 изображен пунктиром). Тогда выходное напряжение при положительном полупериоде станет определяться напряжением на емкости нагрузки C_Н и конденсатор при этом будет заряжаться током диода, а при отрицательном полупериоде – соответственно разряжаться через сопротивление нагрузки (рисунок 3.5 г, кривая 1 – при отсутствии конденсатора, кривые 2 и 3 с увеличением номинала емкости соответственно. Величины C_Н и R_Н подбирают таким образом, чтобы пульсации выходного напряжения оставались не выше заданных пределов.

Рис. 3.5. Эпюры напряжений и токов

 

При протекании больших прямых токов I_ПР на диоде выделяется соответствующая мощность. Для отвода данной мощности и исключения перегрева диод должен иметь большую площадь p-n перехода, корпуса и выводов. Для улучшения теплоотвода используются радиаторы или различные способы принудительного охлаждения (воздушного или даже жидкостного).

Среди выпрямительных диодов следует особо выделить диод с барьером Шоттки. Этот диод характеризуется высоким быстродействием и малым падением напряжения (U_ПР < 0,6 В). К недостаткам диода следует отнести малое пробивное напряжение и большие обратные токи.

Выпрямительные диоды обычно подразделяются на диоды малой, средней и большой мощности, рассчитанные на выпрямленный ток до 0,3 А, от 0,3 А до 10 А и свыше 10 А соответственно.

Для работы с высокими напряжениями (свыше 1000 В) предназначены выпрямительные столбы, представляющие собой последовательно соединенные p-n переходы, конструктивно объединенные в одном корпусе. Выпускаются также выпрямительные матрицы и блоки, имеющие в одном корпусе по четыре или восемь диодов, соединенные по мостовой схеме выпрямителя и имеющие

I_{ПР MAX} до 1 А и U_{ОБР MAX} до 600 В.

 

Стабилитроны и стабисторы

 

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, на обратной ветви ВАХ которого имеется участок с сильной зависимостью тока от напряжения (рисунок 3.7), т.е. с большим значением крутизны D I /D U (D I = I_{СТ MAX} – I_{СТ MIX}). Если такой участок соответствует прямой ветви ВАХ, то прибор называется стабистором.

Стабилитроны используются для создания стабилизаторов напряжения.

Напряжение стабилизации U_СТ соответствует напряжению электрического (лавинного) пробоя p-n перехода (рис. 3.7). Возможность получения стабильного напряжения характеризуются дифференциальным сопротивлением стабилитрона r_Д = D U /D I, которое должно быть как можно меньше.

К параметрам стабилитрона относятся: напряжение стабилизации U_СТ, минимальный и максимальный токи стабилизации I_{СТ min} и I_{CT max}, дифференциальное сопротивление r_Д, а так же температурный коэффициент напряжения стабилизации (TKU) – относительное изменение напряжения стабилизации Δ U_СТ при изменении температуры корпуса прибора на 1^о С.

Промышленностью выпускаются стабилитроны с параметрами: U_cт от 1,5 до 180 В, токи стабилизации от 0,5 мА до 1,6 А.

Выпускаются также двуханодные стабилитроны, служащие для стабилизации разнополярных напряжений и представляющие собой встречно включенные p-n переходы.

 

Рис. 3.7. К определению

параметров стабилитронов

 

Простейшая схема стабилизации напряжения с использованием стабилитрона представлена на рис. 3.8. Сопротивление нагрузки R_Н подключается параллельно стабилитрону, гасящее сопротивление R_Г служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 3.8. Схема включения стабилитрона

 

Тогда:

(3.3)

В результате уравнение нагрузочной прямой примет вид:

(3.4)

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона есть рабочая точка. На рис. 3.9 приведена характеристика стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух напряжениях питания U_П1 и U_П2. При изменении напряжения источника питания (напряжения на входе схемы) нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

Рис.3.9. Характеристика стабилитрона с нагрузочными характеристиками.

 

Т.к. входное напряжение может, как увеличиваться, так и уменьшаться, то рабочая точка выбирается на середине участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитрон I_СТ1 и I_СТ2 будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на выходе схемы (напряжение на стабилитроне) будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном напряжении источника питания изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом так же, как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Кроме стабилизации постоянного напряжения стабилитроны используют в стабилизаторах и ограничителях импульсного напряжения, в схемах выпрямления, в качестве управляемых емкостей, шумовых генераторов и элементов межкаскадных связей в усилителях постоянного тока и импульсных устройствах.

Разновидностью стабилитрона является стабистор, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. Отличительная особенность стабисторов по сравнению со стабилитронами заключается в меньшем напряжении стабилизации, составляющем примерно 0,7 В при комнатной температуре. Стабисторы могут применяться совместно со стабилитронами в качестве термокомпенсирующих элементов.

Варикапы

 

Варикапом называется полупроводниковый диод, используе­мый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот. В нем исполь­зуется свойство p-n перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рис. 3.10).

Основные параметры варикапа: номинальная емкость С_Н при заданном номинальным напряжением U_Н (обычно 4 В), максимальное обратное напря- жение U_{ОБР MAX} и добротность Q.

Рис. 3.10. Зависимость емкости варикапа от напряжения.

 

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Включение варикапа в цепь для этой цели выполняют по схеме в соответствии с рис. 3.11.

Обратное управляющее напряжение на варикап подается через высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование контура малым внутренним сопротивлением источника, и тем самым исключается снижение добротности контура. Постоянный конденсатор С необходим для того, чтобы исключить короткое замыкание варикапа индуктивностью по постоянному напряжению. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа. Изменяя величину управляющего напряжения можно регулировать емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура.

Рис.3.11. Схема включения варикапа в колебательный контур

 

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

, где (3.5)

Основным полупроводниковым материалом для изготовления варикапов служит кремний. Используется также арсенид галлия, обеспечивающий меньшее сопротивление базы.

Для увеличения добротности варикапа используют барьер Шоттки; эти варикапы имеют малое сопротивление потерь, так как в качестве одного из слоев диода используется металл.

В настоящее время существует несколько разновидностей варикапов, применяемых в различных устройствах непрерывного действия. Это параметрические диоды, предназначенные для усиления и генерации СВЧ-сигналов, и умножительные диоды, предназначенные для умножения частоты в широком диапазоне частот. Иногда в умножительных диодах используется и диффузионная емкость.

Контрольные вопросы к разделу 3

Что называется полупроводниковым диодом?

Назначение и параметры выпрямительных диодов.

Назначение и требования к ВЧ диодам

Назначение и параметры стабилитронов

Назначение и параметры варикапов

 

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

 

В полевых тран­зисторах, управление потоком основных носителей заряда осуществляется в области полупроводника, назы­ваемой каналом, путем изменения его поперечного сечения с помощью электрического поля. Полевой транзистор имеет следующие три электрода: исток, из которого вытекают носители в канал, сток, в который носители втекают из канала, и затвор, предназначенный для регулирования тока путем изменения поперечного сечения канала.

Преимуществом полевых транзисторов является также и то, что ассортимент полупроводниковых материалов для их изготовления значительно шире (так как они работают только с основными носителями заряда), благодаря чему возможно создание, например, температуростойких приборов. Большое значение также имеют низкий уровень шумов и высокое входное сопротивление этих транзисторов.

Существует несколько разновидностей полевых транзисторов, различающихся физической структурой и способом управления проводимостью канала, которые в ряде устройств работают более эффективно, чем биполярные.

 

Эквивалентная схема ПТ

Полевые транзисторы, по существу, являются приборами с распределенными параметрами. На практике используют упрощенные модели, напоминающие модели электронных ламп. Упрощенная эквивалентная схема ПТ на основе физической модели, которая определяется его структурой, представлена на рисунке 4.8. Здесь: r_С и r_И – неизменные сопротивления между каналом и выводами транзистора (называемые немодулированными сопротивлениями стока и истока); управляемое сопротивление канала r_i и генератор тока S ∙ U_ЗИ, создающий ток стока, зависят от входного напряжения U_ЗИ. Сопротивление канала r_i сравнительно велико, а немодулированные сопротивления r_С и r_И на два-три порядка меньше, чем r_i. Строго говоря, эти два сопротивления включены последовательно с сопротивлением канала, учитывая, что r_i ≫ r_С + r_И для упрощения анализа целесообразно r_С исключить,а r_i соединить непосредственно со стоком. Сопротивление r_И следует учитывать, т.к. оно существенно влияет на параметры транзистора.

Междуэлектродные емкости: входная затвор-исток С_ЗИ, проходная за­твор-сток С_ЗС и выходная сток-исток С_СИ.

 

Полевой тетрод

Конструктивным вариантом ПТ является двухзатворный транзистор - МДП – тетрод. Управляющим является первый затвор. Второй затвор, действуя как электростатический экран, уменьшает проходную ёмкость прибора (эффект Миллера). Возможность работы на более высоких частотах - основное преимущество тетрода по сравнению с МДП - транзистором. Кроме того, тетрод существенно упрощает конструирование смесительных устройств.

Примерами промышленных образцов являются МДП - тетроды со

встроенным каналом n - типа и двумя затворами, предназначенные для высокочастотных каскадов радиоприёмных устройств. При необходимости второй затвор (как экранирующую сетку пентода) можно использовать в качестве второго управляющего электрода, например, в схеме преобразователя (смесителя) частоты.

Таблица 4.1. УГО основных типов полевых транзисторов

Тип транзистора	УГО
p-канал	n-канал
Полевые транзисторы с p–n переходом и каналами
Полевые МДП транзисторы с индуцированным каналом р - и n- типа
Полевые МДП транзисторы со встроенным каналом р - и n- типа
Полевой транзистор с затвором Шоттки и каналом n -типа.
Полевой тетрод с каналом р - и n- типа

Контрольные вопросы к разделу 4

 

Дайте определение полевым транзисторам (ПТ).

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ с p-n переходом.

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ со структурой МДП.

Изобразите устройство и поясните принцип действия ПТ с барьером Шоттки.

Приведите условные графические обозначения ПТ разных типов и структур.

Приведите и охарактеризуйте вид передаточных характеристик ПТ различных структур.

Приведите и охарактеризуйте вид выходных характеристик ПТ различных структур.

Дайте определение Y-параметрам ПТ.

Поясните, каким образом можно определить крутизну S по характеристикам ПТ?

Поясните, каким образом можно определить выходное сопротивление по выходным характеристикам ПТ?

Охарактеризуйте основные справочные параметры ПТ.

Изобразите эквивалентную схему ПТ. Поясните роль всех элементов модели.

5 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Общие сведения

Биполярным транзистором (БТ) называется трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n- переходами, предназначенный для усиления электрических колебаний по току, напряжению или мощности. Слово «биполярный» означает, что физические процессы в БТ определяются движением носителей заряда обоих знаков (электронов и дырок). Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они располагаются достаточно близко – на расстоянии, меньшем диффузионной длины. Два p-n перехода образуются в результате чередования областей с разным типом электропроводности. В зависимости от порядка чередования областей различают БТ типа n-p-n (или со структурой n-p-n) и типа p-n-p (или со структурой p-n-p). Крайние области называются эмиттер и коллектор, а средняя – база. Условные изображения таких структур и условные графические обозначения на принципиальных схемах показаны на рисунке 5.1. Стрелки на условных изображениях БТ указывают направление прямого тока эмиттерного перехода.

Контакты с областями БТ обозначе