33. Примесная проводимость полупроводников. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). В области электронно-дырочного перехода возникает электрическое поле, которое препятствует переходу электронов из n- в p-область, а дырок - в обратном направлении, что обеспечивает выпрямляющие свойства электронно-дырочного перехода. Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.

34. Полупроводниковые диоды и базовые диодные устройства

Полупроводниковый диод — полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n-перехода.

Плоскостные p-n-переходы для полупроводниковых диодов получают методом сплавления, диффузии и эпитаксии.

35. Светодиоды и фотодиоды. Применение в полиграфических технологиях

Светодио́д или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра. Его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников. Иными словами, кристалл светодиода излучает конкретный цвет (если речь идёт об СД видимого диапазона), в отличие от лампы, излучающей более широкий спектр и где конкретный цвет отсеивается внешним светофильтром.

Фотодио́д — приёмник оптического излучения^[1], который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе.

Фотодиод, работа которого основана на фотовольтаическом эффекте (разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд и ЭДС), называется солнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов и фототранзисторов.

36. Структура и принцип действия биполярного транзистора

Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой.

Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Устройство и обозначение биполярных транзисторов: а – n-p-n типа; б – p-n-p типа

Область, имеющая большую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером. Между коллектором и базой p-n переход называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой –эмиттерным переходом.

Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе несколько меньше, чем в эмиттере. В базе во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

принцип действия При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Это достигается соответствующим включением источников питания (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Перераспределение зарядов в транзисторе

 

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Следовательно, ток эмиттера будет иметь две составляющие – электронную и дырочную. Эффективность эмиттера оценивается коэффициентом инжекции:

 

,

где I_Э = I_Эn + I_Эp.

Инжекцией зарядов называется переход носителей зарядов из области, где они были основными в область, где они становятся неосновными.  В базе электроны рекомбинируют, а их концентрация в базе пополняется от «+» источника Е_Э, за счёт чего в цепи базы будет протекать очень малый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряющим действием поля закрытого коллекторного перехода как неосновные носители будут переходить в коллектор, образуя ток коллектора. Переход носителей зарядов из области, где они были неосновными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией зарядов. Степень рекомбинации носителей зарядов в базе оценивается коэффициентом перехода носителей зарядов

.

Основное соотношение токов в транзисторе:

I_Э = I_К + I_Б или  ,

где a – коэффициент передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току – I_К = QUOTE  α∙    a×I_Э.

Дырки из коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектора I_Ко, тогда ток коллектора

I_К = QUOTE  α∙    aI_Э + I_Ко.

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго снимается выходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи. Таким образом, рассмотренная выше схема получила название схемы с общей базой (рис. 1.4).

Напряжение в транзисторных схемах обозначается двумя индексами в зависимости от того, между какими выводами транзистора эти напряжения измеряются.

Так как все токи и напряжения в транзисторе, помимо постоянной составляющей, имеют ещё и переменную составляющую, то её можно представить как приращение постоянной составляющей и при определении любых параметров схемы пользоваться либо переменной составляющей токов и напряжений, либо приращением постоянной составляющей. Тогда коэффициент передачи тока

,   ,

где I_К, I_Э – переменные составляющие коллекторного и эмиттерного тока, DI_К, DI_Э – приращение постоянной составляющей.