9. Полупроводниковые приборы

9.1. Электронные приборы

Электронными приборами называют элементы, работа которых основана на взаимодействии потоков заряженных частиц (электрического тока) в различных средах (вакууме, газовом разряде –холодной плазме, твердом теле - монокристалле) с электрическим, магнитным или электромагнитным полем.

Различают три основных типа электронных приборов:

- электровакуумные приборы;

- газоразрядные приборы;

- полупроводниковые приборы.

В электровакуумных приборах – электронных лампах -поток свободных электронов, имитированный разогретым с помощью подогревателя (П) катодом (К) за счет термоэлектронной эмиссии, распространяется в вакуумированной колбе к аноду (А) под действием электрического поля.

Простейшей электронной лампой является электровакуумный диод с двумя электродами – анодом (А) и катодом (К) на рис. 9.1а. При положительном напряжении между анодом и катодом через диод протекает значительный анодный ток - диод открыт. При отрицательном анодном напряжении анодный ток практически отсутствует – диод закрыт.

Рис. 9.1

127

Таким образом диод является электронным устройством с односторонней проводимостью и это свойство находит широкое применение в различной аппаратуре.

Для управления анодным током около катода размещают первую (управляющую) сетку (С₁), на которую подается отрицательное по отношению к катоду напряжение. Такую лампу называют триодом. Изменяя небольшое (несколько вольт) напряжение сетки, можно изменять большой анодный ток (миллиамперы – амперы) при большом анодном напряжении (десятки – сотни вольт). Для улучшения свойств триода в лампу добавляют дополнительные сетки (С₂ и С₃), получая соответственно тетрод и пентод. Существуют электронные лампы и более сложной конструкции.

Недостатками электровакуумных приборов являются:

- значительные габариты;

- большая потребляемая подогревателем мощность для разогрева катода;

- сравнительно низкая надежность и ограниченный срок службы.

В настоящее время электровакуумные приборы находят весьма ограниченное применение в электронной технике. Например, это электронно-лучевые трубки в осциллографах и кинескопы в телевизорах и мониторах компьютеров.

Конструкция газоразрядных приборов аналогична конструкции электровакуумных приборов, но в этом случае баллон заполнен смесью инертных газов. При подаче напряжений на электроды прибора в нем возникает газовый разряд, и появляется большое число свободный носителей заряда, при этом в газоразрядных приборах обеспечивается высокая плотность тока. Однако они способны работать только на сравнительно низких частотах. В настоящее время газоразрядные приборы практически не применяются, за исключением, например, неоновой лампочки, которая используется для индикации наличия высокого напряжения.

128

Современная электронная техника базируется на полупроводниковых приборах, работа которых основана на движении подвижных носителей заряда в монокристалле полупроводниковой структуры под действием электрических полей.

9.2. Собственные и примесные полупроводники

Собственными полупроводниками называют монокристаллы кремния (Si), германия (Ge) или арсенида галлия (AsGa), обладающие специфическими физико-химическими свойствами. У полупроводников удельная электропроводность меньше, чем у проводников, но большее, чем у диэлектриков (отсюда и название). Полупроводники характеризуются малой шириной запрещенной зоны (менее 3 эВ).

Рассмотрим свойства полупроводника на основе монокристалла четырехвалентного кремния. Он имеет кристаллическую решетку алмазного типа, в которой каждый атом связан с четырьмя соседними, находящимися в вершинах правильного тетраэдра, ковалентными связями, в каждой из которых участвуют по одному валентному электрону связанных атомов. Эти связи можно отобразить на плоскости, как показано на рис. 9.2. Точками обозначены валентные электроны, пара которых (по одному от каждого атома) образуют кова- Рис. 9.2

129

лентную связь, показанную двумя параллельными линиями между атомами (по четыре связи у каждого атома кремния).

Собственная проводимость полупроводника обусловлена свободными носителями заряда, возникающими за счет тепловых процессов, в ходе которых происходит разрыв ковалентной связи. В результате образуются свободные отрицательно заряженный электрон проводимости и оставшаяся незаполненной ковалентная связь – дырка, обладающая эквивалентным положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Рассмотренный процесс называется тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Свойства полупроводника таковы, что разорванная ковалентная связь захватывает электрон из соседней заполненной ковалентной связи (ранее разорванная связь заполняется) и образуется новая разорванная ковалентная связь, то есть дырка перемешается по кристаллу полупроводника, являясь свободным носителем заряда.

С другой стороны, наблюдается обратный процесс рекомбинации электронно-дырочных пар, в ходе которого свободный электрон встречается с дыркой и разорванная ковалентная связь заполняется («исчезают» свободные носители заряда – электрон и дырка).

Процессы тепловой генерации и рекомбинации электронно-дырочных пар взаимно уравновешиваются, при этом устанавливается сравнительно невысокая концентрация свободных носителей заряда (электронов и дырок , ), которая и обеспечивает собственную проводимость полупроводника, большую проводимости диэлектрика. С ростом температуры кристалла эта концентрация увеличивается.

Из собственного полупроводника (например, кремния) изготавливают тонкие пластины, на основе которых в сложном технологическом процессе производятся полупроводниковые приборы. Предварительно обеспечивается очень высокая химическая чистота и правильность кристаллической структуры монокристалла собственного полупроводника.

130

Примесные полупроводники образуются дозированным введением химически чистой примеси в собственный полупроводник. Концентрация примеси сравнительно мала, поэтому введенный атом примеси замещает в узле кристаллической решетки атом кремния и атом примеси почти всегда окружен атомами собственного полупроводника.

Различают два типа примесных полупроводников – с электронной и дырочной проводимостью.

Полупроводник с электронной проводимостью (n-типа) образуется введением в собственный полупроводник (монокристалл кремния) пятивалентной примеси фосфора (P). Такую примесь называют донорной. Свойства полупроводника таковы, что при нормальной температуре четыре валентных электрона фосфора образуют ковалентные связи с соседними атомами кремния (сохраняется структура кристаллической решетки), а пятый валентный электрон атома фосфора оказывается свободным электроном проводимости (рис. 9.3а). При этом в узле кристаллической решетки оказывается неподвижный положительный ион донорной примеси.

Рис. 9.3

131

Таким образом, в полупроводнике n-типа имеется высокая концентрация свободных электронов (обусловленная донорной примесью и в незначительной части тепловой генерацией электронно-дырочных пар) и малая концентрация дырок (за счет тепловой генерацией электронно-дырочных пар),

. (9.1)

Кроме того, в кристалле имеются неподвижные положительно заряженные ионы донорной примеси с концентрацией . В целом кристалл полупроводника электрически нейтрален. В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью (p-типа) образуется при введении в монокристалл собственного полупроводника - кремния примеси трехвалентных атомов индия In (рис. 9.3б). Такую примесь называют акцепторной. При малой концентрации примеси в узле кристаллической решетки оказывается атом индия, окруженный атомами кремния. В этом случае атом примеси образует три ковалентных связи за счет своих валентных электронов и захватывает электрон из соседней ковалентной связи атомов кремния, образуя четвертую устойчивую ковалентную связь. В результате в узле кристаллической решетки оказывается неподвижный отрицательный ион акцепторной примеси (индия) и в кристалле возникает подвижный положительный носитель заряда – дырка (разорванная ковалентная связь двух атомов кремния). Концентрация основных носителей заряда в полупроводнике p-типа – дырок – много больше концентрации неосновных носителей – электронов,

, (9.2)

132

наличие которых обусловлено тепловой генерацией электронно-дырочных пар. Избыточный заряд дырок компенсируется зарядом отрицательных ионов акцепторной примеси с концентрацией и в целом кристалл электрически нейтрален.

9.3. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют область, образующуюся в месте соприкосновения двух примесных полупроводников с разным типом проводимости, как показано на рис. 9.4а. Он формируется в ходе сложного технологического процесса внесения донорных и акцепторных примесей в различные области собственного полупроводника методами сплавления, диффузии или эпитаксии без нарушения целостности кристаллической решетки.

Рис. 9.4

133

При образовании p-n перехода объединяются области с различной концентрацией подвижных носителей заряда: в n-области высокая концентрация электронов и низкая – дырок, а в p-области – наоборот. В результате возникает диффузионное движение электронов из n-области в p-область, а дырок в обратном направлении (эти заряды показаны маленькими кружочками на рис. 9.4а.).

Проникая за счет диффузии в p-область, электроны из n-области сталкиваются с дырками и происходит их рекомбинация. В результате в p-области на границе раздела падает концентрация дырок, и остаются не скомпенсированными неподвижные отрицательные заряды ионов акцепторной примеси (показаны большими жирными кружками со знаком минус на рис. 9.4а). Аналогично дырки из p-области, попадая в n-область, рекомбинируют с электронами, оставляя в ней на границе раздела не скомпенсированные положительные заряды ионов донорной примеси (показаны большими жирными кружками со знаком плюс на рис. 9.4а).

Таким образом, в p-n переходе возникают две области объемного заряда противоположного знака, между которыми образуется электрическое поле. Потенциалы точек вдоль перехода меняются, как показано на рис. 9.4б. Разность потенциалов называют контактной. Ее возможные значения составляют 0,3-1,5 В и увеличиваются с ростом концентраций донорной и акцепторной примесей. За счет этого в переходе образуется контактное электрическое поле. Толщина перехода составляет доли микрона. Напряженность контактного поля (рис.9.4а) оценивается достаточно большой величиной, при В и м получим

В/м.

Направление контактного электрического поля таково, что оно препятствует диффузионному движению (току )

134

через переход основных носителей заряда и способствует дрейфовому перемещению (току ) неосновных носителей (рис. 9.4а).

Наличие областей объемного заряда (контактного поля) создает потенциальный барьер для вызвавшего его диффузионного движения через переход основных носителей заряда (электронов из n-области и дырок из p-области). Динамическое равновесие устанавливается при равенстве диффузионного и дрейфового токов, при этом при отсутствии внешнего напряжения общий ток через переход равен нулю.

9.4. Вольтамперная характеристика p-n перехода

Нанеся на грани p-n перехода контактные площадки, на него можно подавать внешнее напряжение (рис. 9.5а), при этом через переход протекает ток .

Рис. 9.5

В прямом включении на переход подается положительное напряжение (в выбранном на рис. 9.5а направлении, «+» к p-области), которое называют прямым, при этом через переход протекает положительный прямой ток . Сопротивление «тела» полупроводников p- и n- типов значительно меньше сопротивления самого p-n перехода, так как он обеднен носителями заряда из-за их рекомбинации, поэтому практически все внешнее напряжение приложено прямо к p-n переходу

135

В прямом включении внешнее напряжение создает в переходе электрическое поле, противоположное по направлению контактному полю , при этом суммарное поле перехода уменьшается и снижается потенциальный барьер для основных носителей заряда. Основные носители (электроны в n-области и дырки в p-области) приобретают возможность продвигаться через переход, создавая прямой ток . С ростом напряжения потенциальный барьер снижается и прямой ток быстро возрастает (концентрация основных носителей заряда велика). В области (порядка 1 В) суммарное электрическое поле перехода близко к нулю и он полностью открывается для движения основных носителей заряда. При дальнейшем увеличении прямого напряжения наблюдается резкий рост прямого тока. Вид ВАХ p-n перехода в прямом включении показан на рис. 9.5б в области .

В обратном включении p-n переход находится при отрицательном напряжении . В этом случае внешнее электрическое поле складывается с контактным полем, суммарное электрическое поле увеличивается и повышается потенциальный барьер. Диффузионное движение через переход основных носителей заряда (диффузионный ток) ослабляется, а при В практически прекращается, при этом неосновные носители свободно перемещаются через переход, образуя мало изменяющийся с ростом обратный (дрейфовый) ток, который называют обратным током насыщения . Этот ток имеет тепловую природу. Соответствующая часть ВАХ показана на рис. 9.5б при . В целом ВАХ p-n перехода показана на рис. 9.5б. Как видно, в прямом и обратном включении необходимо использовать различные масштабы по осям тока и напряжения, так как много меньше значений прямого тока. В одинаковом масштабе в прямом и обратном включении ВАХ имеет вид, показанный на рис. 9.6а.

Аналитическое выражение ВАХ p-n перехода имеет вид

136

, (9.3)

(9.4)

- параметр модели, зависящий от температуры (по Кельвину), К – заряд электрона, дж/⁰К – постоянная Больцмана. Зависимость от температуры в ⁰С показана на рис. 9.6б. При формировании модели (9.3) по экспериментальным данным значения параметра могут быть существенно меньше и равны 1/В.

Рис. 9.6

9.5. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухполюсный нелинейный элемент с одним p-n переходом с нанесенными на его грани контактными площадками, размещенным в герметизирующем и отводящем тепло корпусе. Вольтамперная характеристика диода совпадает с ВАХ p-n перехода и показана на рис. 9.5б, ее модель имеет вид (9.3).

В прямом включении к диоду приложено прямое напряжение (порядка 1 В) и через него протекает значительный прямой ток. При постоянных токе и напряжении на переходе рассеивается мощность , равная

137

. (9.5)

За счет этого кристалл нагревается, его температура повышается. Например, при А и В получим Вт. Хотя эта мощность невелика, но при малых размерах кристалла (например, мм) она приведет к сильному его разогреву.

Если температура кристалла превышает допустимую , произойдет тепловой пробой диода, выражающийся в растрескивании кристалла, отслоении металлизации, нарушении внутренних соединений, разрушении корпуса. Этот пробой необратим, так как после уменьшения напряжения и тока работоспособность диода не восстанавливается.

В обратном включении обратный ток мал и даже при большом обратном напряжении рассеиваемая мощность сравнительно мала. Например, при В и А получим мВт. При этом температура диода существенно не увеличивается.

При повышении обратного напряжения до допустимого уровня в p-n переходе возникает обратимый лавинный пробой, заключающийся в резком росте обратного тока, как показано на рис. 9.7, - напряжение лавинного пробоя.

Рис. 9.7

Возможны два вида лавинного пробоя в зависимости от конструкции p-n перехода.

138

Электрический пробой происходит тогда, когда под действием обратного напряжения электроны приобретают энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей атомов кремния и образования электронно-дырочной пары. Новые электроны вновь ускоряются электрическим полем, и этот процесс развивается лавинообразно, приводя к резкому росту обратного тока. Пробой Зенера возникает в очень тонких p-n переходах, когда в обратном включении напряженность электрического поля оказывается достаточной для «вырывания» электронов из ковалентных связей с образованием свободных электронно-дырочных пар. В этом случае также наблюдается резкий рост обратного тока (рис. 9.7).

Пока величина обратного тока не достигает критического значения, мощность, рассеиваемая в кристалле, невелика и он не перегревается. В этом случае лавинный пробой является обратимым и при снижении обратного напряжения ток уменьшается, а диод сохраняет работоспособность.

Если в режиме лавинного пробоя обратный ток превышает допустимое значение, то температура кристалла повышается, возникает дополнительная тепловая генерация электронно-дырочных пар, обратный ток повышается и процесс теплового пробоя развивается лавинообразно и необратимо. Соответствующая ВАХ показана на рис.9.8. Таким образом лавинный пробой переходит в тепловой и диод выходит из строя. Рис. 9.8

Помимо ВАХ, свойства

диода описываются различными числовыми характеристиками:

139

- допустимым прямым током , при превышении

которого происходит тепловой пробой p-n перехода;

- допустимым обратным напряжением , при превышении которого возникает лавинный, а затем и тепловой пробой перехода;

- барьерной емкостью p-n перехода , в большинстве случает нежелательной (паразитной);

- максимальной рабочей частотой .

Используются и другие характеристики диодов специальных типов.

9.6. Типы полупроводниковых диодов

В современной электронике используются десятки типов полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды применяются в выпрямителях блоков питания для преобразования переменного сетевого напряжения промышленной частоты 50 Гц в постоянное напряжение. При этом используются вентильные свойства полупроводникового диода, пример его ВАХ показан на рис. 9.5б и рис. 9.6а. Условно-графическое обозначение на принципиальных схемах выпрямительного диода показано на рис. 9.9а, диод имеет два электрода: анод (А) и катод (К), называемых так по аналогии с электровакуумным диодом.

Рис. 9.9

140

На рис. 9.9б показана принципиальная схема простейшего однополупериодного выпрямителя.

Высокое напряжение силовой сети с действующим значением 220 В и частотой 50 Гц с помощью трансформатора Тр преобразуется в низкое напряжение , например, с амплитудой 10 В. При положительном напряжении на аноде диода возникает положительный импульс тока , а при отрицательном – диод закрыт и ток практически равен нулю. Положительные импульсы тока заряжают конденсатор фильтра , создавая на нем положительное напряжение , которое по завершении импульса тока несколько уменьшается за счет разряда конденсатора через сопротивление нагрузки . Полученные в результате моделирования временные диаграммы напряжений и токов в выпрямителе показаны на рис. 9.10.

Рис. 9.10

Как видно и графиков на рис. 9.10 в области значений

141

напряжений напряжение на аноде диода больше, чем на катоде, и через диод протекает импульс тока .

Недостатком схемы однополупериолного выпрямителя является наличие импульса тока только на половине периода переменного входного напряжения. Лучшие характеристики обеспечивают двухполупериодные выпрямители, схемы которых показаны на рис. 9.11.

Рис. 9.11

При положительном напряжении открыты диоды и закрыты (рис. 9.11а), тогда положительный импульс тока заряжает конденсатор фильтра . При отрицательном напряжении диоды закрываются и открываются диоды . Ток становится равным нулю и появляется положительный импульс тока , заряжающий .

142

Аналогично работает и двухполупериодный выпрямитель по схеме на рис. 9.11б, в которой поочередно срабатывают диоды и .

Проведите самостоятельно моделирование рассмотренных выпрямителей.

Для выпрямительных диодов характерны большие прямой ток и обратное напряжение. К частотным свойствам этих диодов особых требований не предъявляется, так как они работают на низких частотах (50 Гц). В табл. 9.1 приведены основные характеристики нескольких типов выпрямительных диодов.

Таблица 9.1 .

Тип диода	КД105Б	КД203А	КД213Б
Максимальный прямой ток, А	0,3	10	10
Максимальное прямое напряжение, В	1	1	1,2
Максимальное обратное напряжение, В	400	420	200
Максимальный обратный ток, мкА	100	1500	200
Максимальная рабочая частота, кГц	1	1	100

Высокочастотные диоды (рис. 9.9а) выполняют функции преобразования (например, детектирования – по сути дела выпрямления, ограничения, переключения) высокочастотных сигналов. Обычно высокочастотные диоды имеют небольшие прямой ток и обратное напряжение. Они должны работать на достаточно высоких частотах.

В табл. 9.2 в качестве примера приведены характеристики нескольких типов высокочастотных диодов.

143

Таблица 9.2 .

Тип диода	Д10	КД922	КД409А
Максимальный прямой ток, мА	16	50	50
Максимальное обратное напряжение, В	10	10	24
Максимальный обратный ток, мкА	100	0,5	0,5
Максимальная рабочая частота, МГц	150	1000	1000

Полупроводниковые стабилитроны предназначены для формирования стабильных постоянных напряжений. Они работают в режиме лавинного пробоя, соответствующий рабочий участок ВАХ показан на рис. 9.7 и рис. 9.8. Напряжение лавинного пробоя в этом случае является напряжением стабилизации . Условно-графическое обозначение стабилитрона показано на рис. 9.12а. Простейшая схема стабилизатора напряжения приведена на рис. 9.12б, а зависимость выходного напряжения от входного – на рис. 9.12в.

Рис. 9.12

При малом входном напряжении напряжение на стабилитроне (в рассматриваемой схеме – обратное) меньше , его ток мал и равно

144

. (9.6)

Когда достигает значения , резко возрастает ток стабилитрона, что должно понижать растущее напряжение до величины , то есть выходное напряжение практически не меняется с ростом входного напряжения при

. (9.7)

Проведите самостоятельно анализ цепи на рис. 9.12б графоаналитическим методом.

В табл. 9.3 приведены параметры трех стабилитронов.

Таблица 9.3 .

Тип диода	КС133А	КС191Б	КС224Ж
Напряжение стабилизации, В	3,3	9,1	24
Максимальный ток стабилизации мА	81	20	5,2
Минимальный ток стабилизации, мА	3	3	0,5
Максимальная мощность рассеивания, мВт	300	200	150

Полупроводниковые диоды маркируются в соответствии с государственным стандартом. Обозначение включает в себя три позиции.

Первая позиция – одна или две русские буквы: Д – диод, КД или ГД – кремниевый или германиевый выпрямительный или высокочастотный диод, КС – кремниевый стабили-

145

трон, вторая позиция – несколько цифр – номер данного диода, а третья определяет группу параметров диода. Примеры приведены в табл. 9.1-9.3. Для получения более широкого представления познакомьтесь со справочником по полупроводниковым диодам.

9.7. Биполярные транзисторы

9.7.1. Типы биполярных транзисторов

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с двумя p-n переходами, два варианта которой показаны на рис. 9.13.

Рис. 9.13

Структура на рис. 9.13а называется транзистором типа n-p-n (транзистор обратной проводимости), а на рис. 9.13б - транзистором типа p-n-p (транзистор прямой проводимости). Биполярный транзистор является управляемым нелинейным трехполюсником, электроды которого называют эмиттер (Э), база (Б) и коллектор (К). На принципиальных схемах условно-графическое обозначение биполярного транзистора типа n-p-n имеет вид, показанный на рис.

Рис. 9.14 9.14а, а типа p-n-p – на рис. 9.14б.

146

Транзистор – трехполюсный элемент, который чаще всего используется в качестве четырехполюсника. В этом случае один из электродов является общим для входной и выходной цепей и необходимо рассматривать три схемы включения биполярного транзистора: с общим эмиттером ОЭ (рис. 9.15а), с общей базой ОБ (рис. 9.15б) и с общим коллектором ОК (рис. 9.15в).

Рис. 9.15

Свойства транзистора как нелинейного четырехполюсника прежде всего описываются статическими (для постоянного тока при отсутствии нагрузки) ВАХ. В отличии от нелинейных двухполюсников (диодов) используются два семейства статических ВАХ:

- семейство входных статических ВАХ как зависимости входного тока от входного напряжения , в качестве параметра используется выходное напряжение;

- семейство выходных статических ВАХ - зависимости выходного тока от выходного напряжения , в качестве параметра используется входной ток.

Определение ВАХ для различных схем включения приведено в табл. 9.4.

Таблица 9.4

Схема включения	ОЭ	ОБ	ОК
Входные ВАХ
Выходные ВАХ

147

9.7.2. Работа биполярного транзистора в схеме

с общим эмиттером

Рассмотрим структурную схему биполярного транзистора типа n-p-n, включенного с общим эмиттером, как показано на рис. 9.16. В рабочем режиме напряжения между базой и эмиттером и между коллектором и эмиттером положительны, причем выполняется условие . При переход база-эмиттер открыт и поток основных носителей заряда эмиттера (электронов) инжектируется («впрыскивается») в базу (эмиттер является инжектором основных носителей заряда, форми-

Рис. 9.16 рует ток эмиттера ).

Попадая в базу, носители заряда эмиттера (электроны) становятся в ней неосновными. В базе они сталкиваются с высокой концентрацией основных носителей заряда базы – дырок и частично рекомбинируют с ними, при этом часть инжектированного потока ответвляется в базу, образуя ток базы. . Так как база транзистора изготавливается в виде очень тонкой области (микроны - доли микрона), то подавляющая часть тока инжекции (потока электронов) из эмиттера достигает перехода база-коллектор.

Коллекторный переход в рабочем режиме закрыт ( ). Подходящие к нему со стороны базы инжектированные эмиттером носители заряда (электроны) являются для него неосновными, поэтому электрическое поле закрытого коллекторного перехода способствует их свободному продвижению в область коллектора, образуя ток коллектора .

148

Токи транзистора удовлетворяют соотношению

, (9.8)

причем и, следовательно, .

На рис. 9.17а показан пример семейства входных, а на рис. 9.17б – выходных ВАХ транзистора в схеме с общим эмиттером.

Рис. 9.17

Рассмотрим входные характеристики (рис. 9.17а). При коллектор замкнут с эмиттером и оба p-n перехода транзистора соединены параллельно, при этом ток базы максимален, а ВАХ по форме соответствует характеристике двух параллельных диодов. С ростом коллекторного напряжения коллекторный переход быстро закрывается, при этом ток базы быстро падает. В справочнике по транзисторам обычно приводятся две ВАХ, соответствующие и, например, В.

Анализ выходных ВАХ начнем с кривой при . В этом случае переход база-эмиттер закрыт, инжекция из эмиттера отсутствует, и ток коллектора обусловлен только неосновными носителями заряда коллекторного перехода – это те-

149

пловой ток коллектора .

Для увеличении тока базы необходимо открыть эмиттерный переход, подав на базу положительное напряжение относительно эмиттера. При этом эмиттер инжектирует в базу и далее в коллектор основные носители заряда (электроны), которые и формируют коллекторный ток. В точке коллектор замкнут с эмиттером, коллекторный переход, как и эмиттерный, открыт и коллектор инжектирует свои основные носители заряда (электроны) навстречу потоку таких же зарядов из эмиттера. В результате суммарный ток коллектора равен нулю.

При небольшом повышении напряжения переход коллектор-эмиттер быстро закрывается, обратный поток основных носителей заряда из коллектора прекращается, и ток коллектора резко возрастает, как видно на начальном участке ВАХ на рис. 9.17б.

При в несколько вольт переход коллектор-эмиттер полностью закрывается и практически весь поток инжектированных эмиттером носителей заряда попадает к коллектор. Медленный (чем на начальном участке ВАХ) рост тока коллектора в этой области обусловлен эффектом модуляции толщины базы (эффектом Эрли). Он заключается в том, что с ростом напряжения , а значит и , коллекторный переход расширяется в основном в сторону базы (коллектор легирован примесью сильнее базы). При этом база становится тоньше, падает число рекомбинировавших в ней носителей и, следовательно, уменьшается ток базы. Но выходная ВАХ должна сниматься при постоянном токе базы, тогда для его увеличения необходимо повышать напряжение , что увеличивает ток инжекции эмиттера, а, значит, и ток коллектора.

Для p-n-p транзисторов анализ проводится аналогично, полярности напряжений меняются на противоположные (проделайте это самостоятельно).

150

9.7.3. Работа биполярного транзистора в схеме

с общей базой

На рис. 9.18 показана структура биполярного транзистора типа n-p-n, включенного по схеме с общей базой.

Рис. 9.18

В рабочем режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт, что обеспечиваются соответствующей полярностью напряжений на электродах (рис.9.18). Как и в предыдущей схеме, эмиттер инжектирует в базу и далее в коллектор основные носители заряда (электроны), часть из которых рекомбинирует в базе, образуя базовый ток.

На рис. 9.19 приведены входные и выходные ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой.

Рис. 9.18

151

Рассмотрим входные ВАХ на рис. 9.18а. При нулевом напряжении коллектор-база (коротком замыкания коллектора и базы) входной ток эмиттера является сравнительно малым током p-n перехода эмиттер-база. При подаче напряжения на коллектор поток основных носителей заряда продвигается от эмиттера в коллектор, что приводит к значительному повышению тока эмиттера.

Выходные ВАХ в области практически горизонтальны (рис. 9.18б), так как уже при коллекторный переход закрыт и практически весь поток инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора. С ростом напряжения коллектора резервов роста тока коллектора уже практически нет.

При отрицательном напряжении коллектора переход коллектор-эмиттер открывается и навстречу потоку инжекции эмиттера появляется обратный поток основных носителей заряда из коллектора, что приводит к резкому падению тока коллектора. При некотором отрицательном напряжении коллектора общий коллекторный ток становится равен нулю, а затем изменяется его направление. Эта область ВАХ практически не используется.

9.7.4. Работа биполярного транзистора в схеме

с общим коллектором

Структура транзистора в схеме с общим коллектором показана на рис. 9.19. Анализ ее ВАХ можно провести по характеристикам схемы с общим эмиттером (рис. 9.17), используя соотношение второго закона Кирхгофа

. (9.9)

Входные ВАХ в схеме с общим коллектором представ-

152

ляют собой зависимость (табл. 9.4). Из (9.9) получим

. (9.10)

Входные ВАХ в схеме с общим эмиттером имеют вид , а с учетом (9.10) получим . Как видно, ВАХ в схеме с общим коллектором представляет собой ВАХ с общим эмиттером, смеженную вправо на величину Обратите внимание, что входное и выходное напряжения для n-p-n транзистора отрицательны. Выходные ВАХ в схеме с общим коллектором практически совпа- Рис. 9.19

дают с ВАХ с общим эмиттером,

так как . Входные и выходные ВАХ в схеме с общим коллектором показаны на рис. 9.20.

Рис. 9.20

153

9.7.5. Параметры биполярного транзистора

На постоянном токе и низких частотах свойства транзистора полностью характеризуются рассмотренными статическими ВАХ. При расчете электронных устройств существенными являются и другие параметры модели транзистора.

На практике широко используются различные модели транзисторов, например, Эберса-Молла (простая, удобная для аналитических расчетов), Гуммеля-Пуна (применяется в пакетах программ MicroCAP, OrCAD) и другие. Нелинейные модели достаточно сложны для аналитических расчетов и используются в процессе численных расчетов с помощью ЭВМ.

Если на транзистор воздействуют малые переменные напряжения (режим малого сигнала), то его можно рассматривать как линейный четырехполюсник. Пример простейшей низкочастотной линейной модели Эберса-Молла в схеме с общей базой показан на рис. 9.21а. Она содержит три сопротивления тела полупроводника (эмиттера , коллектора и базы ) и управляемый током эмиттера источник тока с параметром - коэффициентом передачи тока в схеме с общей базой (всего четыре параметра модели).

Рис. 9.21

На рис. 9.21б показана линейная эквивалентная схема транзистора в диапазоне средних частот, в которой необходи-

154

мо учитывать барьерную емкость коллекторного перехода (в модели пять параметров).

В линейном режиме малого переменного сигнала биполярный транзистор как четырехполюсник описывается системой -параметров.

Рассмотрим схему с общей базой. При отсутствии переменного сигнала на электродах транзистора присутствуют постоянные токи и напряжения , , , , определяющие положение рабочей точки транзистора. Обозначим малые переменные сигналы: напряжение между базой и эмиттером , ток базы , напряжение между коллектором и эмиттером и ток коллектора . Тогда можно записать

(9.11)

Четырехполюсник с обозначениями (9.11) показан на рис. 9.22а. На рис. 9.22б показана модель линейного четырехполюсника в режиме малого переменного сигнала.

Рис. 9.22

Характеристики, обратные входным ВАХ транзистора, имеют вид . Объединяя их с выходными ВАХ, можно записать соотношения

155

(9.12)

Проведем разложение нелинейных функций (9.12) в ряд Тейлора в окрестности рабочей точки, удерживая только первые степени малых отклонений,

(9.13)

Заменив в полученном выражении приращения токов и напряжений малыми переменными сигналами, получим известную систему уравнений для H-параметров четырехполюсника – транзистора в схеме с общим эмиттером (индекс Э) -

(9.14)

где обозначено

(9.15)

(повторите материал по H-параметрам четырехполюсника).

156

Статические (низкочастотные) H-параметры биполярного транзистора определяются по его ВАХ в виде частных производных в рабочей точке. Физический смысл H-параметров транзистора представлен в табл. 9.5.

Таблица 9.5

	Входное сопротивление транзистора при коротком замыкании выхода по переменному току.
	Коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе входа по переменному току.
	Коэффициент передачи тока при коротком замыкании выхода по переменному току.
	Выходная проводимость транзистора при холостом ходе входа по переменному току.

Параметр является важнейшей характеристикой усилительных возможностей транзистора. В схеме с общим эмиттером для него используется специальное обозначение , а в схеме с общей базой - (используется в модели Эберса-Молла на рис. 9.21).

Параметры транзистора зависят от режима работы по постоянному току (от выбора положения рабочей точки). Например, зависимость статического (на постоянном токе) коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером показана на рис. 9.23а. Как видно, существует оптимальное с точки зрения усилительных свойств транзистора положение рабочей точки.

На рис. 9.23б приведена зависимость от частоты малого переменного гармонического сигнала.

Для измерения параметров транзистора имеются соответствующие приборы. Даже в некоторых бытовых мультиметрах предусматривается возможность измерения параметра .

157

Рис. 9.23

С ростом частоты усилительные свойства ухудшаются (рис. 9.23б). Вводится в рассмотрения граничная частота усиления по току в схеме с общим эмиттером, при которой коэффициент передачи тока .

9.7.6. Предельно допустимые параметры

Для каждого транзистора в справочнике указываются предельно допустимые значения токов и напряжений. Это прежде всего относится к цепи коллектора, в которой протекают большие токи и присутствуют высокие напряжения. При постоянных токе коллектора и напряжении коллектор-эмиттер (или коллектор-база ) на коллекторе рассеивается мощность . За счет этого повышается температура кристалла и если она превышает допустимое значение , то происходит тепловой пробой транзистора (растрескивается кристалл, отслаивается металлизация и др.). Допустимая температура зависит от типа корпуса. Для пластмассового корпуса она меньше (70 ⁰С), для керамического – выше (125 ⁰С).

Транзистор характеризуется максимально допустимой мощностью рассеивания на коллекторе , которая зависит

158

от условий теплоотвода. Тогда для допустимого тока коллектора можно записать

. (9.16)

Эта зависимость отображается на выходных ВАХ транзистора в виде гиперболы, ограничивающей сверху ток коллектора при заданном напряжении , как показано на рис. 9.24 широким пунктиром.

Рис. 9.24

Ток коллектора ограничен инжекционной способностью эмиттера, поэтому для любого транзистора указывается максимальный ток коллектора . Напряжение коллектора не

159

должно превышать напряжения пробоя закрытого коллекторного перехода, поэтому оно ограничено величиной . Эти границы отмечены на рис. 9.24.

Ограничены также значения тока базы и напряжения база-эмиттер, при превышении их допустимых значений происходит тепловой пробой эмиттерного перехода.

9.7.7. Маркировка биполярных транзисторов

Биполярные транзисторы в России маркируются в соответствии с государственным стандартом. Обозначение включает в себя три позиции.

Первая позиция –две русские буквы: КТ – кремниевый, ГТ –германиевый транзистор.

Вторая позиция – несколько цифр. Первая цифра определяет частотный диапазон и мощность транзистора в соответствии с табл. 9.6. Далее 2-3 цифры – порядковый номер разработки транзистора.

Таблица 9.6

Мощность Диапазон частот	Малая - не более 0,3 Вт	средняя - от 0,3 Вт до 1,5 Вт	большая – более 1,5 Вт
низких < 3МГц	1	4	7
Средних 3-30 МГц	2	5	8
высоких > 30 МГц	3	6	9

Третья позиция – буква - определяет группу параметров транзистора. В табл. 9.7 в качестве примера приведены параметры нескольких биполярных транзисторов. Для получения более широкого представления познакомьтесь со справочником по транзисторам, проведите сравнительный анализ их параметров.

160

Таблица 9.7

Тип транзистора	КТ3102А	ГТ341А	КТ930Б
А	0,1	0,01	10
В	50	5	50
В	5	0,3	4
Вт	0,25	0,035	120
	100-250	15-300	10-100
МГц	0,2	1500	600
пФ	6	2	80

9.8. Полевые транзисторы

9.8.1. Структура и работа полевого транзистора

Рассмотренные биполярные транзисторы управляются входным током. В этом случае входная цепь потребляет мощность, которую должен обеспечить источник сигнала.

В полевых транзисторах управление выходным током осуществляется электрическим полем, которое создается входным сигналом (напряжением). Пример внутренней структуры полевого транзистора с изолирующим p-n переходом и каналом n-типа показан на рис. 9.25. транзистор имеет три электрода: сток (С), исток (И) и затвор (З).

В полевом транзисторе на рис. 9.25а между стоком и истоком реализован токопроводящий канал с проводимостью n-типа. Околозатворная область является полупроводником p-типа, знак «+» указывает на повышенную концентрацию акцепторной примеси. Тогда между затвором и каналом образуется p-n переход, который в рабочем режиме закрыт, то есть выполняет изолирующую функцию. Области стока, истока и затвора отделяются диэлектрической пленкой из двуокиси

161

кремния (SiO₂).

При подаче на затвор управляющего напряжения (плюс на затворе относительно истока) обратное напряжение на p-n переходе возрастает и переход расширяется в основном в сторону канала (так как околозатворная область легирована примесью сильнее, чем канал). Расширение перехода приводит к уменьшению поперечного сечения канала, а значит его проводимости (к росту сопротивления), при этом ток стока падает. Таким образом, изменение напряжения затвора относительно истока при крайне малом токе затвора позволяет управлять проводимостью канала, в котором может протекать большой ток при большом напряжении сток-исток.

Рис. 9.25

Условно – графическое обозначение полевого транзистора с управляющим (изолирующим) p-n переходом и каналом n-типа показано на рис. 9.25б. На рис. 9.25в показано условно графическое обозначение такого же транзистора, но с каналом p-типа (при этом в структуре на рис. 9.25а чередование слоев меняется на противоположное).

Другим вариантом является полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом, структура которого показана на рис. 9.26а. Затвор отделен от канала диэлектриком (SiO₂). При подаче отрицательного напряжения на затвор электрическое поле вытесняет из прилегающей области канала основные носители заряда, при этом канал сужается и

162

его проводимость падает. В этом полевом транзисторе ток затвора значительно меньше, чем в транзисторе с изолирующим p-n переходом, и практически равен нулю.

Условно – графическое обозначение полевого транзистора с изолированным затвором и каналом n-типа показано на рис. 9.26б, а с каналом p-типа - на рис. 9.26в.

Рис. 9.26

На рис. 9.27а показана структура полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа. В этом случае при отсутствии напряжения затвора канал отсутствует и появляется (индуцируется) при его наличии (показано пунктиром).

Рис. 9.27

Обозначение полевого транзистора с изолированным затвором и индуцированным каналом n-типа показано на рис. 9.27б, а с каналом p-типа - на рис. 9.27в.

163

9.8.2. Вольтамперные характеристики полевого

транзистора

Полевые транзисторы как четырехполюсники могут включаться в схемах с общим стоком, общим затвором и общим истоков. На практике чаще всего используется схема с общим истоком.

У полевых транзисторов незначительный ток затвора. Их свойства в схеме с общим истоком описываются двумя семействами ВАХ: проходными – зависимостью тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток (рис. 9.28а) и выходными – зависимостью тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток (рис. 9.28б). Вид ВАХ существенно зависит от типа транзистора.

Рис. 9.28

9.8.3. Параметры полевого транзистора

Полевые транзисторы в режиме малого сигнала (как линейные четырехполюсники) описываются рассмотренной

164

ранее системой Y-параметров (повторите соответствующий материал). В схеме с общим истоком (рис. 9.29а) соответствующий ей четырехполюсник (рис. 9.29б) описывается системой уравнений

(9.17)

Рис. 9.29

Важнейшим параметром полевого транзистора является его проходная проводимость , которую называют крутизной ВАХ и измеряют в мА/В,

. (9.18)

Значения крутизны полевого транзистора лежат в пределах от десятых долей мА/В до единиц А/В.

Вместо выходной проводимости используют внутреннее дифференциальное сопротивление, определяемое соотношением

(9.19)

165

в пологой части выходных ВАХ.

Простая линейная эквивалентная схема полевого транзистора с области средних частот показана на рис. 9.30 ( сопротивление тела полупроводника истока, и паразитные емкости затвор-сток и затвор-исток соответственно).

Рис. 9.30 Полевые транзисторы мар-

кируются также, как и биполярные, только в первой позиции находятся две буквы КП. В табл. 9.8 приведены параметры некоторых полевых транзисторов.

Таблица 9.8

Тип транзистора	КП302А	КП201Ж	КП305Д
мА	24	10	15
В	20	10	15
В	10	15	15
В	5	2,2	6
мВт	300	60	150
мА/В	5	0,7	5-10

166