3. Обозначения и маркировка полупроводниковых диодов

Условно-графические обозначения диодов представлены на рисунке 7.

г)

в)

б)

а)

a) диод, выпрямительный блок; в) стабилитрон односто­ронний;

б) туннельный диод; г) стабилитрон двусторон­ний.

Рисунок 7 – Условно-графические обозначения диодов

Обозначения регламентируются ГОСТ 10862-72 и состоят из шести элементов:

Первый элемент – буква, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод. Германий и его соединения обозна­чают буквой Г, кремний и его соединения – К, соединения галлия – А. В приборах специального назначения буквы заменяют соот­ветственно цифрами: германий – 1, кремний – 2, соединения галлия – 3.

Второй элемент – буква, обозначающая подклассы диода: выпрямительные, импульсные, универсальные – Д, варикапы – В, туннельные и обращенные диоды – И, стабилитроны – С.

Третий элемент – цифра, определяющая назначение диода (у стабилитронов эта цифра определяет мощность рассеивания).

Четвертый и пятый элементы – цифры, определяющие порядковый номер разработки (у стабилитронов эти цифры показывают номиналь­ное напряжение стабилизации).

Шестой элемент – буква, показывающая деление технологичес­кого типа на параметрические группы (приборы одного типа по значениям параметров подразделяются на группы). У стабилитронов буквы от А до Я определяют последовательность разработки.

Например, ГД412А – диод полупроводниковый, универсаль­ный, предназначенный для устройств широкого применения, герма­ниевый, номер разработки 12, группа А. КС168А – стабилитрон полупроводниковый, предназначенный для устройств широкого применения, кремниевый, мощность не более 0,3 Вт, с напряжением стабилизации 6,8 В, последова­тельность разработки А.

В обозначениях полупроводниковых диодов до 1964 года первый элемент буква Д (что означает диод), второй – число, характеризующее назначение диода, третий – буква, указывающая разновидность прибора.

2. Исследование биполярных транзисторов

Транзисторами называют полупроводниковые усилительные приборы, т.е. приборы, которые способны усиливать электрическую мощность. Транзисторы имеют очень много конструктивно-технологических разновидностей, но по принципу действия их делят на два основных класса: биполярные (БПТ) и униполярные (УП).

Работа биполярных транзисторов основана на использовании обоих типов носителей заряда (электронов и дырок), которые действуют в полупроводниках. Работа униполярных транзисторов основана на использовании только одного типа носителей – основных (электронов или дырок).

1. Особенности структуры и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух встречно включенных взаимодействующих p-n переходов. Взаимодействие переходов обеспечивается тем, что они расположены достаточно близко друг от друга – на расстоянии, меньше диффузионной длины носителей заряда.

а) Структура транзистора

Структура транзистора представлена на рисунке 8. У реальных транзисторов площади обоих p-n переходов существенно отличаются. Переход n₁-p, в соответствии с рисунком 8, имеет гораздо меньшую площадь, чем n₂-p.

Рисунок 8 – Структура биполярного транзистора

Кроме того, у большинства транзисторов один из крайних слоев, а именно, слой с меньшей площадью – (n₁) легирован гораздо сильнее, чем второй (n₂). Таким образом, транзистор является ассиметричным прибором.

Асимметрия транзистора отражается в названиях крайних слоев: сильно легированный слой с меньшей площадью (n₁) называют эмиттером (Э), а слой с большей площадью (n₂) – коллектором (К). Соответственно различают эмиттерный (n₁-p) и коллекторный (n₂-p) переходы. Средний слой называется базой (Б). Каждый из p-n переходов транзистора имеет донную и боковые части.

Рабочей или активной областью транзистора является область, расположенная под эмиттером, в соответствии с рисунком 8. Заштрихованные участки структуры являются пассивными (паразитными). Их наличие обусловлено конструктивно-технологическими причинами. Пассивные участки можно в первом приближении моделировать резисторами, подключенными к рабочим слоям базы и коллектора.

На рисунке 9 показана структура n-p-n типа, где W – толщина базового слоя разделяющего эмиттерный и коллекторный переходы. Эмиттерному высоколегированному слою присвоен верхний индекс «+». Структура, в соответствии с рисунком 8, служит основной при анализе транзисторов.

Рисунок 9 – Структура n-p-n типа

Для того, что бы эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) взаимодействовали, необходимо, что бы толщина базы (W) между ними была меньше диффузионной длины (L) носителей заряда, т.е. меньше расстояния, которые проходят носители заряда до рекомбинации. У современных транзисторов толщина базы не превышает одного микрометра (1 мкм), тогда как диффузионная длина лежит в пределах от 5 до 10 мкм.

Кроме того, концентрацию легирующей примеси базы делают на два, три порядка меньше концентрации примесей в эмиттерной и коллекторной областях.

Особенностью транзистора, представленного на рисунках 8 и 9, является то, что его крайние слои (эмиттер и коллектор) имеют проводимость n-типа, а средний слои (база) – проводимость p-типа. Транзисторы с такой структурой называют n-p-n транзисторами. Транзисторы, у которых эмиттер и коллектор имеют проводимость p-типа, а база – проводимость n-типа называют p-n-p транзисторами. По принципу действия они ничем не отличаются от n-p-n транзисторов, но им свойственны другие полярности рабочих напряжений.

б) Принцип действия и способы включения

- Активный режим

В активном режиме, в соответствии с рисунком 10, на эмиттерном переходе (ЭП) действует прямое напряжение, а на коллекторном переходе (КП) – обратное. При этом потенциальный барьер ЭП уменьшается, а КП – увеличивается. Электроны инжектируются из эмиттера в базу, проходят ее почти без рекомбинации, поскольку толщина базы мала, и беспрепятственно попадают в коллектор, находящийся под положительным потенциалом. Таким образом, при активном включении коллектор собирает поступившие в базу неосновные носители, т.е., при указанной полярности напряжения, коллектор способен собирать только электроны.

а)

б)

Рисунок 10 – Схема влияния транзистора в активном режиме (а) и

его зонная диаграмма (б)

В активном режиме токи коллектора I_К и эмиттера I_Э почти одинаковые с точностью до небольшого тока базы I_Б. Последний компенсирует убыль основных носителей (дырок) в результате рекомбинации, которая имеет место даже при очень малой толщине базы, а также в результате инжекции дырок из базы в эмиттер. Значит, изменяя ток эмиттера (I_Э), можно изменять ток коллектора (I_К).

Сопротивление обратно смещенного КП очень велико – несколько МОм и более, поэтому в цепь коллектора можно включать большие сопротивления нагрузки, которые слабо влияют на величину коллекторного тока. Соответственно в цепи нагрузки может выделяться значительная мощность. Сопротивление прямо смещенного ЭП, наоборот, мало (например, при токе 1мА составляет всего 25 Ом). Поэтому при почти одинаковых токах мощность, потребляемая в цепи эмиттера, оказывается значительно меньше, чем мощность, выделяемая в цепи нагрузки. Следовательно, транзистор способен усиливать мощность, т.е. является усилительным прибором.

- Инверсный режим

Если задать на КП прямое напряжение, а на ЭП – обратное, то такой режим работы называют инверсным включением. Передача тока из коллектора в эмиттер при инверсном включении значительно хуже, чем при активном режиме. Во-первых, в связи со слабым легированием коллектора, мала электронная составляющая коллекторного тока. Во-вторых, площадь реального коллектора значительно больше площади эмиттера в соответствии с рисунком 8, поэтому на эмиттер попадает лишь небольшая часть электронов, инжектированных коллектором.

- Режим насыщения

Режим насыщения (режим двойной инжекции) занимает особое место в работе транзистора. Этот режим характерен тем, что на обоих переходах ЭП и КП действуют прямые напряжения. При этом эмиттер и коллектор инжектируют носители в базу навстречу друг другу и одновременно каждый из них собирает носители, дошедшие от другого.

- Режим отсечки

Когда оба перехода находятся под воздействием обратных напряжений, то такой режим работы транзистора называют режимом отсечки. При этом из базы электроны экстрактируют в коллектор.

В зависимости от того, какой электрод имеет общую точку соединения с входной и выходной цепями, различают три схемы включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором, представленные на рисунке 11.

а)

б)

в)

а) с общей базой (ОБ);

б) с общим эмиттером (ОЭ);

в) с общим коллектором (ОК).

Рисунок 11 – Схемы включения n-p-n транзистора

На рисунке 12 показаны схемы включения p-n-p транзистора. Этим транзисторам свойственны обратные полярности рабочих напряжений. Соответственно обратные направления имеют и рабочие токи по сравнению с транзисторами n-p-n.

а) б)

а) с общей базой (ОБ);

б) с общим эмиттером (ОЭ).

Рисунок 12 – Схемы включения p-n-p транзистора

Транзисторы p-n-p типа могут использоваться в сочетании с транзисторами n-p-n типа. Такое сочетание в ряде случаев обеспечивает упрощение структуры и оптимизацию параметров соответствующих схем. Транзисторы n-p-n и p-n-p в таких схемах, а также сами схемы такого типа называют комплементарными (дополняющими).