Azotirovanie.ru

Инженерные системы и решения
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Электронно-дырочный переход при обратном напряжении

Обратным напряжением (Uобр) называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с полярностью контактной разности потенциалов; оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р-области (рис. 2.3, а). При этом потенциальный барьер возрастает; он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений (рис. 2.3, б):

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n-переход, и она уменьшается, а при некотором значении Uобр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяется слой, обедненный носителями заряда, и расширяется p-n-переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал.

Ток, протекающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током (Iобр)..Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током
(Iобр = Iт), который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводности называют экстракцией.

Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концентраций в данной области около границы p-n-перехода практически до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей заряда из глубины области в направлении к p-n-переходу, что компенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую область. Движение неосновных носителей заряда к p-n-переходу создает электрический ток в объеме полупроводника. Компенсация убыли электронов в объеме полупроводника p-типа происходит за счет пополнения их из внешней цепи от минуса источника питания. Это вызывает прохождение электрического тока во внешней цепи.

2.4. Вольт-амперная характеристика электронно-
дырочного перехода. Пробой и емкость
p-n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода представляет собой зависимость тока от величины и полярности приложенного напряжения и описывается выражением:

где I – тепловой обратный ток p-n-перехода; Uд – напряжение на p-n-переходе; jт = k T/ q – тепловой по­тенциал, равный контактной разности потенциалов (jк) на границе p-n-перехода при отсутствии внешнего напряжения (при T = 300 К, jт = 0,025 В); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная темпе­ратура; q –заряд электрона

При отрицательных напряжениях порядка 0,1. 0,2 В экспонен­циальной составляющей, по сравнению с единицей, можно пренебречь (е 4 » 0,02), при положительных напряжениях, превышаю­щих 0,1 В, можно пренебречь единицей (е 4 » 54,6). Тогда вольт-амперная характеристика p-n-перехода, будет иметь вид, приведенный на рис 2.4.

По мере возрастания положительного напряжения на p-n-переходе прямой ток диода резко возрастает. Поэтому незначительное изменение прямого напряжения приводит к значительному изме­нению тока, что затрудняет задание требуемого значения прямого тока с помощью напряжения. Вот почему для p-n-перехода ха­рактерен режим заданного прямого тока.

Вольт-амперная характеристика (см. рис. 2.4) имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную, расположенную в третьем квадранте. Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку концентрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток несоизмеримо меньше прямого.

При небольшом увеличении обратного напряжения от нуля обратный ток сначала возрастает до значения, равного значению теплового тока (I), а с дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьшает результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, значение обратного тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного значения, называемого напряжением пробоя (Uобр.проб) приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электрическое сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

Влияние температуры на прямую и обратную ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показано штриховой линией (см. рис. 2.4). Прямая ветвь при более высокой температуре располагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение, температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обратного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциального барьера (j) и увеличение энергии подвижных носителей зарядов.

Рассмотрим причины, вызывающие пробой p-n-перехода и процессы, которые при этом происходят.

Пробоем p-n-перехода (рис. 2.5) называют, как было сказано, резкое уменьшение обратного сопротивления, вызывающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора значения (Uобр.проб). Пробой p-n-перехода происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрастания процессов генерации пар «свободный электрон – дырка». В зависимости от причин, вызывающих дополнительную интенсивную генерацию пар носителей заряда, пробой может быть электрическим и тепловым. Электрический пробой, в свою очередь, делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов быстро движущимися неосновными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется электрическим полем в области p-n-перехода. При достижении определенной напряженности электрического поля они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар «электрон – дырка» также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей ионизации атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавинообразно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n-перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке между двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 2.5).

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом. Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. При этом возможен туннельный эффект, заключающийся в переходе электронов валентной зоны р-области непосредственно в зону проводимости n-области. Объясняется такое явление тем, что при большой напряженности электрического поля на границе двух областей с разными типами электропроводности энергетические зоны искривляются так, что энергия валентных электронов р-области становится такой же, как энергия свободных электронов n-области (рис. 2.6).

Читайте так же:
Тепловой ток p n перехода это

Электроны переходят на энергетической диаграмме (см. рис. 2.6) как бы по горизонтали из заполненной зоны в находящуюся на том же уровне свободную зону соседней области, а в полупроводниковом приборе, соответственно, через p-n-переход. В результате перехода дополнительных неосновных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (см. рис. 2.5, вертикальный участок кривой 2). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьшается.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при уменьшении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-перехода, когда отводимое от перехода в единицу времени тепло меньше выделяемого в нем тепла при протекании большого обратного тока, в результате чего происходит интенсивная генерация пар носителей заряда. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может перегреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогреваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется; прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольт-амперной характеристике (см. рис. 2.6, кривая 3) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обратного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n-переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, напряжении.

Для предотвращения теплового пробоя в паспорте прибора указывается интервал рабочих температур и допустимое обратное напряжение (примерно 0,8 от пробивного).

Изменение внешнего напряжения (dU) на p-n-переходе приводит к изменению накопленного в нем заряда (dQ). Поэтому p-n-переход ведет себя подобно конденсатору, емкость которого равна:

В зависимости от физической природы изменяющегося заряда различают емкости барьерную (зарядную) и диффузионную.

Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенсированного заряда ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения. Поэтому идеальный электронно-дырочный переход можно рассматривать как плоский конденсатор, емкость которого определяется соотношением

где S, l(U) – соответственно площадь и толщина p-n-перехода.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n-переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина.

Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем больше Uобр. Это используется в полупроводниковых приборах (варикапах), служащих конденсаторами переменной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, а.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе стороны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит название диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носителей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от величины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутствует. Её вольт-фарадная характеристика представлена на рис. 2.7, б.

Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обратном – барьерную.

Дата добавления: 2016-05-28 ; просмотров: 4404 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Электронно дырочный переход и его свойства в полупроводниках

электронно дырочный переход это

Электронно дырочный переход — это контакт двух примесных полупроводников с различными типами (другое название — p-n-переход). Он создается путем введения в одну часть полупроводникового кристалла донорной примеси, а в другую — акцепторной (легирование).

Донорные примеси приводят к увеличению концентрации свободных электронов в кристалле. Акцепторные примеси приводят к увеличению концентрации дырок. В полупроводнике n типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными. В полупроводнике p типа дырки являются основными носителями заряда, а электро­ны — неосновными.

Прежде чем раскрывать вопрос электронно дырочного перехода, важно ознакомится с общими сведениями о полупроводниках.

Полупроводники — основы

Полупроводники — это вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков.

Типичным полупроводником является кремний (Si), в состав атома которого входят 14 электронов. 4 электрона из 14 находятся в незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными (валентные электроны).

Атомы кремния могут объединять валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей:

1) Атомы кремния в структуре кристалла структура кристалла кремния
2) Ковалентные связи. Ковалентная связь — самый распространенный тип химической связи, осуществляемой при взаимодействии атомов элементов с одинаковыми или близкими значениями электроотрицательности.

При нулевой температуре в кристалле кремния свободные носители заряда отсутствуют. При повышении температуры происходит разрыв некоторых валентных связей, и электроны, участвующие ранее в создании валентных связей, отщепляются и становятся электронами проводимости. А при наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

При освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь — дырка. Данный процесс создает дополнительную возможность для переноса заряда — дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате в месте, где будет заполнена дырка будет восстановлена нормальная связь, а в другом месте появится другая дырка. Последовательное заполнение свободной связи электронами одновременно сопровождается движением дырки в противоположном движении электронов направлении.

Исходя из вышеописанного можно отметить, что в полупроводнике имеются два типа носителей заряда — электроны и дырки. Общая проводимость полупроводника равна сумме электронной проводимости n-типа и дырочной проводимости p-типа.

Легирование полупроводников

Легирование — добавление примесей для увеличения проводимости чистых полупроводников. При этом применяются два типа примесей:

Пятивалентные примесиТрехвалентные примеси
легирование полупроводника пятивалентной примесью легирование полупроводника трехвалентной примесью
1) Атомы кремния. 2) Пятивалентный примесный атом (донор). 3) Ковалентные связи. 4) Свободный электрон. При легировании полупроводника пятивалентным атом фосфора (P) вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. В данном случае атом фосфора называется донором, так как он отдает свой лишний электрон. Электроны в таком полупроводнике n-типа являются основными носителями (имеют отрицательный заряд), а дырки — неосновными.1) Атомы кремния. 2) Ковалентные связи. 3) Трехвалентный примесный атом (акцептор). 4) Дырка. При легировании полупроводника трехвалентным атомом индия (In) три валентных электрона разместятся среди трех соседних атомов. Это создает в ковалентной связи дырку. Наличие дырок позволяет электронам дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. В данном случае In — акцептор, так как дырки принимают электроны. Дырки в таком полупроводнике p-типа являются основными носителями (имеют положительный заряд), а электроны — неосновными.

Полупроводники p и n типов имеют более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Проводимость может быть уменьшена или увеличена путем изменения количества примесей.

Свойства электронно дырочного перехода

Электронно дырочный переход (p-n) создается в пластине полупроводника путем образования в ней области с различными типами проводимости. В области данного перехода имеется значительный перепад концентрации носителей зарядов, когда электронов в n-области больше, чем в p-области. В результате чего происходит:

  • Диффузия электронов из n-области в p-область. При этом в n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров.
  • Одновременно происходит диффузия дырок из p-области в n-область. За счет отрицательно заряженных ионов акцепторов приграничная p-область приобретает отрицательный заряд.
  • Две данных прилегающих области образуют слой объемного заряда, в котором возникает контактное электрическое поле Ek (Epn), препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок.
Читайте так же:
Что такое тепловое действие электрического тока кратко

p–n-переход

Контактное поле поддерживает равновесное состояние при определенных условиях. При повышении температуры небольшая часть электронов и дырок преодолевает контактное поле и создает ток диффузии. Одновременно за счет неосновных носителей заряда создается ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Рассмотрим более подробно p-n-переход в отсутствие внешнего поля. Вблизи границы перехода образуется двойной заряженный слой. Электрическое поле, созданное этим слоем, направлено по нормали к границе от n к p области. Это поле препятствует процессу диффузии основных носителей и, таким образом, создает для них потенциальный барьер:

потенциальный барьер на границе p-n-переходаНа энергетической диаграмме энергия электронов и дырок отсчитывается от их состояния соответственно в n и p областях.

Поэтому из n в p область могут перейти только те электроны, энергия которых превышает высоту потенциального барьера Фpn. Концентрация электронов, обладающих энергией, достаточной для преодоления барьера, определяется распределением Больцмана:

n = n0 exp (-Фpn ⁄ kT), где: n0 — концентрация электронов в n-области.

Прошедшие за барьер электроны создают электронную компоненту диффузионного тока In. Точно так же дырки, преодолевшие барьер, образуют дырочную компоненту диффузионного тока Ip. Ip и In направлены от p к n области, и суммарный ток основных носителей равен:

I0 = In + Ip ∼ exp (-Фpn ⁄ kT)

Теперь посмотрим энергетическую диаграмму p-n-перехода в отсутствие внешнего поля (предыдущее изображение). Поле вблизи границы способствует движению неосновных носителей, которые «скатываются» с потенциальной «горки». Поэтому все неосновные носители, генерируемые в приконтактной области, движутся через электронно дырочный переход и образуют ток, направленный от n к p. Сила этого тока насыщения практически не зависит от разности потенциалов между n и p полупроводниками и определяется только числом неосновных носителей, образующихся в приконтактной области в единицу времени: Is = Ins + Ips.

В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера, при которой полный ток равен нулю I = I0 — Is = 0.

Приложение напряжения к диоду с p-n переходом

Полупроводниковый диод — это пластина полупроводника (кремний или германий), одна сторона которой с электропроводностью р-типа, а другая с проводимость n-типа. На внешние поверхности пластины диода нанесены контактные металлические слои, к которым припаяны проволочные выводы электродов.

Приложим к диоду, содержащему p-n переход, напряжение (смещение U от внешнего источника). В этом случае если анод источника «+» соединен с p-областью диода, а катод источника «-» с n-областью, то речь идет о прямом смещении (U > 0). В противоположном случае — это обратное смещение (U < 0).

В электрической цепи с внешним источником диод содержит три соединенных последовательно области: p-область, объемный заряд (барьер), n-область. Так как потенциальный барьер препятствует движению основных носителей, и притом их средняя тепловая энергия kT << Фpn, область объемного заряда практически полностью обеднена свободными носителями тока (электронами и дырками). Данная область обладает наибольшим электрическим сопротивлением и практически все приложенное напряжение U в ней падает.

Рассмотрим случай прямого (а) и обратного (б) смещения:

прямое и обратное смещение

При прямом смещении (а) поле от внешнего источника направлено навстречу полю, создаваемому объемным зарядом. Следовательно, напряжение U вычитается из барьерной разности потенциалов Upn = Фpn ⁄ e, существовавшей до приложения внешнего смещения. В результате разность потенциалов на барьере становится равной (Upn — U), а высота энергетического барьера:

e(Upn — U) = Фpn — eU.

Уменьшение высоты энергетического барьера приводит к увеличению концентрации основных носителей, преодолевающих барьер. Концентрация электронов за барьером теперь равна: n1 = n0 exp[-(-Фpn — eU ⁄ kT)] и увеличилась в n1 ⁄ n = exp(eU ⁄ kT) раз. Во столько же раз увеличится и создаваемый ими электронный диффузионный ток:

In1 = exp(eU ⁄ kT).

На ток неосновных носителей (ток насыщения) прямое смещение (так же как и обратное) влияния не оказывает. Ток электронов из p-области в n-область по-прежнему равен Ins и течет навстречу диффузионному току.

Таким образом, электронная компонента прямого тока In будет равна:

In = In1 — Ins = Ins[exp(eU ⁄ kT) — 1].

Дырочная компонента прямого тока:

Ip = Ip1 — Ips[exp(eU ⁄ kT) — 1].

Полный ток через p-n переход равен сумме электронной и дырочной компонент:

I = In — Ip = (Ins + Ips)[exp(eU ⁄ kT) — 1] = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1].

При обратном смещении (б) происходит увеличение высоты потенциального барьера. Так как при этом принято предложенное напряжение U считать отрицательным, то соотношение e(Upn — U) = Фpn — eU остается в силе, так же как и последующие рассуждения. Поэтому формула I = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1]
описывает не только прямую, но и обратную ветви вольт амперную-характеристику диода (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода:

Штрихпунктирной линией показана кривая,
соответствующая теоретической зависимости I = Is[exp(eU ⁄ kT) — 1], сплошной линией — экспериментальная ВАХ.

Продолжение линейного участка ВАХ до пересечения с осью U дает значение напряжения отсечки Uотс, которое можно принять за оценку барьерной разности потенциалов Upn ≈ Uотс. Значение Upn совпадает с числовым значением высоты потенциального барьера Фpn, выраженном в электрон-вольтах.

Обратная ветвь ВАХ также отличается от теоретической Iобр = Is для IUI >> kT. В этой области сопротивление электронно дырочного перехода быстро увеличивается и даже превышает сопротивление изоляции диода. Поэтому возникает ток утечки, который течет не через p-n переход, а через постоянное сопротивление изоляции. Этой ситуации соответствует линейный участок обратной ветви, пересечение которого с осью тока I дает оценку тока насыщения Is.

Для оценки ширины электронно дырочного перехода можно использовать формулу: d ≈ √((2εε0Uотс) ⁄ end), где nd — концентрация атомов донорной примеси в полупроводнике n-типа, ε — диэлектрическая проницаемость материала полупроводника.

Параметры биполярного транзистора

В радиолюбительской практике часто приходится подбирать транзисторы для их замены на аналогичные или выбирать нужные транзисторы при конструировании какого нибудь изделия по желаемым параметрам.
Поэтому без справочников по транзисторам никак не обойтись. В них приведены основные параметры транзисторов как по постоянному, так и переменному току. Но не все знают, что они обозначают. Попробуем разобраться с этим.

Биполярные транзисторы

Зная название транзистора уже можно получить нужную информацию о нем.
Транзисторам присваивается обозначение из четырех элементов.
Первый элемент — буква или цифра, указывающий исходный материал из чего сделан транзистор ( Г или 1 — германий, К или 2 — кремний, А или 3 — соединения галия.
Второй элемент — буква определяющая подкласс прибора ( Т — транзистор, П — полевой).
Третий элемент — цифры, первая обозначает номер классификации у биполярных транзисторов — граничную частоту передачи тока, а у полевых транзисторов — максимальную рабочую частоту. Последующие две цифры обозначают порядковый номер разработки.
Вот расшифровка первой цифры,
транзисторы:
малой мощности (мощность рассеяния до 0,3 Вт);
1 — низкой частоты (до 3 МГц)
2 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
3 — высокой частоты (свыше 30 МГц)
средней мощности (мощность рассеяния от 0,3 Вт до 1,5 Вт)
4 — низкой частоты (до 3 МГц)
5 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
6 — высокой частоты (свыше 30 МГц)
большой мощности (мощность рассеяния свыше 1,5 Вт)
7 — низкой частоты (до 3 МГц)
8 — средней частоты (от 3 до 30 МГц)
9 — высокой частоты (свыше 30 МГц).
Четвертый элемент — буква, указывающая разновидность из данной группы приборов.
К примеру ГТ328А — германиевый транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 28, разновидность А.

Читайте так же:
Выключатель с тепловым датчиком

Обратный коллекторный ток

Параметры транзистора по постоянному току характеризуют токи транзистора при включении перехода в обратном направлении.

Обратный ток коллектора Iкбо — это ток, возникающий в коллекторном переходе включенном в обратном направлении со свободным эмиттером ( рис.1 ).
Индекс кбо обозначает ток между коллектором и базой при не включенном (открытом) эмиттере.

Обратный ток эмиттера Iэбо — это ток при обратном заданном напряжении на переходе эмиттер — база с отключенным коллектором ( рис.2 ).

Рассмотрим подробней обратный ток коллектора Iкбо , т.к. он является главным дестабилизирующим параметром транзистора.
Коллекторный обратный ток очень мал. В маломощных транзисторах при комнатной температуре Iкбо равен всего несколько десятков микроампер, а в кремневых — менее 1мкА. Так почему данные этих незначительных величин приводятся в справочниках параметров транзисторов?
Дело в том, что во время работы любой транзистор греется, а значить при этом будет повышается и температура p-n и n-p переходов между коллектором и базой. А полупроводники не только обогащены примесями с основными носителями зарядов электронами или дырками. В них присутствует еще достаточное количество и нейтральных атомов.
Поэтому при нагреве полупроводников происходит, так называемая, термогенерация — уход в нейтральных атомах полупроводника электронов с орбиты в валентную зону или зону проводимости. Но при этом в валентной зоне образуются и дырки (атомы потерявшие электроны), которые так же, наряду с электронами, будут в зоне проводимости.
Все это приводит к тому, что в цепи коллектор — база проходит диффузионный неуправляемый ток коллекторного p-n перехода в обратном направлении.
При повышении температуры транзистора обратный ток коллектора быстро растет по экспоненциальному закону. В германиевых (Ge) транзисторах обратный ток удваивается на каждые 10 о С , а в транзисторах из кремния (Si) — в 2,5 раза.

Возьмем, например, германиевый ГТ108 и кремниевый КТ3102 маломощные транзисторы и рассчитаем значения возрастания обратного коллекторного тока Iкбо от повышения температуры t о C транзисторов ( рис.3 ), и по этим данным построим график ( рис.4) .
По ним видно, что при увеличении температуры от 20 о C до 70 о C обратный ток увеличивается в десятки раз. Поэтому обратный коллекторный ток еще называют тепловым током.
Отсюда можно сделать вывод: кремниевые транзисторы, имея меньшее Iкбо , более температурно стабильнее, чем германиевые.

Но еще большая «проблема» состоит в том, что в различных усилительных схемах часть обратного коллекторного тока проходит через управляющий эмиттерный переход транзистора и это приводит к сильному увеличению прямого коллекторного тока, а значить — к увеличению температуры транзистора.

Низкочастотные параметры транзистора

h — параметры

Для анализа работы транзистора в усилительном режиме используется метод четырехполюсника, который позволяет производить расчет усилителя с помощью только матриц без составления эквивалентной схемы транзистора.
Существуют три системы параметров транзистора: z, h и y .
Для расчета низкочастотных схем применяются z- и h-параметры, а для высокочастотных — y-параметры.
И хотя система h-параметров характеризует работу транзистора под воздействием только малого сигнала, она получила широкое распространение, благодаря тому, что при измерении этих параметров требуется воспроизвести легко выполнимые действия: холостой ход на входе ( I1=0 ) или короткое замыкание на выходе ( U2=0 ). А связь между h- параметрами c остальными параметрами можно узнать в Википедии .

Но вернемся к четырехполюснику.
На низких частотах при работе с малым сигналом транзистор можно рассматривать как активный четырехполюсник, у которого есть входной и выходной контакты, а так же один общий провод с двумя контактами ( рис.5 ). А к общему проводу транзистор может подключаться по разному. От того, какой из выводов транзистора подключен к этому проводу, различают включение с общей базой ( ОБ ), общим эмиттером ( ОЭ ) и общим коллектором ( ОК ).
На клеммы четырехполюсника 1-1 подается переменное входное напряжение U1 , которое создает ток I1 а с клемм 2-2 снимаются выходные U2 и I2 .

Для лучшего понимания происходящего в четырехполюснике транзистора покажем его эквивалентную схему ( рис.6 ).
Тогда уравнения четырехполюсника с h-параметрами выглядят так:

h-параметры представляют собой определенные физические величины и зависят от схемы включения транзистора. Чтобы определить к какой схеме включения относятся параметры используют второй индекс: э,б или к . Например, h11э — входное сопротивление в схеме с ОЭ , а h21б — коэффициент обратной связи по напряжению в схеме с ОБ .

Рассмотрим, для примера, эквивалентную схему транзистора с ОЭ применяя h-параметры ( рис.7 ):
при коротком замыкании выходной сети (U2=0) :
h11э=Uбэ/Iб — входное сопротивление транзистора,
h21э=Iк/Iб — коэффициент передачи тока;
при разомкнутом по переменному току входе (I1=0) :
h12э=Uбэ/Uкэ — коэффициент обратной связи по напряжению,
h22э=Iк/Uкэ — выходная проводимость.

У современных транзисторов коэффициент обратной связи h12 почти равен нулю и позтому его можно не указывать на эквивалентной схеме.

Для разных схем включения транзистора h-параметры определяются по формулам:

h11э ? h11б/1+h21б;
h12э ? (h11б•h22б/1+h21б) — h12б;
h21э ? -h21б/1+h21б;
h22э ? h22б/1+h21б;

h11б?h11э/(1+h21э);
h12б?h11э•h22э/(1+h21э);
h21б?-h21э/(1+h21э);
h22б?h22э/(1+h21э);

h11к?h11э;
h12к?1;
h21к?-(1+h21э);
h22к?h22э.

Обычно в справочнике в разделе параметров транзистора указываются h-параметры при включении транзистора с ОБ: h11б — входное сопротивление, h12б — коэффициент обратной связи, h22б — выходная полная проводимость; и с ОЭ: h21э — коэффициент передачи тока.
Эти параметры транзистора статические, т.е. они измерены при постоянных параметрах напряжения коллектора Uк и тока коллектора Iк. Если будут изменяться эти значения — будут меняться и h-параметры транзистора. Но можно, благодаря этим приведеным h- параметрам, определить параметры с любым способом включения транзистора и приблизительно узнать, какие будут характеристики транзистора в динамическом режиме.

Например, возьмем старенький легендарный низкочастотный, маломощный транзистор МП41, и рассчитаем его входное и выходное сопротивления при включении с ОЭ по справочным данным:
h11б = 25 Ом,
h22б = 3,3 мкСм,
h21э = 30. 60.

Выходное сопротивление R вых. обратно пропорционально проводимости h22э:

В справочниках в параметрах транзисторов так же могут указаны коэффициенты усиления ? и ? .
? — это коэффициент усиления по току в схеме с ОЭ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше базового:
?=h21э?Iк/Iб .
? — коэффициент усиления по току в схеме с ОБ и показывающий во сколько раз коллекторный ток больше эмиттерного:
?=h21э?Iк/Iэ .

Читайте так же:
Что означает тепловое поражение электрическим током ответ

Коэффициенты ? и ? транзистора связаны между собой соотношением:
?=?/1-?.
При помощи номограммы ( рис.8 ) можно быстро перевести один коэффициент в другой:

Высокочастотные параметры транзистора

Емкость коллекторного перехода

В справочниках по транзисторам приводится параметр емкости коллекторного перехода Ск — емкость между выводами базы и коллектора при заданном обратном напряжении эмиттер — база и разомкнутой эмиттерной цепи.

Сам по себе транзистор представляет собой кристалл с двумя p-n или n-p переходами.
В следствии диффузии основных и неосновных зарядов в переходах образуются обедненные слоя с заряженными границами переходов (см. раздел «p-n переход», рис.a,b,c.), которые представляют собой своеобразные конденсаторы и называются барьерными емкостями.
При подаче напряжения разной полярности на переходы они будет расширяться или сужаться, меняя при этом свою емкость.

Рассмотрим эквивалентную схему транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером ( рис.9 ), где сопротивления rб, rэ и rк представляют собой дифференциальные сопротивления базового, эмиттерного и коллекторного переходов соответственно.
Сопротивление rб может составлять десятки-сотни Ом, rэ — от долей до десятков Ом, а rк — от десятков килоОм до нескольких мегОм.
На схеме показаны барьерные емкости эмиттерного перехода Сэ и коллекторного — Ск , которые включены параллельно сопротивлениям rэ и rк .
Величина емкости Ск может составлять от 2-5 пф до 50-200 пф, а емкость Сэ больше Ск в 5-10 раз.

Эту эквивалентную схему можно использовать как модель для анализа происходящих процессов в транзисторе при подаче на него малого переменного напряжения, к примеру, с генератора.

В режиме малого переменного сигнала низкой частоты влияние небольших емкостей переходов будет минимальным, т.к. их реактивное сопротивление ( Xc=1/2?fC ), будет большИм, и мало влияет на rэ и rк .
В области верхних частот с ростом частоты сопротивления барьерных емкостей уменьшаются, что приводит к шунтировании сопротивлений переходов.
Хотя емкость Сэ и имеет бOльшую величину чем Ск , ее емкостное сопротивление не на много влияет на сопротивление rэ , т.к. шунтирует малое значение сопротивления (десятки Ом).

По другому происходит с коллекторным сопротивлением rк .
При увеличении частоты сигнала до десятков килогерц сопротивление коллекторной емкости Ск падает ниже сопротивления коллекторного перехода rк и шунтирует его. Если на выходе схемы подключить сопротивление нагрузки Rн , то влиянием емкости Ск уже нельзя пренебречь.
Цепочка rэСэ и rкСк будет включена параллельно резистору нагрузки Rн шунтируя его, что приведет в определенный момент к уменьшению усиления транзистора.

Из этого можно сделать вывод: транзисторы для работы в усилительном режиме нужно выбирать как можно с меньшей емкостью коллекторного перехода, особенно на высоких частотах.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи тока.

Предельная и граничная частоты коэффициента передачи по току приводятся в справочных данных как существенные параметры транзистора.
Мы уже выяснили, что при увеличении частоты входного сигнала транзистора коэффициент усиления по току с определенного момента начнет уменьшаться из-за увеличения емкости коллекторного перехода. Но это только одна из причин падения усиления транзистора от частоты, хотя и немаловажная.

С увеличением частоты сигнала проявляются инерционные свойства транзистора.
Происходит отставание по фазе переменного тока коллектора от тока эмиттера. Это вызвано конечным значением времени перемещения носителей заряда от эмиттерного перехода к коллекторному через базу. И хотя время «пролета» составляет меньше 0,1 мкс, но при частотах в несколько мегагерц и выше это приводит к сдвигу фаз коллекторного и эмиттерного токов, что увеличивает ток базы и уменьшает коэффициент усиления.
Так же к инерционным свойствам относится время на перезарядку емкостей коллекторного и эмиттерного переходов.
Все эти паразитные явления приводят к уменьшению коэффициента усиления по току.

Предельная частота fпр коэффициента передачи по току в схеме с ОЭ — частоты, при которой модуль коэффициента усиления по току h21эо уменьшается в v2 раза (или на 3 дб). ( рис.10 ).
Граничная частота fгр коэффициента усиления по току в схеме с ОЭ — частота, при которой модуль коэффициента усиления h21э=1 и транзистор не работает как усилитель.

Коэффициент шума

Величина коэффициента шума является самым основным параметром транзистора, работающем в предварительном усилителе с малыми входными сигналами.
Коэффициент шума Кш — это отношение полной мощности шумов на выходе транзистора к мощности тепловых шумов сопротивления источника сигнала на входе:

Из этого определения следует, что для идеального «нешумящего» транзистора Кш будет равен единице, т.к. шумы будут обусловлены только сопротивлением источника сигнала:

Из рис.11,12 можно сделать вывод, что коэффициент шума зависит от режима транзистора ( Iэ ) и температуры окружающей среды ( Т?С ), а так же от выходного сопротивления источника сигнала ( Rг ) и частоты сигнала.

Чтобы получить как можно меньший уровень шумов транзистора в усилительном режиме необходимо определить наивыгоднейшие значения по току эмиттера и напряжению на коллекторе при оптимальном значении сопротивления источника сигнала.
Этого можно добиться если выбирать Iэ=0,1. 0,5 мА, Uк=0,5. 2,5 В и как можно уже полосу рабочих частот.

Полупроводники. Часть вторая: Электронно-дырочный переход.

↑ Контакт двух полупроводников р и n-типов. Диффузия основных носителей

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности.

Рассмотрим структуру, состоящую из полупроводниковых областей р- и n-типа (рис. 3.4, а). В состоянии равновесия отрицательный заряд ионов-акцепторов скомпенсирован положительным зарядом дырок, а положительный заряд ионов-доноров — отрицательным зарядом свободных электронов, и каждая из областей полупроводника является электрически нейтральной.

Концентрацию основных Носителей—дырок в р-области,— установившуюся при некоторой температуре, обозначим через p p0, а неосновных носителей —электронов — через n p0. Концентрацию основных носителей — электронов — и неосновных носителей — дырок в n-области — обозначим соответственно через n n0 и p n0. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителей р-области соответственно равны концентрациям основных и неосновных носителей n-области, т. е. p p0= n n0 и p n0= n p0.

Предположим, что р- и n-области соединены друг с другом (рис. 3.4, б). Так как в р-области дырок значительно больше, чем в n-области, будет происходить их диффузия из р-области в n-область. Этот процесс аналогичен диффузии подвижных частиц в жидкости и воздухе.

Вследствие разности концентраций электронов в р- и n-областях будет происходить их диффузия из n-области в р-область. Диффузия основных носителей через границу между р- и n-областями создает электрический ток. Этот ток называют диффузионным. Он содержит электронную и дырочную составляющие и направлен из р-области в n-область.

↑ Образование потенциального барьера. Контактная разность потенциалов

При уходе дырок из р-области в n-область в р-области остаются отрицательные ионы акцепторов, а при уходе электронов из n-области в р-область в n-области остаются положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с атомами основного полупроводника (германия или кремния) и не могут перемещаться. Поэтому в р-области на границе с n-областью создается отрицательный заряд, а в n-области на границе с р-областью — положительный заряд. Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р- и n-областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным.
Оно характеризуется напряженностью E диф, направленной из n-области в р-область. Диффузионное поле, возникшее между р- и n-областями, оказывается тормозящим для дырок р-области и электронов n-области, т. е. на границе между р- и n-областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей.

Читайте так же:
Схема подключения проводов теплого пола

↑ Дрейф неосновных носителей.Образование электронно-дырочного перехода

Помимо основных в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей — электронов в р-области и дырок в n-области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок n-области и электронов р-области в пределы диффузионного поля они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диффузии основных носителей через границу р-и n-областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновных носителей.

Такой ток тоже содержит две составляющие — электронную и дырочную — и называется дрейфовым, или током проводимости. Дрейфовый ток направлен из n-области в р-область, т. е. навстречу диффузионному току. Если к р- и n-областям не подключен внешний источник напряжения и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между р-и n-областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током и результирующий ток равен нулю.

Область вблизи места контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого сопротивление данной области оказывается очень большим, и ее называют запирающим слоем, или областью объемного заряда, а чаще всего — электронно-дырочным переходом (р-n-переходом).

↑ Прямое включение электронно-дырочного перехода

↑ Обратное включение электронно-дырочного перехода

Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к n-области и минусом к р-области (рис. 3.5, в), внешнее напряжение увеличит потенциальный барьер р-n-перехода. Диффузионный ток станет меньше тока дрейфа.

Результирующий ток, протекающий через р-n-переход, в этом случае будет определяться дрейфовым током, т. е. его значение и направление такие же, как и у дрейфового тока. Это включение р-n-перехода называют обратным, а протекающий через него ток — обратным током. Так как обратный ток образован неосновными подвижными носителями заряда р- и n-областей, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения (рис. 3.5, г).

При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n-перехода, вследствие которого резко увеличивается обратный ток. Пробой может быть тепловым (кривая 1) или электрическим (кривая 2). При тепловом пробое разрушается кристалл и свойства р-n-перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. е. свойства р-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

↑ Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода

Ход вольтамперной характеристики зависит от температуры. При ее повышении увеличивается число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приводит к увеличению прямого и обратного токов при тех же значениях напряжения на р-n-переходе (рис. 3.7).

↑ Емкостные свойства электронно-дырочного перехода (ЭДП)

В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДП можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные р- и n-области. Если к р- и n-областям приложить обратное напряжение, толщина p-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.

Эта емкость р-n-перехода получила название зарядной, или барьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов, или потенциального барьера на границе р- и n-областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на р-n-переходе.

Емкостные свойства р-n-перехода используются в Полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.

2.1.2. Характеристики и параметры

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода определяет зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения.

ВАХ идеального p-n-перехода определяется соотношением (2.1):

Однако в реальных диодах ВАХ отличаются от (2.1), что объясняется тем, что, во-первых, для разных типов материалов полупроводникового кристалла обратный ток насыщения сильно зависит от температуры; во-вторых, при большом обратном напряжении, при котором измеряется ток насыщения, наблюдается термогенерация носителей непосредственно в области перехода; в-третьих, в реальных диодах наблюдаются поверхностные утечки тока (дополнительные проводимости); в-четвертых, при анализе процессов в p-n -переходе не учитываются ни размеры кристалла и перехода, ни сопротивления полупроводниковых слоев, прилегающих к переходу. Наличие в полупроводниковом кристалле высокоомной области базы, которая характеризуется сопротивлением rб, приводит к тому, что прямая ветвь диода идет ниже, чем у идеального p-n -перехода.

В реальных диодах необходимо оценивать все эти явления и учитывать, что обратный ток диода складывается из теплового тока, тока термогенерации и тока утечки. В германиевых диодах основную роль играет тепловой ток, который удваивается при увеличении температуры окружающей среды на каждые 7…10 о С. Соизмерим с ним и ток утечки, но последний мало зависит от температуры, но зависит от величины обратного напряжения. В кремниевых диодах тепловой ток удваивается на каждые 8…12 о С, но он на 6…7 порядков ниже, чем у германиевых диодов. Основными составляющими обратного тока кремниевого диода являются токи термогенерации и утечки, поэтому обратный ток кремниевых диодов отличается от обратного тока германиевых диодов всего на 1,5…2 порядка, и в обоих диодах он не остается постоянным при изменении обратного напряжения, а медленно возрастает при его увеличении.

При прямом включении существенное влияние на ход ВАХ оказывает падение напряжения на сопротивлении базы диода, которое начинает проявляться уже при токах, превышающих 2…10 мА. Кроме того, прямая ветвь ВАХ отклоняется от идеальной из-за наличия токов рекомбинации в p-n-переходе, изменения (модуляции) сопротивления базы при инжекции в нее неосновных носителей. С учетом падения напряжения на базе уравнение прямой ветви может быть представлено в виде

Обычно напряжение на реальном диоде на доли вольта больше, чем в идеальном.

Для оценки ВАХ реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр, который измеряют при определенном значении обратного напряжения. В паспортных данных обычно для каждого вида диода указывается максимально допустимое значение обратного тока.

Диоды характеризуются достаточно большим числом параметров. Общими практически для всех типов являются следующие:

Iпр,макс – максимально допустимый постоянный прямой ток;

Uпр – постоянное прямое напряжение, соответствующие заданному току;

Uобр,макс – модуль максимально допустимого обратного напряжения;

Iобр,макс – максимально допустимый постоянный обратный ток;

rдиф – дифференциальное сопротивление диода в заданном режиме работы.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector