Файл: Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника.pdf

объеме запорного слоя количество пар электрон — дыр­ ка, генерируемых за счет лавинного процесса, увеличи­ вается.

Если к положительной части запорного слоя (п-об­ ласть) подключить отрицательный зажим внешнего ис­ точника напряжения, а к отрицательной части запорного слоя (р-область) — положительный зажим источника, то р—п переход оказывается смещенным в отпирающем направлении (рис. 17). При увеличении отпирающего напряжения запорный слой делается тоньше и при неко­ тором напряжении полностью ликвидируется. В резуль­ тате уменьшения толщины запорного слоя при измене­ нии отпирающего напряжения происходит изменение сопротивления р—п перехода. Поэтому ток р—п перехода при прямом смещении нелинейно зависит от напряжения. Изменение тока через р—п переход при прямом и обрат­ ном смещении отражает следующая формула:

I

44

q— заряд электрона;

к■— постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Поскольку неподвижные ионы двойного запорного слоя являются хранителями заряда, для увеличения или уменьшения двойного запорного слоя при изменении внешнего напряжения AU требуется затратить некоторое количество электрического заряда Aq.

„ Дq

Этот эффект обусловливает емкость С= —— перехо­

да, которая называется барьерной или зарядной. При прямом смещении перехода барьерная емкость уменьша­ ется с уменьшением запорного слоя. Однако при этом возникает накопление в базе неосновных носителей (ос­ новных носителей эмиттерной области, пролетевших в базу), которое при изменении напряжения AU требует отдачи некоторого количества электрического заряда

Aq.

Этот эффект обусловливает так называемую диффу­ зионную емкость перехода.

Значительное уменьшение барьерной емкости перехо­ да при прямом его смещении сопровождается незначи­ тельным ростом диффузионной емкости, в результате че го крутизна уменьшения суммарной емкости при увели­ чении прямого смещения значительно ниже, чем при уменьшении обратного смещения.

§ 3. Конструкция точечных и плоскостных диодов

Двухэлектродные полупроводниковые приборы (дио­ ды) по геометрии р—п перехода подразделяются на два существенно различных вида — точечные и плоскостные.

Точечные и плоскостные диоды различаются не толь­ ко по конструкции, но и своими электрическими свойст­ вами. В точечных диодах р—п переход образован в точ­ ке соприкосновения тонкой заостренной проволочки с пластинкой германия или кремния п-проводимости. Контактная проволочка содержит р-примеси. При про­ пускании через диод кратковременного импульса тока большой амплитуды контактная проволочка приварива­ ется к пластинке полупроводника п проводимости, в ре­ зультате чего на пластинке в месте контакта создается

45

небольшая точечная p-область, образующая с полупро­ водником n-проводимости р—п переход.

У точечных диодов площадь р—п перехода крайне мала. Поэтому межэлектродная емкость точечных диодов также невелика и не превышает одной пикофарады. Ма­ лая площадь р—п перехода обусловливает также высокое дифференциальное сопротивление точечных диодов в прямом направлении и высокое сопротивление в обрат­ ном направлении (малый обратный ток).

Из-за малой площади р—п перехода точечный диод имеет малый предельно допустимый ток (10—50 мА). Характерной особенностью точечных диодов является тепловой пробой, ярко выраженный падающим участком на вольт-амперной характеристике диода при обратном смещении (рис. 18, а).

Явление теплового пробоя диода связано с совмест­ ным действием нагрева полупроводника при протекании тока и увеличения обратного тока диода при повышении температуры. Первое явление можно рассматривать как эффект прямой передачи, второе — как эффект положи­ тельной обратной связи.

При напряжениях, близких к напряжению лавинно­ го пробоя, в результате значительного увеличения обрат­ ного тока и, соответственно, значительного увеличения температуры перехода, температурная изменчивость об­ ратного тока существенно возрастает. В результате этого петлевое усиление в цепи температурной положительной обратной связи становится равным единице и диод как

Рис. 18. Пробой точечного диода и кремниевого диода стабилитрона:

а — вольт-амперная характеристика точечного диода; б — вольт-ампер- ная характеристика стабилитрона

46

система с глубокой положительной связью теряет стати­ ческую устойчивость.

Плоскостные диоды по способу изготовления р—п пе­ рехода подразделяются, в основном, на сплавные и диф­ фузионные.

В сплавных плоскостных диодах р—п переход обра­ зуется путем вплавления в полупроводник п-проводи- мости трехвалентного металла. В сплавных плоскостных диодах площадь р—п перехода существенно больше, чем у точечных диодов, и может достигать нескольких квад­ ратных сантиметров. Поэтому дифференциальное сопро­ тивление сплавных диодов значительно ниже, чем точеч­ ных. Однако у сплавных диодов соответственно больше обратный ток и межэлектродная емкость (до 10 000 пФ).

Диффузионные плоскостные диоды изготовляются пу­ тем осаждения на поверхность полупроводника р.-прово­ димости пятивалентных примесей с последующей терми­ ческой обработкой, при которой происходит диффузия атомов п-примеси в полупроводник р-проводимости и об­ разование р—п перехода. Возможно также изготовле­ ние диодов диффузионным способом путем нанесения на поверхность пластины из чистого полупроводникового материала с одной стороны — трехвалентной примеси, с другой стороны — пятивалентной примеси.

Обработанная таким образом пластина полупровод­ никового материала (например, кремния с примесью бо­ ра и фосфора) далее подвергается термообработке. Диф­ фузионным способом можно изготавливать диоды с пло­ щадью до нескольких квадратных сантиметров. Та­ ким методом удается производить мощные полупровод­ никовые диоды с предельным прямым током, достигаю­ щим нескольких десятков и даже сотен ампер.

Разновидностью кремниевых плоскостных диодов сплавной технологии являются кремниевые стабилитро­ ны. Кремниевые стабилитроны при обратном смещении представляют собой нелинейность вида «генератор нап­ ряжения», то есть способны при изменении тока в опре­ деленных пределах поддерживать неизменное напряже­ ние на своих зажимах (рис. 18, б). Такую вольт-ампер- ную характеристику стабилитроны имеют за счет явле­ ния лавинного и полевого пробоя. Кремниевые стабилит­ роны эксплуатируются при сравнительно незначительных токах, так что лавинный пробой р—п перехода носит

47

обратимый характер, то есть не сопровождается разру­ шением перехода.

Основные параметры кремниевого стабилитрона: нап­ ряжение стабилизации Нст, максимальный ток стабили­ зации / максмаксимальная рассеиваемая мощность ^макс и температурный коэффициент напряжения ТКН.

§ 4. Конструкция и принцип действия полупроводникового триода (транзистора)

Полупроводниковый триод — транзистор представля­ ет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередованием полупроводниковых слоев р- и п-прово- димости (рис. 19). По принципу действия транзистор представляет собой совокупность двух р—п переходов, соединенных базами настолько близко, что становится возможен пролет неосновных носителей через базовую область из одного р—п перехода в другой р—п переход.

Один из внешних слоев полупроводникового триода выполняет роль эмиттирующего электрода и называет­ ся эмиттером, другой внешний слой выполняет роль со­ бирающего электрода и называется коллектором. Внут­ ренний слой имеет по сравнению с внешними слоями меньшую концентрацию примесей и поэтому является ба­ зой, то есть областью, внутри которой формируются за­ порные слои р—п переходов. База транзистора выполня­ ет функцию управляющего электрода. Транзисторы с ба­ зой n-проводимости и внешними слоями р-проводимости называются транзисторами рпр типа (рис. 19, а). Тран­ зисторы, в которых база состоит из материала р-прово- димости, а внешние слои из материала п-проводимости, называются транзисторами прп типа (рис. 19, б).

По электрическим свойствам и принципу действия транзисторы рпр типа и прп типа тождественны и раз­ личаются лишь направлением прохождения управляю­ щего и выходного тока. В графическом обозначении транзисторов рпр и прп типа направлению управляюще­ го и выходного тока соответствует направление стрелки, обозначающей эмиттер (рис. 19, в, г.).

Когда транзистор применяется в качестве усилителя, один из электродов используется как общий для входной и выходной цепи. На практике применяются все три способа включения транзисторов в усилительной схеме:

48

с общим эмиттером, с общей базой и общим коллекто­ ром (рис. 20).

Несмотря на то, что схемы с общим эмиттером, об­ щей базой и общим коллектором имеют различные электрические свойства, принцип действия транзистора в них один. Удобно принцип действия транзистора рассмат­ ривать на примере схемы с общим эмиттером.

Напомним, что в полупроводниковых материалах даже при обычных комнатных температурах содержится достаточное количество носителей, способных участво­ вать в перемещении электрического заряда. Поэтому в эмиттерной и коллекторной областях содержится доста­ точное количество дырок, могущих участвовать в переме­ щении заряда. Однако, если входной сигнал отсутствует или имеет запирающую полярность, то запорный слой эмиттерного перехода препятствует прохождению эмиттерных дырок в базовую область. Дырки коллекторной области не могут пройти через коллекторный переход, поскольку этот переход смещен в запирающем направле­ нии напряжением источника питания Ек. Поэтому при отсутствии входного сигнала через коллекторный пере­ ход проходит только обратный ток коллекторного р—п перехода / к. 0.

При появлении на входе транзистора сигнала отпи­ рающей полярности пространственный заряд эмиттерно­ го запорного слоя уменьшается. Поэтому под действием сил градиента концентрации эмиттерцые дырки проника­ ют (инжектируются) в базовую область. Эти дырки ча­ стично рекомбинируют в базе, создавая базовый ток, а в большей своей части под действием сил отрицательного пространственного заряда коллекторного перехода втя­ гиваются в коллекторную область и образуют коллектор­ ный ток. Полупроводниковые приборы конструируются таким образом, чтобы коллекторный ток не менее чем в 10 раз превышал базовый ток.

Управление большими выходными токами при помо­ щи незначительных входных токов и есть усиление по то­ ку. В системе h параметров коэффициент усиления по то­

50