Полупроводниковые электронные приборы

В зависимости от исходного полупроводникового материала  диоды подразделяются на германиевые и кремниевые. Туннельные диоды изготовляются также на основе арсенида галлия GaAs и антимонида индия InSb. Германиевые диоды работают при температурах не выше +80 °С, а кремниевые – до +140 °С.

По конструктивно-технологическому признаку диоды делятся на плоскостные и точечные.

Точечный диод — это диод с очень малой площадью электрического перехода, который может быть получен вплавлением металлической иглы с нанесенной на неё примесью в полупроводниковую пластинку с определенным типом электропроводимости

   Применяется: - в маломощных выпрямительных  схемах

                           - для детектирования и преобразования  частоты 

                            - в измерительной аппаратуре

Плоскостные диоды изготовляются методами сплавления (вплавления) или диффузии

Применяется - в выпрямлениях, преобразованиях, генерации, стабилизации и т.д

Наиболее распространены плоскостные сплавные диоды, применение которых затруднительно лишь на повышенных частотах. Преимуществом точечных диодов является низкое значение емкости p-n-перехода, дающая возможность их работы на высоких сверхвысоких частотах.

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока низкой частоты (50-100 000 Гц). Широко применяются кремниевые выпрямительные диоды с р-n-переходом плоскостного типа, имеющие во много раз меньшие обратные токи и большие обратные напряжения по сравнению с германиевыми.

Основным элементом  выпрямительного диода является полупроводниковая пластинка, в  которой методом сплавления или  диффузии сформован р-n-переход. Кремниевый р-n-переход образуется при сплавлении исходного кристалла кремния n-типа с бором или алюминием. Для защиты от внешних воздействий, а также для обеспечения хорошего теплоотвода полупроводниковая пластинка с р-n-переходом и двумя внешними выводами от слоев p и n заключается в корпус

Выпрямительные  диоды подразделяются на диоды малой (I_{пр. ср} < 0,3 А), средней (0,3 А < I_{пр. ср} < 10 А) и большой (I_пp.ср > 10 А) мощности. Кроме того, производством серийно выпускаются выпрямительные блоки, которые содержат как последовательно, так и параллельно (для повышения прямого тока) соединенные диоды.

Высокочастотные диоды являются приборами универсального назначения. Они могут работать в выпрямителях переменного тока широкого диапазона частот (до нескольких сотен мегагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях электрических сигналов. Высокочастотные диоды содержат, как правило, точечный р-n-переход и поэтому называются точечными. По частотным свойствам точечные диоды подразделяются на две подгруппы: ВЧ (f_макс < 300 МГц) и СВЧ (f_макс > 300 МГц).

Импульсные диоды  являются разновидностью высокочастотных диодов и предназначены для использования в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах. Помимо высокочастотных свойств импульсные диоды должны обладать минимальной длительностью переходных процессов при включении и выключении. Изготовляются точечные и плоскостные диоды. Общая конструкция импульсных диодов, а также их вольтамперные характеристики практически такие же, как у высокочастотных.

Стабилитроны – это кремниевые плоскостные диоды, предназначенные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схеме при изменении в некоторых пределах тока через диод. Это полупроводниковый диод, сконструированный для работы в режиме электрического пробоя.

Варикапом называется специально сконструированный полупроводниковый диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. Значение емкости варикапа определяется емкостью его р-n-перехода и изменяется при изменении приложенного к переходу (диоду) напряжения.

Фотодиод – полупроводниковый фотоэлектрический прибор с внутренним фото-эффектом, отображающим процесс преобразования световой энергии в электрическую. Внутренний фотоэффект заключается в том, что под действием энергии светового излучения в области p-n-перехода происходит ионизация атомов основного вещества и примеси, в результате чего генерируются пары носителей заряда – электрон и дырка. Во внешней цепи, присоединенной к р-n-переходу, возникает ток, вызванный движением этих носителей (фототок).

Фотодиоды могут  работать в двух режимах: вентильном (фотогенераторном) и фотодиодном (фотопреобразовательном). В отличие от вентильного, фотодиодный  режим предполагает наличие внешнего источника питания (смещения).

При контакте двух полупроводников n- и р-типов на их общей границе создается контактная разность потенциалов. При отсутствии светового потока и нагрузки диффузионная составляющая тока р-n-перехода, уравновешивается дрейфовой составляющей тока, поэтому общий ток через переход равен нулю.

Светодиоды (электролюминесцентные диоды) преобразуют энергию электрического поля в нетепловое оптическое излучение, называемое электролюминесценцией. Основой светодиода является р-n-переход, смещаемый внешним источником напряжения в проводящем направлении. При таком смещении электроны из n-области полупроводника инжектируют в р-область, где они являются неосновными носителями, а дырки – во встречном направлении. В последующем происходит рекомбинация избыточных неосновных носителей с электрическими зарядами противоположного знака. Рекомбинация электрона и дырки соответствует переходу электрона из энергетического уровня Е_е в энергетическое состояние уровня Е_у с меньшим запасом энергии.

В германии и кремнии  ширина запрещенной зоны сравнительно невелика и поэ-тому выделяемая при  рекомбинации энергия передается в  основном кристаллической решетке  в виде тепла. Рекомбинационные процессы в арсениде галлия (GaAs), фосфиде галлия (GaP), карбиде кремния (SiC), имеющих большую ширину запрещенной зоны (например, для GaAs A = 1,38 эВ), сопровождаются выделением энергии в виде квантов света, которые частично поглощаются объемом полупроводника, а частично излучаются в окружающее пространство. Поэтому внешний квантовый выход, фиксируемый зрительно, всегда меньше внутреннего.

.Светодиоды применяются  для индикации и вывода информации  в микроэлектронных устройствах.  Управляемые светодиоды (с подвижной  границей светящегося поля) используются  для замены стрелочных приборов  как аналоги оптических индикаторов  настройки радиоаппаратуры. Светодиоды  с несколькими светящимися полями  позволяют воспроизводить цифры  от 0 до 9. Кроме того, светодиоды применяются  как источники излучения в  оптронах – приборах бурно  развивающейся оптоэлектроники.

Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором используется явление туннельного пробоя при включении в прямом направлении. Характерной особенностью туннельного диода является наличие на прямой ветви вольтамперной характеристики участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Туннельные диоды могут работать на очень высоких частотах – более 1 ГГц. В настоящее время туннельные диоды используются именно в этом качестве в области сверхвысоких частот.

 

 

 

 

 

 

 

Принцип действия транзистора

Транзистор , — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Классификация транзисторов           

По основному  полупроводниковому материалу 

Помимо основного полупроводникового материала, применяемого обычно в виде монокристалла, транзистор содержит в своей конструкции легирующие добавки к основному материалу, металлические выводы, изолирующие элементы, части корпуса (пластиковые или керамические). Иногда употребляются комбинированные наименования, частично описывающие материалы конкретной разновидности (например, «кремний на сапфире» или «металл-окисел-полупроводник»). Однако основными являются транзисторы на основе кремния, германия, арсенида галлия.

По структуре 

Биполярные

• n-p-n структуры, «обратной проводимости».
• p-n-p структуры, «прямой проводимости».

В биполярном транзисторе носители заряда движутся от эмиттера через тонкую базу к коллектору. База отделена от эмиттера и коллектора p–n переходами. Ток протекает через транзистор лишь тогда, когда носители заряда инжектируются из эмиттера в базу через p–n переход. В базе они являются неосновными носителями заряда и легко проникают через другой pn переход между базой и коллектором, ускоряясь при этом. В самой базе носители заряда движутся за счет диффузионного механизма, поэтому база должна быть достаточно тонкой. Управления током между эмиттером и коллектором осуществляется изменением напряжения между базой и эмиттером, от которой зависят условия инжекции носителей заряда в базу.

Полевые

• с p-n переходом.
• с изолированным затвором — МДП-транзистор.

В полевом транзисторе  ток протекает от истока до стока  через канал под затвором. Канал  существует в легированном полупроводнике в промежутке между затвором и  нелегированной подложкой, в которой нет носителей заряда, и она не может проводить ток. Преимущественно под затвором существует область обеднения, в которой тоже нет носителей заряда благодаря образованию между легированным полупроводником и металлическим затвором контакта Шоттки. Таким образом ширина канала ограничена пространством между подложкой и областью обеднения. Приложенное к затвору напряжение увеличивает или уменьшает ширину области обеднения и, тем самым, ширину канала, контролируя ток.

По мощности 

• По рассеиваемой в виде тепла мощности различают:
• маломощные транзисторы до 100 мВт
• транзисторы средней мощности от 0,1 до 1 Вт
• мощные транзисторы (больше 1 Вт).

По исполнению 

• дискретные транзисторы
• корпусные
• Для свободного монтажа
• Для установки на радиатор
• Для автоматизированных систем пайки
• бескорпусные 
• транзисторы в составе интегральных схем.

 

Полупроводниковый транзистор биполярного типа, представляет собой кристалл с двумя р—n-переходами; В зависимости от порядка, в котором чередуются области с разными типами проводимости, различают рnр и npn транзисторы). Средняя часть транзистора, (обладающая в зависимости от типа транзистора n- или р-проводимостью) называется его базой. Прилегающие к базе с обеих сторон области с иным, чем у нее, типом проводимости образуют эмиттер и коллeктор.

Рассмотрим кратко принцип работы транзистора биполярного типа

Для его изготовления берут пластинку из очень чистого германия с электронной проводимостью и с обеих сторон вплавляют в нее индий. Концентрация носителей в эмиттере и коллекторе, т. е. в дырочной области, должна быть больше, чем концентрация носителей в пределах базы, т. е. в электронной области. На рисунке (а) даны кривые потенциальной энергии — электронов (сплошная линия) и дырок (пунктирная линия). На переход эмиттер — база подается напряжение в проходном направлении, а на пеpеход база — коллектор подается большее напряжение в запорном направлении. Это приводит к понижению потенциального барьера на первом переходе и повышению барьера на втором (6). Протекание тока в цепи эмиттера сопровождается проникновением дырок в область базы (встречный поток электронов мал вследствие того, что их концентрация невелика). Проникнут в базу, дырки диффундируют по направлению к коллектору. Если толщина базы небольшая, почти все дырки, не успев рекомбинировать, будут достигать коллектора. В нем они подхватываются полем и увеличивают ток, текущий в запорном направлении в цепи коллектора. Всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к изменению количества дырок, проникающих в коллектор и, следовательно, к почти такому же изменению тока в цепи коллектора.. Очевидно, что изменение тока в цепи коллектора не превосходит изменения тока в цепи эмиттера, так что, казалось бы, описанное устройство бесполезно. Однако надо учесть, что переход имеет в запорном направлении гораздо большее сопротивление, чем в проходном. Поэтому при одинаковых изменениях токов изменения напряжения в цепи коллектора будут во много раз больше, чем в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор усиливает напряжения и мощности. Снимаемая с прибора повышенная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь. Германиевые транзисторы дают усиление (по напряжению и по мощности), достигающее 10000.

 

 

 

 

Схема включения транзистора с общей  базой и ее коэффициент усиления по току K_i, напряжению  K_U, по мощности K_p

 

Схема усилителя по схеме  с общей базой. 
Резистор RК являться нагрузкой транзистора и определяет его усилительные свойства,. Если RК=0 то эффект усиления напряжения не происходит, т.к. U=const. С увеличением RК растет коэффициент усиления схемы по напряжению, однако существует ограничение на RК сверху. Для данной схемы ориентировочные значения коэффициентов усиления можно определить следующим образом: 

 
Поскольку для ОБ IK ~ IЭ,RКБ||RКБ ~ RКБ, а RЭБ << RК (т.к. входной переход транзистора включен в проводящем направлении) то получим, KU>>1 Коэффициент усиления по току KI меньше 1.  

 
Следовательно, схема с ОБ усиливает напряжение, мощность, но не усиливает ток.

Коэффициент усиления по току:

K_iб=i_вх/i_вых=i_k/i_э=α<1 

Коэффициент усиления по напряжению:

K_Uб=U_вых/i_вх=i_kR_Hб/i_эR_вхб=α R_H/R_вх>1

Коэффициент усиления по мощности:

 K_Pб=K_iK_U=α² R_Hб/R_вхб>1

Здесь R_нб – сопротивление нагрузочного резистора

 в схеме с общей  базой; R_вхб – входное сопротивление усилительного каскада.

 

Общие формулы, независимые  от схемы включения транзистора:

- коэффициент усилительного  каскада по току K_i=i_вых/i_вх

- коэффициент усиления  по напряжению K_U=U_вых/U_вх                                                             –

- коэффициент усиления  по мощности K_P=K_i∙K_U  входное сопротивление каскада R_вх=U_вх/i_вх

За основной электрод, от которого отсчитываются напряжения, в данной схеме принимается база. Эмиттерная цепь – входная, а коллекторная – выходная.

Отсюда K_iб=i_вых/i_вх=i_k/i_э=α , где i_k – ток коллектора, i_э – ток эмиттера.

Соотношение между токами эмиттера, коллектора и базы для  схемы с общей базой: i_э=i_k+i_б, где i_б – ток базы.

Входящее в выражение  для коэффициента усиления по напряжению входное сопротивление для этой схемы оказывается равным R_вхб=U_эб/i_э=R_эб. Это сопротивление открытого p-n-перехода. R_эб~ 10-100 Ом.

Достоинства:

• Хорошие температурные и частотные свойства.
• Высокое допустимое напряжение

Недостатки:

• Малое усиление по току, так как α < 1
• Малое входное сопротивление
• Два разных источника напряжения для питания.