Расчет полупроводникового диода и МДП-транзистора

Введение

 

 

Полупроводниковые приборы, с момента изобретения, имеют  широкое применение в различных  сферах деятельности. В особенности, огромное распространение получили транзисторы. В связи с тем что они очень легко приспосабливаются к различным условиям применения, приборы почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности – полупроводниковая электроника. Одно из первых промышленных применений транзистор нашел на телефонных коммутационных станциях.

Сегодня транзисторы  и многотранзисторные интегральные схемы используются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах, детских  игрушках, карманных калькуляторах, системах пожарной и охранной сигнализации, игровых телеприставках и регуляторах  всех видов – от регуляторов света до регуляторов мощности на локомотивах и в тяжелой промышленности. В настоящее время «транзисторизованы» системы впрыска топлива и зажигания, системы регулирования и управления, фотоаппараты и цифровые часы[1].

Наибольшие изменения транзистор произвел, пожалуй, в системах обработки данных и системах связи – от телефонных подстанций до больших ЭВМ и центральных АТС. Космические полеты были бы практически невозможны без транзисторов. В области обороны и военного дела без транзисторов не могут обходиться компьютеры, системы передачи цифровых данных, системы управления и наведения, взрыватели, радиолокационные системы, системы связи и разнообразное другое оборудование. В современных системах наземного и воздушного наблюдения, в ракетных войсках – всюду применяются полупроводниковые компоненты. Перечень видов применения транзисторов почти бесконечен и продолжает увеличиваться[2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Принципы классификации полупроводниковых диодов          

 

  

Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов. Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

 По конструкции:

- плоскостные диоды;

- точечные диоды;

- микросплавные диоды.

 По мощности:

- маломощные;

- средней мощности;

- мощные.

 По частоте:

- низкочастотные;

- высокочастотные;

- СВЧ.

 По функциональному назначению:

- выпрямительные диоды;

- импульсные диоды;

- стабилитроны;

- варикапы;

- светодиоды;

- тоннельные диоды, …и так далее.

Условное обозначение  диодов подразделяется на два вида:

- маркировка диодов;

- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений, представленных на рисунке 1.1:

 

 

Рисунок 1.1 - Обозначение диодов

 

I – показывает материал полупроводника:

Г (1) – германий; К (2) –  кремний; А (3) – арсенид галлия.

II – тип полупроводникового диода:

Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;

А – диоды СВЧ;

C – стабилитроны;

В – варикапы;

И – туннельные диоды;

Ф – фотодиоды;

Л – светодиоды;

Ц – выпрямительные столбы и блоки.

III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе[3].

Условно-графическое  обозначение диодов представлено на рисунке 1.2:

 

 

Рисунок 1.2 - Условно-графическое обозначение диодов

 а) Так обозначают выпрямительные, высокочастотные,

СВЧ, импульсные и диоды  Гана; б) стабилитроны;

в)варикапы; г) тоннельные диоды; д) диоды Шоттки;

е)светодиоды; ж) фотодиоды; з) выпрямительные блоки

 

Конструкция полупроводниковых  диодов – рисунок 1.3. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем.

 

 

Рисунок 1.3 - Конструкция полупроводникового диода

Для плоскостного диода  на базу накладывается материал акцепторной  примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцепторной примеси в базу диода, в результате чего образуется область p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название). Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом.

Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости  они будут низкочастотными[4].

К базе точечного диода – рисунок 1.4, подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область

 

 

Рисунок 1.4 - Конструкция точечного диода

 

Получается p-n переход  очень малой площади – рисунок 1.5. За счёт этого точечные диоды будут высокочастотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер)[5].

 

 

Рисунок 1.5 - P-n переход в точечном диоде

Микросплавные диоды получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам – точечные.

Вольт-амперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального p-n перехода – рисунок 1.6: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Uа потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем.

 

 

Рисунок 1.6 – Вольт-амперная характеристика p-n перехода

 

Кривая обратного тока ВАХ – рисунок 1.7, имеет наклон, так как за счёт возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носителей заряда[6].

 

 

Рисунок 1.7 - Кривая вольт-амперной характеристики

 

1. Выпрямительные диоды

 

 

Выпрямительным диодом называется полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный в силовых цепях, то есть в источниках питания. Выпрямительные диоды всегда плоскостные, они могут быть германиевые или кремниевые. Германиевые диоды лучше кремниевых тем, что имеют меньшее прямое падение напряжения. Кремниевые диоды превосходят германиевые по диапазону рабочих температур, по максимально допустимому обратному напряжению, а также имеют меньший обратный ток.

Если выпрямленный ток  больше максимально допустимого прямого тока, в этом случае допускается параллельное включение диодов – рисунок 1.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.8. – Параллельное включение выпрямительных диодов

 

Добавочные сопротивления  величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью выравнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в  цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов - рисунок 1.9[7].

 

 

Рисунок 1.9 – Последовательное включение выпрямительных диодов

 

Шунтирующие сопротивления  величиной несколько сот кОм включают для выравнивания падения напряжения на каждом из диодов.

Диоды в схемах выпрямителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток – малый КПД[8].

На рисунках представлены однополупериодный диод – рисунок 1.10, и его вольт-амперная характеристика - рисунок 1.11.

 

 

Рисунок 1.10 – Однополупериодный диод

 

 

Рисунок 1.11 - Вольтамперная характеристика

выпрямительного диода

 

Значительно чаще применяются  двухполупериодные выпрямители, представленные на рисунке 1.12.

 

Рисунок 1.12 – Двухполупериодный выпрямитель

 

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 – закрыты. Ток  будет протекать по пути: верхняя  ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-). В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагрузка, диод VD2, верхняя ветвь (-). Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода. Схема выпрямителя называется двухполупериодной. Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторичной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах - рисунок 1.13[9].

 

 

Рисунок 1.13 – Двухполупериодный выпрямитель на двух диодах

 

1.2 Импульсные  диоды

 

Импульсные диоды – рисунок 1.14, предназначены для работы в импульсных цепях с длительностями импульсов от нескольких нс до нескольких мкс. Рассмотрим работу обычного p-n перехода при подаче на него импульсного напряжения.

 

 

Рисунок 1.14 – Импульсный диод

 

 

Вольт-амперная характеристика импульсного диода представлена на рисунке 1.15:

 

 

Рисунок 1.15 – Вольт-амперная характеристика

импульсного диода

 

В промежуток времени от 0 до p-n переход закрыт (обратным напряжением пренебрегаем). В момент p-n переход открывается, но ток через него и через нагрузку достигает своего максимального, то есть установившегося значения, не мгновенно, а за время t_уст, которое необходимо для заряда барьерной ёмкости p-n перехода. В момент времени p-n переход почти мгновенно закрывается. Область p-проводимости оказывается насыщенной неосновными носителями зарядов, то есть электронами. Не успевшие рекомбинировать электроны под действием поля закрытого p-n перехода возвращаются в n-область, за счёт чего сильно возрастает обратный ток. По мере ухода электронов из p-области обратный ток уменьшается, и через время t_восст p-n переход восстанавливает свои «закрытые» свойства. В импульсных диодах время восстановления и установления должны быть минимальными. С этой целью импульсные диоды конструктивно выполняются точечными или микросплавными. Толщина базы диода делается минимальной. Полупроводник легируют золотом для увеличения подвижности электронов. Вместо золота также можно использовать серебро, медь, никель, палладий и другие легирующие вещества этого ряда металлов.[10].

 

 

2 Классификация и основные  особенности транзисторов

 

 

Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

-  По материалу полупроводника  – обычно германиевые или кремниевые;

- По типу проводимости  областей (только биполярные транзисторы): с прямой (p-n-p - структура) или обратной проводимостью (n-p-n - структура);

- По принципу действия  транзисторы подразделяются на  биполярные и полевые (униполярные);

-  По частотным свойствам;

• НЧ (<3 МГц);
• СрЧ (3 30 МГц);
• ВЧ и СВЧ (>30 МГц);

- По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3 - 3 Вт), мощные (>3 Вт)[11]. Маркировка транзисторов представлена на рисунке 2.1.

 

 

Рисунок 2.1 – Маркировка транзисторов

I – материал полупроводника: Г – германий, К – кремний.

II – тип транзистора  по принципу действия: Т – биполярные, П – полевые.

III – три или четыре  цифры – группа транзисторов по электрическим параметрам. IV – модификация транзистора в 3-й группе.

 

Первая цифра показывает частотные свойства и мощность транзистора  в соответствии с ниже приведённой  таблицей 1.

 

Таблица 1

 

Устройство биполярных транзисторов – рисунок 2.2. Основой биполярного транзистора является кристалл полупроводника p-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой. Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противоположным типом проводимости, нежели база[12].

 

 

Рисунок 2.2 – Устройство биполярного транзистора.

 

Область, имеющая бoльшую  площадь p-n перехода, и вывод от неё  называют коллектором. Область, имеющая  меньшую площадь p-n перехода, и вывод  от неё называют эмиттером. P-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмиттером и базой – эмиттерным переходом.

Направление стрелки  в транзисторе показывает направление  протекающего тока. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носителей заряда максимальная. В коллекторе – несколько меньше, чем в эмиттере. В базе – во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.