Режим работы транзистора

В собственном полупроводнике при  сильном освещении  . Из (1.38) получим:

   (1.39)

где Δn₀ - начальная концентрация неравновесных носителей заряда. Спад концентрации происходит по параболическому закону.

В донорном полупроводнике в случае полной ионизации доноров n₀ = N_D, p₀ << n₀. Будем также считать, что Δn << N_D. Уравнение (1.38) сводится к виду:

   (1.40)

где введено обозначение:

   (1.41)

Уравнение (1.40) легко решается:

   (1.42)

Величина τ имеет смысл среднего времени электронов в зоне проводимости. Полученные решения иллюстрируются на рисунке 1.10. Из (1.42) видно, что процесс  рекомбинации описывается экспоненциальной зависимостью от времени, причем среднее время жизни представляет собой такой отрезок времени, за который концентрация избыточных носителей изменяется в "е" раз.

В заключение отметим, что неравновесные  носители заряда появляются только в  том случае, если энергия фотонов при освещении полупроводника превышает ширину запрещенной зоны (hν > E_g).

Рис. 1.10. Спад неравновесной  концентрации электронов во времени в донорном полупроводнике

1.9. Уравнение непрерывности

Динамика изменения неравновесных  носителей по времени при наличии  генерации и рекомбинации в полупроводнике, а также при протекании электрического тока определяется уравнением непрерывности. Для полупроводника n-типа уравнение непрерывности будет описывать динамику изменения концентрации дырок p_n:

   (1.43)

где J_p - дырочный ток, включающий дрейфовую и диффузионную компоненту, G_p - темп генерации неравновесных носителей, а R_p - темп рекомбинации.

Уравнение непрерывности - это уравнение  сохранения числа частиц в единице  объема. Это уравнение показывает, как и по каким причинам изменяется концентрация неравновесных дырок со временем. Во-первых, концентрация дырок может изменяться из-за дивергенции потока дырок, что учитывает первое слагаемое. Во-вторых, концентрация дырок может изменяться из-за генерации (ударная ионизация, ионизация под действием света и т. д.). В-третьих, концентрация дырок может изменяться из-за их рекомбинации, что учитывает третье слагаемое.

2. Полупроводниковые диоды

Введение

Полупроводниковым диодом называют нелинейный электронный прибор с двумя выводами. В зависимости от внутренней структуры, типа, количества и уровня легирования внутренних элементов диода и вольт-амперной характеристики свойства полупроводниковых диодов бывают различными. В данном разделе будут рассмотрены следующие типы полупроводниковых диодов: выпрямительные диоды на основе p-n перехода, стабилитроны, варикапы, туннельные и обращенные диоды.

2.1. Характеристики  идеального диода на основе p-n перехода

Основу выпрямительного диода  составляет обычный электронно-дырочный переход. Как было показано в главе 2, вольт-амперная характеристика такого диода имеет ярко выраженную нелинейность, приведенную на рисунке 4.1(а,б), и описывается уравнением (4.1). В прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. В состоянии равновесия суммарный ток, обусловленный диффузионными и дрейфовыми токами электронов и дырок, равен нулю.

, (4.1)

 

 

Рис. 4.1. Параметры полупроводникового диода

а) вольт-амперная характеристика б) конструкция корпуса

Для анализа приборных характеристик  выпрямительного диода важными  являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент выпрямления, характеристичные сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

2.2. Выпрямление в  диоде

Одним из главных свойств полупроводникового диода на основе p-n перехода является резкая асимметрия вольт-амперной характеристики: высокая проводимость при прямом смещении и низкая при обратном. Это свойство диода используется в выпрямительных диодах. На рисунке 4.2(а) приведена схема, иллюстрирующая выпрямление переменного тока в диоде.

Рассмотрим, каков будет коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода. Для этого рассчитаем по уравнению (4.1) коэффициент выпрямления К как отношение прямого тока к обратному току диода при значениях напряжения U = ± 0,01 В; 0,025 В; ±0,1 В; 0,25 В; ±1 B. Получаем:

. (4.2)

Учтем, что величина b^-1 при комнатной температуре составляет b^-1 = 0,025 В. Результаты расчета приведены в следующей таблице.

 

VG, B	± 0,01	0,025	±0,1	0,25	±1
K, отн. ед.	1,0	1,1

 

Как следует из таблицы и соотношения (4.2), при значениях переменного напряжения, модуль которого V_G меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях V_G по крайней мере в 4 раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения V_G = ± 0,1 В.

2.3. Характеристическое сопротивление

 

Различают два вида характеристического  сопротивления диодов: дифференциальное сопротивление r_D и сопротивление по постоянному току R_D.

Дифференциальное сопротивление  определяется как

. (4.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D невелико и составляет значение несколько Ом. Действительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r_D будет равна r_D = 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r_D стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R_D определяется как отношение приложенного напряжения V_G к протекающему току I через диод:

. (4.4)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному  току больше, чем дифференциальное сопротивление R_D > r_D, а на обратном участке – меньше R_D < r_D.

В точке вблизи нулевого значения напряжения V_G << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (4.4), получаем:

. (4.5)

Используя характерное значение для  обратного тока диода I₀ = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R_D0 = r_D0 = 1 кОм.

 

Рис. 4.2. Приборные характеристики выпрямительных диодов

а) схема, иллюстрирующая выпрямление  переменного тока с помощью диода; б) зависимость дифференциального сопротивления диода ГД402 от величины тока при прямом смещении; в) зависимость емкости диода от обратного напряжения

2.4. Влияние температуры  на характеристики диодов

Как уже отмечалось, при прямом смещении ток диода инжекционный, большой по величине и представляет собой диффузионную компоненту тока основных носителей. При обратном смещении ток диода маленький по величине и представляет собой дрейфовую компоненту тока неосновных носителей. Зависимость тока от напряжения определяется соотношением: .

Для несимметричного p-n⁺ перехода N_A << N_D концентрация неосновных носителей в p-области существенно выше, чем в n-области n_p0 >> p_n0. Обратный ток в этом случае обусловлен дрейфовой электронной компонентой , поскольку .

Обратный ток диода в этом случае будет .

Вблизи комнатной температуры Т_к при ее небольших отклонениях можно записать: , тогда температурная зависимость тока преобразуется к следующему виду:

. (4.20)

Величина коэффициента a для различных полупроводников будет следующей: для германия a_Ge = 0,09 град^-1 до T = 70⁰, для кремния a_Si = 0,13 град^-1 до Т = 120⁰.

В практических случаях используют понятие температуры удвоения обратного  тока диода. Соотношение (4.20) преобразуется  к следующей форме, при этом

, (4.21)

где – температура удвоения тока, величина этой температуры будет равна:

T^* = 10; 8; 7; 5, при значениях a = 0,07; 0,03; 0,1; 0,13.

Из соотношения (4.21) и значения температуры  удвоения тока T^* = 10 следует простое правило: обратный ток диода удваивается при увеличении температуры на каждые 10ºС.

 

Рис. 4.8. Вольт-амперные характеристики диода ГД107

а) при прямом смещении б) при обратном смещении в) температурная зависимость прямого тока диода

 

3.Транзисторы

Биполярный  транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трёх областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

 

 

Эти области разделяются электронно-дырочными  переходами(э-д переходами). Особенность  транзистора состоит в том, что  между его э-д переходами существует взаимодействие - ток одного из электродов может управлять током другого. Такое управление возможно, потому что носители заряда, инжектированные через один из э-д переходов могут до другого перехода, находящегося под обратным напряжением, и изменить его ток.

Каждый из переходов транзистора  можно включить либо в прямом, либо в обратном направлении. В зависимиости от этого различают три режима работы транзистора:

1.Режим отсечки - оба э-д перехода закрыты, при этом через транзистор обычно идёт сравнительно небольшой ток;

2.Режим насыщения - оба э-д перехода открыты;

3.Активный режим - один из э-д переходов открыт, а другой закрыт.

В режиме отсечки и режиме насыщения  управление транзистором почти отсутствует. В активном режиме такое управление осуществляется наиболее эффективно, причём транзистор может выполнять  функции активного элемента электрической схемы.

Область транзистора, расположннная  между переходами называется базой(Б). Примыкающие к базе оласти чаще всего делают неодинаковыми. Одну из них изготовляют так, чтобы из неё наиболее эффективно происходила инжекция в базу, а другую - так, чтобы соответствующий переход наиличшим образом осуществлял экстракцию инжектированных носителей из базы.

Область транзистора, основным назначением  которой является инжекция носителей  в базу, называют эмиттером(Э), а соответствующий переход эмиттерным.

Область, основным назначением которой является экстракцией носителей из базы - коллектор(К), а переход коллекторным.

Если на Э переходе напряжение прямое, а на К переходе обратное, то включение транзистора считают нормальным, при противоположной полярности - инверсным.

Основные характеристики транзистора  определяются в первую очередь процессами, происходящими в базе. В зависимости  от распределения примесей в базе может присутствовать или отсутстввать электрическое поле. Если при отсутствии токов в базе существует электрическое поле, которое способствует вижению неосновных носителей заряда от Э к К, то транзистор называют дрейфовым, усли же поле в базе отсутствует - бездрейфовый(диффузионный).

3.1. Принцип работы транзистора

Когда ключ разомкнут, ток в цепи эмиттера(далее Э) отсутствует. При этом в цепи коллектора(К) имеется небольшой ток, называемый обратным током К и обозначаемый Iкбо. Этот ток очень мал,так как при обратном смещении К перехода потенциальный барьер велик и непреодолим для основных носителей- дырок коллектора и свободных электронов базы. К легирован примесью значительно сильнее, чем база. Вследствие этого неосновных носителей в коллекторе значительно меньше, чем в базе, и обратный ток К создаётся главным образом неосновными носителями: дырками, генерируемыми в базе в результате тепловых колебаний, и электронами, генерируемыми в К.

 

 

Замыкание ключа в цепи Э приводит к появлению тока в этой цепи, так как смещение эмиттерного p-n перехода в прямом направлении понижает потенциальный барьер для дырок, переходящих из Э в Б, и для электронов переходящих иэ Б в Э. Мы рассматриваем только дырки так как только они создают пририщение коллекторного тока. Говорят что дырки инжектируются в базу.

В базе обыкновенного транзистора  электрическое поле отсутствует, поэтому  дальнейшее движение инжектированых дырок  определяется процессом диффузии. Так  как толщина базы транзистора  много меньше длины свободного пробега  дырки до рекомбинации, то большая часть инжектированных дырок достигает коллекторного перехода, благодаря чему коллекторный ток усиливается. Лишь очень небольшая часть дырок рекомбенирует.

3.2.Параметры транзистора  как элемента цепи

Транзистор является управляемым элементом цепи. Если на входе транзистора нет управляющего сигнала , то является пассивным элементом. Если к входу транзистора приложено переменное напряжение ,то транзистор приобретает свойства активного элемента и отдаёт мощность нагрузке. В усилительном режиме на входе транзистора действует переменное напряжение, поэтому он является активным четырёхполюсником.

 

 

Если переменные напряжения на переходах  транзистора достаточно малы, токи в нём оказываются линейными функциями этих напряжений. Транзистор можно рассматривать как линейный четырёхполюсник.

Переменные величины i1, u1, i2, u2, характеризующие электрические свойства транзистора, взаимно связаны. Если любые две из них заданы, то оставшиеся определяются однозначно по параметрам транзистора. За независимые переменные можно принять две любые из этих величин, а две другие - представить в виде функции независимях переменных.