Фотодиоды, полупроводниковые фотоэлементы и светодиоды

В этих трёх типах диодов используется эффект взаимодействия оптического излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое p-n -перехода возникает видимое или инфракрасное излучение.

Магнитодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действием магнитного поля.

В качестве магнитодиодов используют выпрямительные диоды на основе германия или кремния с увеличенной толщиной полупроводникового материала. Основным параметром магнитодиода является его чувствительность

,

где и — приращение соответственно прямого напряжения и магнитной индукции. Диапазон значений γ=(10 ¸·50) ·10³В/(Тл ·мА).

Тензодиод — полупроводниковый диод, в котором используется изменение вольт-амперной характеристики под действинм механических деформаций.

В качестве тензодиодов обычно применяют туннельные диоды, у которых отдельные участки вольт-амперной характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

2. Устройство и принцип действия биполярного транзистора

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый при­бор, имеющий два электронно-дырочных перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. Эти переходы образуют в полупровод­нике три области с различными типами электропроводности. Одна край­няя область называется эмиттером (Э), другая —коллектором (К), средняя — базой (Б). К каждой области припаивают металлические выводы для включения транзистора в электрическую цепь.

Электропроводность эмиттера и коллектора противоположна электро­проводности базы. В зависимости от порядка чередования р - и n - областей различают транзисторы со структурой р-n-р (рис. 1, а) и n-р-n (рис. 1,б). Условные графические обозначения транзисторов р-n-р и n-р-n отличаются лишь направлением стрелки у электрода, обозна­чающего эмиттер. Принцип работы транзисторов р-n-р и n-р-n одинаков, поэтому в дальнейшем будем рассматривать лишь работу транзи­стора со структурой р-n-р

Рис. 1. Структуры и условные графические обозначения биполярных тран­зисторов типа р-n-р (а) и n-р-n (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, а коллектором и базой — коллекторным. Расстояние между переходами очень мало: у высокочастотных транзисторов оно менее 10 микрометров (1 мкм = 0,001 мм), а у низко­частотных не превышает 50 мкм.

 

3. Режимы работы биполярного транзистора

 

В зависимости от способа подключения р-n -переходов транзистора к внешним источникам питания он может работать в режиме отсечки, насыщения или активном режиме.

Режим отсечки транзистора получается тогда, когда эмиттерный и коллекторный p-n-переходы подключены к внешним источникам в обратном направлении (рис. 2, а). В этом случае через оба р-n -перехода протекают очень малые обратные токи эмиттера (Iэбо) и коллекто­ра (Iкбо). Ток базы равен сумме этих токов и в зависимости от типа транзистора находится в пределах от единиц микроампер — мкА (у крем­ниевых транзисторов) до единиц миллиампер — мА (у германиевых транзисторов).

Если эмиттерный и коллекторный р-n -переходы подключить к внешним источникам в прямом направлении, транзистор будет находиться в режиме насыщения (рис. 2,6). Диффузионное электрическое поле эмиттерного и коллекторного переходов будет частично ослаблять­ся электрическим полем, создаваемым внешними источниками UЭБи Uкб. В результате уменьшится потенциальный барьер, ограничивавший диффузию основных носителей заряда, и начнется проникновение (инжекция) дырок из эмиттера и коллектора в базу, то есть через эмиттер и коллектор транзистора потекут токи, называемые токами насыщения эмиттера (Iэ. нас) и коллектора (Iк. нас).

Режимы отсечки и насыщения используются при работе транзисторов в импульсных схемах и в режиме переключения. Для усиления сигналов применяется активны и режим работы транзистора.

При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный пере­ход включается в прямом, а коллекторный — в обратном направлениях (рис. 3). Под действием прямого напряжения Uэб происходит инжекция дырок из эмиттера в базу. Попав в базу n -типа, дырки становятся в ней неосновными носителями заряда и под действием сил диффузии движутся (диффундируют) к коллекторному р-n -переходу. Часть дырок в базе заполняется (рекомбинирует) имеющимися в ней свободными электронами. Однако ширина базы небольшая — от нескольких единиц до 10 мкм. Поэтому основная часть дырок достигает коллекторного р-n -перехода и его электрическим полем перебрасывается в коллектор. Очевидно, что ток коллектора IКр не может быть больше тока эмиттера, так как часть дырок рекомбинирует в базе. Поэтому

Iкр=h_21БI_Э

Величина h_21Б называется статическим коэффициентом передачи тока эмиттера. Для современных транзисторов h_21Б = 0,90...0,998.

Так как коллекторный переход включен в обратном направлении (часто говорят — смещен в обратном направлении), через него проте­кает также обратный ток I_КБО, образованный неосновными носителями базы (дырками) и коллектора (электронами). Поэтому полный ток кол­лектора транзистора, включенного по схеме, приведенной на рис. 3,

I_К = h_21БI_Э + I_КБО.

Дырки, не дошедшие до коллекторного перехода и прорекомбинировавшие (заполнившиеся) в базе, сообщают ей положительный заряд.

 

а б Рис. 2. Токопрохождение в транзисторе в режимах отсечки (а) и насыще­ния (б)

 

 

Рис. 3. Включение транзистора в активном режиме работы по схеме с общей базой

Для восстановления электрической нейтральности базы в нее из внешней цепи поступает такое же количество электронов. Движение электронов из внешней цепи в базу создает в ней рекомбинационный ток I_б.рек. Помимо рекомбинационного через базу протекает обратный ток коллектора в противоположном направлении и полный ток базы

I_Б = I_Б.рек — I_КБО.

В активном режиме ток базы в десятки и сотни раз меньше тока кол­лектора и тока эмиттера.