Электрические переходы в полупроводниках

 

Основные вопросы, подлежащие изучению

 

Классификация электрических переходов.

Электронно-дырочный переход в равновесии, при прямом и обратном включении. Физические процессы при этом.

Вольт - амперная характеристики идеализированного и реального электронно-дырочного переходов. Виды пробоя электронно-дырочного перехода.

Барьерная и диффузионная емкости перехода. Эквивалентная схема перехода.

Переход металл - полупроводник. Физические процессы в нем и вольт - амперная характеристика.

 

Пояснения к изучаемым вопросам

 

Следует отметить особую важность данного раздела, поскольку все без исключения полупроводниковые приборы представляют собой комбинации переходов различного типа. Центральным в разделе следует считать изучение свойств электронно-дырочного перехода.

Основные физические процессы в контакте полупроводников различного типа электрической проводимости выявляются при рассмотрении его равновесного состояния, т. е. когда внешнее напряжение равное нулю.

Происходящее на границе разделение свободных носителей тока формирует два равных тока, текущих навстречу друг другу. Один ток по природе своей является диффузионным (ток основных носителей), другой ток - дрейфовым (ток неосновных носителей). Равновесию этих двух токов соответствует некоторое внутреннее напряжение на электронно-дырочном переходе, называемом контактной разностью потенциалов.

Внешнее напряжение в зависимости от полярности существенно по-разному влияет на токи перехода. Говорят, что электронно-дырочный переход обнаруживает свойство односторонней проводимости. Указанное свойство можно количественно рассмотреть с помощью вольт - амперной характеристики перехода, заданной графически или аналитически.

Динамические характеристики электронно-дырочного перехода в значительной мере определяются его емкостями: диффузионной и барьерной. На различную физическую природу этих емкостей и отличие диффузионной емкости от обычной электрической емкости тела должно быть обращено серьезное внимание при изучении раздела.

Для небольшого переменного напряжения электронно-дырочный переход можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из сопротивлений и емкостей. Эта схема используется при линейном анализе и синтезе различных электронных устройств, содержащих полупроводниковые диоды.

В принципе любой электронно-дырочный переход имеет еще два перехода типа металл-полупроводник на участках нанесения металлического контакта. Этот переход должен обладать малым сопротивлением, независимым от величины и направления тока. Получение такого контакта, называемого омическим, достигается выбором металла, создающего обогащенные слои на поверхности полупроводника. Интересно заметить, что у контакта металла с дырочным полупроводником при прохождении тока происходит интенсивный процесс рекомбинации. При этом сохраняется непрерывность потока носителей, хотя в металле ток переносится электронами, а в дырочной области перехода - дырками. В переходе металл - полупроводник возможно создание и несимметричной вольт - амперной характеристики, и тогда контакт называют выпрямляющим. В пособиях [1, с. 28-61], [2, с. 52-88], [3, с. 42-56, 60-71] материал раздела дан с достаточной полнотой.

 

Контрольные вопросы

 

1. Как возникает p-n переход при идеальном контакте полупроводников с разным типом электропроводности?

2. Существует ли движение носителей через p-n переход при отсутствии внешнего напряжения?

3. Каково соотношение между токами дрейфа и диффузии при прямом и обратном напряжениях на p-n переходе?

4. Как рассчитать по вольт-амперной характеристике p-n перехода величину его сопротивления для постоянного и переменного сигналов при прямом и обратном напряжениях?

5. Почему величина барьерной емкости зависит от приложенного напряжения?

6. Какова физическая природа диффузионной емкости p-n перехода? Почему ее величина зависит от прямого тока?

7. Как выбирается металл для создания омических или выпрямляющих контактов с полупроводником?

 

Полупроводниковые диоды

 

Основные вопросы, подлежащие изучению

 

Принцип классификации полупроводниковых диодов.

Выпрямительные диоды, универсальные диоды, импульсные диоды,

стабилитроны и варикапы.

 

Пояснения к изучаемым вопросам

 

Основным признаком, по которому производится классификация полупроводниковых диодов, является область применения. Рассмотрение каждого типа диодов лучше всего производить по такой схеме: назначение прибора, его вольт-амперная характеристика, справочные параметры, особенности конструкции, особенности применения.

Материал раздела достаточно полно изложен в пособиях [1, с. 62-66], [2, с. 97-130], [3, с. 56-62, 71-92].

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие особенности имеют характеристики выпрямительных, детекторных, импульсных диодов?

2. Какие справочные параметры приводятся для указанных типов полупроводниковых диодов?

3. Какие особенности имеют характеристики стабилитронов? Какие справочные параметры приводятся для них?

4. Что представляет собой вольт-фарадная характеристика варикапа? Какие справочные параметры приводятся для них?

5. Каковы основные области применения металло-полупроводниковых диодов (диодов Шоттки)?

 

Биполярные транзисторы

 

Основные вопросы, подлежащие изучению

 

Токопрохождение в транзисторе, физические процессы в базе, эмиттерном и коллекторном переходах прибора.

Режимы работы и схемы включения транзистора.

Уравнения коллекторного тока для различных схем включения.

Статические характеристики транзистора в схемах с общей базой и общим эмиттером, влияние температуры на статические характеристики.

Рабочая область характеристик, ее зависимость от температуры.

Дифференциальные параметры транзистора, их определение по характеристикам и измерение на переменном токе.

Эквивалентные схемы биполярного транзистора на низкой и высокой частотах.

Усилительный режим работы транзистора. Параметры усилительного режима.

Ключевой режим работы биполярного транзистора.

 

Пояснения к изучаемым вопросам

 

Этот самый большой по объему раздел охватывает полное описание биполярного транзистора от физических принципов его работы до эффектов, проявляющихся на высокой частоте и в импульсном режиме.

Протекание токов через переходы и базовую область транзистора, их природа и механизм движения носителей объясняются с привлечением понятий коэффициента инжекции, коэффициента переноса, коэффициента умножения. Важнейший параметр биполярного транзистора - коэффициент передачи эмиттерного тока - учитывает влияние всех этих физических процессов и определяется произведением указанных коэффициентов. Действие транзистора можно представить в виде суммарного взаимного действия эмиттерного и коллекторного переходов.

Режимы работы транзистора зависят от способов включения его переходов.

При работе транзистора в электронных узлах его можно включить по схеме с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором.

Обычно статические характеристики для различных схем включения заданы в виде графиков, взятых из справочника или снятых экспериментально.

Для расчета биполярного транзистора при малых электрических сигналах

целесообразно пользоваться линейной эквивалентной схемой. На низкой частоте эту схему лучше всего представить с помощью h-параметров прибора которые берутся из справочника или определяются по характеристикам.

При переходе к рассмотрению работы биполярного транзистора на высокой частоте следует обратить внимание на зависимость Н-параметров от частоты и методы улучшения частотных параметров.

При расчете параметров усилительного режима транзистора используются либо статические характеристики (при усилении сигнала с большой амплитудой), либо h-параметры (при усилении сигнала с малой амплитудой).

Биполярный транзистор можно использовать в электронных устройствах в качестве ключа - элемента, функция которого состоит в замыкании и размыкании электрической цепи. Имея малое сопротивление во включенном состоянии и большое - в выключенном, биполярный транзистор является одним из наиболее распространенных электронных ключей.

Переходные процессы при переключении транзистора имеют важную особенность, связанную с накоплением заряда в базовой области прибора в режиме насыщения. Уменьшение этого эффекта существенно улучшает быстродействие транзисторных ключей.

Для самостоятельной проработки раздела можно рекомендовать [1, с. 70-131], [2,с. 140-197], [3, с.167-175].

 

Контрольные вопросы

 

1. Как зависят от удельной электрической проводимости областей транзистора коэффициент инжекции, коэффициент переноса и коэффициенты передачи тока эмиттера и базы?

2. За счет чего происходит усиление по мощности входного сигнала в схеме включения биполярного транзистора с общей базой?

3. Какие составляющие имеют ток базы биполярного транзистора?

4. Как отличаются статические характеристики транзистора для схемы включения с общей базой и общим эмиттером?

5. Чем определяется рабочая область характеристик транзистора?

6. Как проявляется влияние температуры на статические характеристики германиевых и кремниевых транзисторов и рабочую область?

7. Как определяются h - параметры транзистора по его статическим характеристикам?

8. Как определяются Н-параметры транзистора на переменном токе?

9. Какай вид имеет эквивалентная схема биполярного транзистора для малого переменного сигнала низкой частоты?

10. Какие физические процессы уменьшают усиление в биполярном транзисторе сигналов высокой частоты?

11. Почему частотная характеристика коэффициента передачи тока у транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, хуже, чем у транзистора, включенного по схеме с общей базой?

12. Какой вид имеет эквивалентная схема биполярного транзистора для малого переменного сигнала высокой частоты?

13. Какие можно рекомендовать способы улучшения частотных свойств биполярного транзистора?

14. Каким образом можно рассчитать усилительные параметры транзистора?

15. Чем объясняется широкое применение биполярных транзисторов в качестве электронных ключей?

 

Тиристоры

 

Основные вопросы, подлежащие изучению

 

Принципы работы управляемого и неуправляемого тиристоров.

Вольт - амперная характеристика тиристора.

Параметры прибора, особенности применения.

 

Пояснения к изучаемым вопросам

 

Тиристоры занимают особое место среди полупроводниковых приборов. Основное назначение их состоит в переключении с небольшой скоростью электрических сигналов относительно большой мощности. Именно в этом случае применения они имеют характеристики лучше, чем ключевые биполярные и полевые транзисторы.

В тиристоре (при положительном напряжении на аноде) имеются три взаимодействующих перехода, два из которых являются эмиттерами p-n-p и n-p-n транзисторов, а третий - выполняет функции коллектора. В этой системе переходов используется взаимозависимость токов инжекции эмиттерных переходов и влияние их на сопротивление коллекторного перехода. Эта взаимозависимость создает в тиристорной структуре положительную обратную связь, в результате чего скачком увеличивается ток прибора.

Во включенном состоянии коллекторный переход под действием накопленного в базах заряда оказывается смещенным в прямом направлении. При этом остаточное анодное напряжение определяется в основном напряжением на одном электронно-дырочном переходе, включенном в прямом направлении. Напряжения на двух других переходах компенсируют друг друга. Падения напряжений на базах тиристора и на внешних областях структуры обычно незначительны. Очень важно, что в этом случае остаточное анодное напряжение почти не зависит от величины протекающего тока, который при соответствующей конструкции прибора может достигать сотен ампер.

Материал раздела хорошо и кратко изложен в [1, с. 132-145], [2, с. 245-258], [3, с. 175-182].

 

Контрольные вопросы

 

1. Объясните принцип работы диодного тиристора.

2. Как осуществляется управление переключением триодного тиристора?

3. Как называются внешние выводы тиристора и внутренние области p-n-p-n структуры?

4. Приведите классификацию современных тиристоров.

5. Какие особенности имеет импульсный режим тиристора?

6. Укажите особенности применения различных типов тиристоров.

7. Какие особенности триодного тиристора отличают его от биполярного транзистора в ключевом режиме?

 

Полевые транзисторы

 

Основные вопросы, подлежащие изучению

 

Полевой транзистор с управляющим электронно-дырочным переходом.

Полевой транзистор с затвором Шоттки.

Полевой транзистор с изолированным затвором.

Параметры полевых транзисторов и их эквивалентные схемы.

Применение полевых транзисторов и сравнение их с биполярными приборами.

 

Пояснения к изучаемым вопросам

 

Наряду с биполярным транзистором полевой (униполярный) транзистор является широко применяемым электронным прибором. Принцип работы приборов с полевым управление тока и их основные особенности лучше всего рассмотреть на примере транзистора с управляющим электронно-дырочным переходом. Механизм действия этого транзистора достаточно прост и хорошо изложен во всех рекомендуемых пособиях. Однако иногда имеются разночтения в трактовке формирования пологой части статических характеристик и работы прибора в этом режиме. Предлагается следующее объяснение перехода на выходной характеристике от крутой части к пологой. При некотором напряжении на стоке U_{СИ НАС} - напряжении насыщения происходит перекрытие канала из-за увеличения толщины p-n перехода затвора. Следует, однако, учитывать условность понятия «перекрытие», так как оно является следствием протекания тока. Таким образом, при увеличении напряжения на стоке автоматически устанавливается некоторое малое сечение канала у стокового электрода. При дальнейшем увеличении напряжения на стоке увеличивается длина перекрытой части канала. Если бы длина перекрытой части увеличивалась пропорционально напряжению на стоке, то ток стока не зависел бы от напряжения и выходная характеристика не имела бы наклона. Обычно длина перекрытой части увеличивается пропорционально либо корню квадратному, либо корню кубическому из напряжения на стоке. Поэтому в пологой части выходных характеристик наблюдается некоторое возрастание тока стока при увеличении напряжения на нем.

Для малого переменного сигнала полевой транзистор представляет собой линейный четырехполюсник и может описывать с помощью электрических параметров и представляется в виде линейной эквивалентной схемы. Для анализа работы прибора на высоких частотах удобно представить его в виде физической схемы замещения, модели [3, с. 192-194]. Схема состоит из элементов, величина которых не зависит от частоты. Однако с ее помощью определяются частотные зависимости всех дифференциальных параметров транзистора.

Особенно эффективным явилось выполнение затвора на барьере Шоттки. В этом случае область затвора сосредоточена на поверхности полупроводника. Использование для затвора перехода металл-полупроводник с одновременным применением материала с высокой подвижностью носителей (например, в GaAs подвижность электронов m_n в 6,5 раз больше чем в кремнии) позволило создать самые высокочастотные полевые транзисторы, работающие в диапазоне десятков гигагерц.

Полевой транзистор с изолированным затвором использует особый способ управления током. Если в приборе с управляющим электронно-дырочным переходом под действием напряжения на затворе изменяются геометрические размеры канала, то в транзисторе МДП изменяется электропроводность канала, формирующегося вблизи поверхности полупроводника. Следует заметить, что распределение концентрации носителей вдоль канала МДП прибора повторяет геометрический профиль канала с управляющим p-n переходом. Это обстоятельство приводит к идентичному виду статических характеристик у приборов обоих типов. Хотя, конечно, остаются различия в величинах и знаках напряжения на электродах.

При расчетах устройств на полевых транзисторах используются Y-параметры, которые можно определить по статическим характеристикам или измерить на переменном токе.

Среди многочисленных применений полевых транзисторов особенно выделяются те, где они имеют существенные преимущества по сравнению с биполярными приборами. Прежде всего, это усиление очень малых сигналов от источников с высоким внутренним сопротивлением, когда наилучшим образом используется малый уровень собственных шумов полевого транзистора. Кроме того, весьма распространено использование крутой начальной части выходных характеристик полевого транзистора для применения его в качестве аттенюатора переменного сигнала с электронной регулировкой.

Данный раздел наиболее подробно изложен в пособиях [1, с. 146-185], [ 2, с. 205-244] и [3, с. 183-211].

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте классификацию современных полевых транзисторов.

2. Объясните принцип работы полевого транзистора с управляющим p-n переходом.

3. Какими физическими явлениями определяется величина выходного сопротивления полевого транзистора?

4. Для какой цели может использоваться начальный крутой участок выходных характеристик полевого транзистора?

5. Объясните принцип работы МДП транзистора с индуцированным и встроенным каналами.

6. Как отличить по виду статических характеристик полевой транзистор с управляющим p-n переходом от транзистора с изолированным затвором?

7. Чем ограничиваются в полевых транзисторах максимальные рабочие токи и напряжение?

8. Как влияет температура на статические характеристики полевого транзистора?

9. Почему при повышении частоты входного сигнала уменьшается усиление полевого транзистора?

10. Какие существуют способы улучшения частотных свойств полевого транзистора?

11. Сравните частотные свойства полевых и биполярных транзисторов.