Московский государственный университет печати

В основе современной промышленной электроники ле­жит применение полупроводниковых приборов, отчего ее часто называют полупроводниковой электроникой.

Рассмотрим электрические свойства полупроводников. Полупроводниками называются вещества, имеющие удель­ное электрическое сопротивление в пределах - Омсм и занимающие по электропроводности промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Указанное различие в электропроводности веществ обусловлено различием в энергетических спектрах этих материалов, т.е. различием в разрешенных значениях уровней энергии электронов, имеющихся у атомов, которые составляют структуру данного вещества.

При образовании кристалла энергетические уровни ато­мов расщепляются, что приводит к образованию зон, со­стоящих из близко расположенных друг к другу энергети­ческих уровней. На энергетической диаграмме чистого по­лупроводника (рис. 1.1, а) показаны В - валентная зона, все уровни которой при температуре абсолютного нуля заполнены электронами, С - зона свободных электронов (зона проводимости), на уровни которой могут переходить электроны при возбуждении атомов, и З - запрещенная зона, энергетические уровни в которой отсутствуют. Наличие запрещенной зоны означает, что для перехода в зону проводимости электрону необходимо сообщить энергию, большую, чем W.

У металлов запрещенная зона отсутствует и валентная зона непосредственно соприкасается с зоной проводимости. Поэтому в металлах число свободных электронов велико, что и обеспечивает их высокую электро- и теплопровод­ность. У изоляторов ширина запрещенной зоны велика (W>4 эВ) и при обычных условиях электроны проводи­мости практически отсутствуют.

Ширина запрещенной зоны W у наиболее распространенных полупроводников - германия (Ge) и кремния (Si) - составляет соответственно 0,72 и 1,12 эВ. Эти по­лупроводники принадлежат к IV группе элементов табли­цы Менделеева и имеют по четыре валентных электрона. На рис. 1.1,а снизу показана также схема кристаллической решетки этих полупроводников, где связи, образован­ные валентными электронами, обозначены двойными ли­ниями.

Рис. 1.1. Зонная диаграмма и схема образования носителей зарядов в чистом полупроводнике (а) и полупроводниках n-типа (б) и p-типа (в)

Из-за относительно узкой запрещенной зоны у Ge и Si уже при температуре, близкой к комнатной (Т 300 К), некоторые электроны получают энергию, достаточную, что­бы преодолеть запрещенную зону и перейти в зону прово­димости. При уходе электрона в валентной зоне остается незаполненный энергетический уровень - дырка. В крис­таллической решетке при этом происходит разрыв одной из валентных связей в кристалле полупроводника и появление свободного электрона, который может свободно пе­ремещаться по кристаллу, и дырки - узла решетки, ли­шенного одного из электронов связи. Оборванная связь может быть восстановлена, если ее возобновит электрон из соседней связи.

Процесс восстановления связей за счет перемещения электронов от одного атома решетки к другому, т.е. в ва­лентной зоне, удобно представить в виде противоположно направленного движения дырок, которым приписывается положительный заряд (т.е. заряд, противоположный заря­ду перемещающихся электронов). Таким образом, в крис­талле возможно перемещение как свободных электронов (отрицательных зарядов), так и дырок (положительных зарядов).

Процесс образования в чистом полупроводнике пары электрон в зоне проводимости - дырка в валентной зоне получил название генерации собственных носителей заря­дов.

Одновременно с процессом генерации носителей заря­дов протекает процесс их рекомбинации - встречи элек­тронов с дырками, сопровождающийся возвратом электро­на из зоны проводимости в валентную зону и исчезновени­ем свободных зарядов. Чаще всего рекомбинация происходит на дефектах кристаллической решетки (нару­шения кристаллической структуры, случайные примеси, трещины, дефекты в поверхностных слоях); эти дефекты служат центрами рекомбинации.

Среднее время между моментами генерации и рекомби­нации называется временем жизни носителя заряда.

Благодаря рекомбинации количество носителей заряда в полупроводнике не увеличивается и при постоянной тем­пературе неизменно. Концентрации (количество носителей в единице объема, 1/) дырок , и электронов в чис­том полупроводнике равны: =. В рабочем диапазоне температур концентрация электронов и дырок в чистом полупроводнике невелика, и по своим электрическим свой­ствам чистый полупроводник близок к диэлектрикам.

Введение в чистый полупроводник небольших коли­честв примесей (например, в пропорции один атом при­меси на миллион атомов полупроводника) приводит к рез­кому изменению характера электропроводности.

Введем в кремний или германий атомы примесей V группы элементов таблицы Менделеева (мышьяк, фосфор или сурьму) имеющие на внешней оболочке по пять валентных электронов. Такие примеси, обладающие допол­нительным валентным электроном, называются донорными. Один из валентных электронов оказывается лишним, не образует связи с соседними атомами полупроводника. На энергетической диаграмме этому электрону соответствует локальный энергетический уровень, расположенный в верх­ней части запрещенной зоны (рис. 1.1, б) и заполненный при температуре абсолютного нуля.

Близость локальных уровней к зоне проводимости при­водит к тому, что уже при небольшом нагреве атомы при­меси ионизируются, отдают дополнительный электрон, при этом число свободных электронов увеличивается. Образо­вание свободных электронов при ионизации донорной при­меси сопровождается появлением в узлах кристаллической решетки неподвижных положительных зарядов - ионов примеси. Обмен электронами между атомами примеси не­возможен, так как атомы примеси удалены друг от друга и при комнатной температуре все ионизированы. Таким об­разом, ионизация атомов примеси не приводит к увеличе­нию концентрации дырок, которые образуются только при разрыве связей между атомами полупроводника. Поэтому при введении донорной примеси концентрация свободных электронов оказывается значительно больше концентра­ции дырок и электропроводность определяется в основном электронами. В этом случае электроны называют основны­ми носителями (их концентрация обозначается ), дыр­ки - неосновными (концентрация ), а такой полупро­водник называется полупроводником n-типа. Несмотря на преобладание в примесном полупроводнике подвижных носителей одного знака, полупроводник в целом электри­чески нейтрален, так как избыточный заряд подвижных носителей компенсируется зарядом неподвижных ионов примесей. Для полупроводника n-типа справедливо следу­ющее равенство концентрации отрицательных и положи­тельных зарядов:

где - концентрация донорной примеси.

Поскольку мала (ширина запрещенной зоны W ве­лика и генерация собственных носителей полупроводника затруднена, как установлено при рассмотрении электро­проводности чистых полупроводников), то . Таким образом, концентрация основных носителей практически равна концентрации атомов примеси, поскольку в рабочем диапазоне температур они полностью ионизированы. В этом диапазоне температур концентрация основных но­сителей не зависит от температуры.

При введении в кремний или германий примесей III группы (алюминия, бора или индия), называемых акцеп­торными, в кристаллической решетке (рис. 1.1, в) в месте расположения атома примеси появляется дополнительный энергетический уровень, расположенный вблизи валентной зоны и незаполненный при температуре абсолютного нуля. За счет прихода электрона от соседнего атома основного вещества (например, при нагреве до комнатной температу­ры) образуется отрицательный ион примеси, а на месте оборванной связи положительный заряд - дырка. Локаль­ные энергетические уровни примесей расположены теперь около валентной зоны и легко берут на себя электроны из этой зоны, приводя к образованию дырок. Основными но­сителями при этом становятся дырки, неосновными - элек­троны. Избыточный заряд дырок уравновешивается заря­дом отрицательных ионов, при этом сохраняется электри­ческая нейтральность полупроводника. Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником р-типа. Для р-полупроводника

где - концентрация акцепторных примесей.

Поскольку в диапазоне комнатных температур все ато­мы акцепторной примеси ионизированы (приняли дополни­тельный электрон), концентрация основных носителей в указанном рабочем диапазоне температур не зависит от температуры.

Удельная электрическая проводимость полупроводни­ков

где q - заряд электрона, n и p - концентрация электронов и дырок, и - подвижность электронов и дырок, т. е. средняя скорость направленного движения, носителей за­ряда, отнесенная к напряженности электрического поля.

В электронном полупроводнике , поэтому

В дырочном полупроводнике , следовательно,

При увеличении температуры увеличиваются тепловые колебания кристаллической решетки, подвижность носите­лей падает. Так как в рабочем диапазоне температур кон­центрация основных носителей примесных полупроводни­ков неизменна, их электропроводность уменьшается с рос­том температуры из-за снижения подвижности

В большинстве полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы полупроводника с двумя и более участ­ками (слоями) с различным током проводимости (п и р).

При получении двухслойной структуры со слоями п-и р-типа обычно концентрация примесей в слоях несим­метрична: , либо . Один из слоев имеет бо­лее высокую концентрацию основных носителей и большую электропроводность; например, на рис. 1.2, показана двух­слойная структура, где , .

Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего элект­рического поля (а) и при приложении прямого (б) и обратного (в) на­пряжении

Область полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы между р и n слоями, называется электронно-дырочным переходом или р-n переходом.

1. Рассмотрим процессы в р-n переходе в отсутствие внешнего электрического поля (рис. 1.2, а).

Из-за разности концентраций основных носителей в р-n-слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с по­ниженной концентрацией носителей. При этом основные носители в р-области- дырки - диффундируют в n-слой, а основные носители n-слоя - электроны - диффундиру­ют в р-слой. Диффузионный ток через переход , так как в рассматриваемом .

Перейдя под воздействием сил диффузии металлурги­ческую границу, носители рекомбинируют с основными носителями другого слоя. За счет ухода основных носите­лей из одного слоя и их рекомбинации в другом вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением (запирающий слой). В запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается нескомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей: в р слое - отрицательных, в n-слое - положительных ионов. Этот двойной электрический слой (рис. 1.2, а) создает электри­ческое поле с напряженностью и приводит к появлению на кривой распределения потенциала в полупроводнике потенциального барьера .

Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход - дрейфовый ток, направленный навстречу диф­фузионной составляющей тока через переход. Дрейфовый ток. через переход .

Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и потенциального барьера, при этом растет дрейфо­вый ток. Рост двойного электрического слоя прекращается тогда, когда суммарный ток через переход равен нулю, т. е. . Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р-n перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля.

Результирующий ток через переход в этом случае

(1.1)

Ширина запирающего слоя в р- и n-слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому при рассматри­ваемом соотношении примесей переход имеет двойной электрический слой, ширина которого в слабо ле­гированной n-области больше (см. рис. 1.2, а).

2. Если двухслойный полупроводник включить в элек­трическую цепь (рис. 1.2, б) и приложить прямое напря­жение (плюс к р-слого, минус к n-слою), то это напря­жение практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопро­тивлением. Из-за встречного направления внутреннего и внешнего полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и потенциальный барьер равен .

В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления по­тенциального барьера, и увеличивается диффузионная со­ставляющая тока через переход. Дрейфовая состав­ляющая определяется только количеством неосновных но­сителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по-прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфо­вый ток неосновных носителей от приложенного напряже­ния не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход . Это прямой ток р-п перехода. Потенциальный барьер измеряется долями вольта, по­этому для протекания прямого тока к р-п переходу доста­точно приложить напряжение, измеряемое тоже долями вольта. Уменьшение результирующего поля у р-п перехода приводит к уменьшению объемного заряда и сужению за­пирающего слоя.

3. Обратное смещение перехода (рис. 1.2, в) приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое и росту потенциального барьера: . Диффузия носителей через переход становится практически невоз­можной, поэтому ток . В этом случае поле р-п перехода втягивает все подошедшие к нему не­основные носители независимо от потенциального барьера и через переход протекает только ток неосновных носите­лей: ток дырок из n-области в р-слой и электронов из р- в n-слой. Однако ток неосновных носителей, или обратный ток, значительно меньше прямого тока через р-n переход в случае 2, так как число неосновных носителей в полу­проводнике мало. Соотношение прямого и обратного токов р-n перехода позволяет говорить об однонаправленной проводимости р-n перехода, т. е. о его выпрямляющем дей­ствии.

Обратный ток неосновных носителей через переход иногда называют тепловым током, так как он сильно зависит от температуры: при нагреве полупровод­ника увеличивается генерация неосновных носителей; при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8 у гер­маниевых приборов или на 10 С у кремниевых приборов.

При обратном смещении р-n перехода суммарная на­пряженность электрического поля перехода возрастает, поэтому возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя. Этот эффект используется в некоторых типах полупроводниковых приборов (см. § 1.6).

4. Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАК) электронно-дырочного перехода.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика p-n перехода при одинаковом масштабе токов и напряжений для прямого и обратного направлений (а) и различном масштабе (б, кривая 1) и ВАХ полупровдникового диода (б, кривая 2)

На рис. 1.3, а ВАХ изображена при одинаковом масштабе по осям для положительных и отрицательных значений на­пряжений и токов, При малом прямом напряжении протекает большой прямой ток, при больших обратных напряжениях - малый тепловой ток. Характеристика рис. 1.3, а практически соответствует характеристике идеаль­ного вентиля, у которого имеют место нулевое падение на­пряжения при протекании прямого тока и нулевой ток при приложении обратного напряжения. Следовательно, свой­ства р-n перехода близки к свойствам идеального вен­тиля.

При необходимости учесть отличия ВАХ р-n перехода от идеальной вентильной характеристики ее строя г в раз­ных масштабах для положительных и отрицательных зна­чений токов и напряжений (рис. 1.3, б, кривая 1).

Полупроводниковый диод представляет собой полупро­водниковый кристалл с двумя слоями проводимости, за­ключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. В основе структуры дио­да лежит р-n переход. ВАХ реального диода (рис. 1.3, б, кривая 2) несколько отличается от характеристики идеаль­ного р-n перехода. Прямое падение напряжения на диоде больше напряжения на р-n переходе на значение падения напряжения при прохождении тока через толщу слоев по­лупроводника, главную роль при этом играет падение на­пряжения в слаболегированном высокоомном слое (в при­мере, рассмотренном в § 1.2, в n-слое).

Обратная ветвь ВАХ диода имеет три характерных участка. На участке I отличие от характеристики р-n пере­хода обусловлено наличием тока утечки по поверхности кристалла. Участок II - это участок электрического про­боя р-п перехода: при мало изменяющемся напряжении наблюдается резкое увеличение тока. Для выпрямитель­ных диодов характерен лавинный пробой, заключающийся в том, что под действием сильного электрического поля неосновные носители заряда, попавшие в переход, за вре­мя пробега между столкновениями с узлами кристалли­ческой решетки приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов. При этом образуется пара сво­бодных носителей заряда. В свою очередь эти носители, ускоряясь в поле, также могут произвести ионизацию. Процесс лавинного пробоя напоминает образование гор­ной лавины. В результате ток через переход резко нарас­тает. При снятии напряжения ток через прибор пре­кращается и диод пригоден к дальнейшему использова­нию, т.е. лавииный пробой является обратимым.

Другой разновидностью обратимого электрического пробоя на участке II может быть полевой пробой. В тон­ких переходах напряженность электрического поля велика, при этом энергия, необходимая для разрыва связи в крис­таллической решетке, уменьшается, увеличивается генера­ция неосновных носителей, резко возрастает обратный ток.

На участке III происходит тепловой пробой. При уве­личении приложенного обратного напряжения растет ток через диоды, а также мощность, выделяемая в р-n перехо­де. Повышение температуры кристалла усиливает генера­цию неосновных носителей, поэтому увеличивается обрат­ный ток. При увеличении обратного тока в свою очередь растет мощность, температура перехода еще более повы­шается, что в конечном счете приводит к разрушению р-n перехода и выходу прибора из строя. Этот вид пробоя, приводящий к разрушению прибора, является наиболее нежелательным.

Для использования полупроводниковых приборов в электронных схемах разработана система числовых ве­личин, параметров, которые приводятся в справочниках. Система параметров позволяет правильно выбрать диод для применения в конкретных устройствах. Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

максимально допустимый средний (за период) прямой ток, величина которого определяется допустимым нагре­вом прибора при приложении прямого напряжения;

повторяющееся импульсное обратное напряжение, ве­личина которого составляет примерно 0,7 напряжения про­боя и ограничивает величины допустимых обратных напряжений на диоде;

импульсное прямое напряжение, которое характеризует неидеальность прямой ветви его вольт-амперной характе­ристики, оно определяется при протекании, максимально допустимого среднего прямого тока;

максимальный обратный ток, который характеризует неидеальность обратной ветви ВАХ диода.

Помимо этих основных параметров диода в справочни­ке приводятся также параметры, необходимые при анали­зе его работы при кратковременных перегрузках, например в аварийных режимах.

Выпрямительные диоды подразделяются на германие­вые и кремниевые; последние более распространены, так как имеют более высокую предельную температуру (120 С против 55С), обладают меньшими обратными токами и большими допустимыми обратными напряжениями. Од­нако кремниевые диоды имеют большее прямое падение напряжения (порядка 1 В против 0,3 В у германиевых). Эти отличия параметров кремниевых диодов обусловлены большей шириной запрещенной зоны у кремния.

По мощности выпрямительные диоды подразделяются на маломощные (прямой ток до 0,3 А), средней (ток от 0,3 до 10 А) и большой мощности (ток от 10 до 1000 А и выше). Максимальное обратное напряжение кремниевых диодов достигает нескольких тысяч вольт.

Рис. 1.4. Схемные обозначения полупроводникового диода (а) и стабилитрона (б)

Среди мощных диодов большое распространение получили лавинные диоды. Бла­годаря особой технологии, обеспечиваю щей изготовление весьма однородного по свойствам р-n перехода и исключению утечки тока по краю полупроводниковой структуры обратный ток в лавинных диодах течет через всю поверхность перехода с рав­ной плотностью. При этом перегрев кри­сталла оказывается меньше и вероятность теплового пробоя резко снижается. Это значительно по­вышает надежность работы вентилей.

Особой разновидностью полупроводниковых диодов яв­ляются высокочастотные и импульсные диоды, при созда­нии которых достигнуты малые значения внутренних емко­стей и малое время переключения из проводящего состоя­ния в непроводящее и обратно.

При низких напряжениях электрического пробоя мощ­ность, выделяющаяся в приборе на участке Я обратной ветви ВАХ (рис. 1.3), невелика, поэтому возможна дли­тельная работа прибора. Этот режим работы используется в стабилитронах - кремниевых диодах, специально пред­назначенных для стабилизация напряжения, Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок II, который характеризуется напряжением стабилизации и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Измене­ние напряжения стабилизации U при изменении тока че­рез прибор I характеризуется динамическим сопротивле­нием стабилитрона: . В идеале = 0.

За пределами участка II стабилитрон может рассмат­риваться как обычный диод. Промышленность выпускает стабилитроны на напряжения стабилизации в диапазоне от 4 до 200 В, максимальный ток 0,01 - 10 А.

На рис. 1.4 показаны обозначения выпрямительного диода и стабилитрона. Вывод (электрод), связанный с р-слоем, называют анодом (А), а электрод, связанный со слоем, n-катодом (К).

Управление током и усиление сигналов в схемах полу­проводниковой электроники осуществляют с помощью транзисторов.

Рис. 1.5. Схемные обозначения транзисторов: а - p-n-тип; б - n-p-n-тип

Рис. 1.6. Распределение токов (а) и потенциалов (б) в транзисторе p-n-p- типа

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника, состоящий из трех слоев с че­редующейся проводимостью и снабженный тремя вывода­ми (электродами) для подключения к внешней цепи. По­скольку до настоящего времени биполярные транзисторы являются наиболее распространенным видом транзисторов, часто их называют просто транзисторами, опуская термин "биполярный".

На рис. 1.5, а и б показано схемное обозначение двух типов транзисторов р-n-р-типа со слоями р, n и р и n-р-n-типа со слоями n, р и n. Крайние слои называют эмитте­ром (Э) и коллектором (К), между ними находится база (Б). В трехслойной структуре имеются два электронно-дырочных перехода: эмиттерный переход между эмитте­ром и базой и коллекторный переход между базой и кол­лектором. В качестве исходного материала транзисторов используют германий или кремний.

При изготовлении транзистора обязательно должны быть выполнены два условия:

1) толщина базы (расстояние между эмиттерным и коллекторным переходами) должна быть малой по сравнению с длиной свободного пробега носителей заряда;

2) концентрация примесей (и основных носителей) за­ряда в эмиттере должна быть значительно больше, чем в базе ( в р-n-р транзисторе).

Рассмотрим принцип действия р-n-р транзистора.

Транзистор включают последовательно с сопротивлени­ем нагрузки в цепь источника коллекторного напряже­ния . На вход транзистора подается управляющая ЭДС , как показано на рис. 1.6, a. Такое включение транзис­тора, когда входная (, ) и выходная , ) Цепи имеют общую точку - эмиттер, является наиболее рас­пространенным и называется включением с общим эмит­тером (ОЭ).

При отсутствии напряжений (=0, =0) эмиттер­ный и коллекторный переход находятся в состояния рав­новесия, токи через них равны нулю в соответствии с вы­ражением (1.1). Оба перехода имеют двойной электричес­кий слой, состоящий из ионов примесей, и потенциальный барьер , различный на каждом из переходов. Распреде­ление потенциалов в транзисторе при отсутствии напряже­ний показано на рис. 1.6, б штриховой линией.

Полярность внешних источников и выбирается такой, чтобы на эмиттерном переходе было прямое напря­жение (минус источника подан на базу, плюс - на эмиттер), а на коллекторном переходе - обратное напря­жение (минус источника - на коллектор, плюс - на эмиттер), причем напряжение (напряже­ние на коллекторном переходе ). При та­ком включении источников и распределение потен­циалов в транзисторе имеет вид, показанный на рис, 1.6, б сплошной линией. Потенциальный барьер эмиттерного пе­рехода, смещенного в прямом направлении, снижается, на коллекторном переходе потенциальный барьер увеличивается.

В результате приложения к эмнттерному переходу пря­мого напряжения начинается усиленная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Электронной составляю­щей диффузионного тока через эмиттерный переход можно пренебречь, так как , поскольку выше оговарива­лось условие . Таким образом, ток эмиттера . Под воздействием сил диффузии в результате перепада концентрации вдоль базы дырки продвигаются от эмиттера к коллектору. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой, основная часть дырок, инжектирован­ных эмиттером, достигает коллекторного перехода, не по­падая в центры рекомбинации. Эти дырки захватываются полем коллекторного перехода, смещенного в обратном на­правлении, так как это поле является ускоряющим для не­основных носителей - дырок в базе n-типа. Ток дырок, попавших из эмиттера в коллектор, замыкается через внешнюю цепь, источник . При увеличении тока эмитте­ра на величину ток коллектора возрастет на = . Вследствие малой вероятности рекомбинации в тонкой базе коэффициент передачи тока эмиттера = / =0,9 0,99.

Небольшая часть дырок, инжектированных эмиттером, попадает в центры рекомбинации и исчезает, рекомбинируя с электронами. Заряд этих дырок остается в базе, и для восстановления зарядной нейтральности базы из внешней цепи за счет источника в базу поступают элек­троны. Поэтому ток базы представляет собой ток реком­бинации .

Помимо указанных основных составляющих тока тран­зистора надо учесть возможность перехода неосновных но­сителей, возникающих в базе и коллекторе в результате генерации носителей, через коллекторный переход, к кото­рому приложено обратное напряжение. Этот малый ток (переход дырок из базы в коллектор и электронов из кол­лектора в базу) аналогичен обратному току р-n перехода, он также называется обратным током коллекторного пере­хода или тепловым током и обозначается (рис. 1.6, а).

Таким образом, полный коллекторный ток, определяе­мый движением всех носителей через коллекторный пере­ход,

(1.2)

Из закона Кирхгофа для токов () н выраже­ния (1.2) следует

(1.3)

Выражения (1.2), (1.3) показывают, что токи в тран­зисторе связаны линейными соотношениями.

Преобразуем (1.2) так, чтобы выявить зависимость коллекторного тока от тока базы. Для этого из (1.3) по­лучим

и подставим это значение в (1.2):

Обозначим коэффициент передачи тока базы , а ток обозначим . Тогда

Если учесть, что мал и , зависимость тока коллектора от тока базы может быть записана и в виде

где - статический коэффициент передачи тока транзистора, который приводится в справочниках.

Транзистор является трехполюсником, поэтому источ­ник входного сигнала и нагрузка могут быть подключены к нему различным образом. В наиболее распространенном включении по схеме с общим эмиттером (рис. 1.6) источ­ником входного напряжения является , входным током базовый ток . Нагрузка включается в коллектор­ную цепь. Эмиттер является общей точкой для входной и выходной цепей. Изменяя малый ток базы (входной ток) на значение , тем самым изменяем выходной ток в соответствии с выражением (1.4). При этом изменяется ток и падение напряжения па нагрузке на значение , изменяется мощность, выделяемая на резисторе . Та­ким образом, при изменении малого тока , в цепи источ­ника малого напряжения изменяется отдача мощности источником в резистор , причем , .

При включении транзистора по схеме с общей базой (ОБ) входным током является ток эмиттера, через нагруз­ку протекает ток коллектора, причем <. т. е. выход­ной ток меньше входного. Изменяя малое напряжение, па эмиттерном переходе, можно изменить ток в цепи источни­ка и получить приращение напряжения на нагрузке , т.е. усилить сигнал по напряжению. От­сутствие усиления по току является недостатком включе­ния с ОБ, из-за которого эта схема применяется в устройствах промышленной электроники весьма редко и в дан­ном курсе не рассматривается.

Принцип действия транзистора n-р-n-типа аналогичен, лишь направление токов, знаки носителей заряда и поляр­ность приложенных напряжений противоположны тем, ко­торые имеют место в рассмотренном р-n-р транзисторе.

Для использования транзисторов необходимо представ­ление сведений о них в виде характеристик и параметров, которые позволяют правильно выбрать транзистор и опре­делить режимы его работы.

Транзистор по схеме с ОЭ описывается семействами вы­ходных и входных характеристик.

Выходной или коллекторной ВАХ транзистора называ­ется зависимость коллекторного тока от напряжения меж­ду коллектором и эмиттером = f(), снятая при неиз­менном токе базы = const. Для снятия этой характерис­тики можно воспользоваться схемой рис. 1.6 при поддержании постоянства . Семейство выходных ВАХ транзистора приведено на рис. 1.7, а. Зависимость (), как видно из рисунка, является нелинейной и может быть разбита на ряд участков.

На большей части характеристик при коллектора почти не зависит от напряжения (пологий участок характеристик). На этом участке транзистора работает в режиме, рассмотренном в § 1.4, когда на эмиттерном переходе действует прямое напряжение, а на коллектор­ном - обратное. Ток коллектора выражается зависимостью (1.4). На пологом участке выходных характеристик тран­зистор может характеризоваться как прибор со свойствами управляемого источника тока, т. е. источника тока , зна­чение которого можно изменять путем изменения тока .

Рис. 1.7. Выходные (а) и входные (б) характеристики биполярного транзистора

Для изменения входного тока базы, например для его увеличения, увеличивают напряжение источника . при этом растут прямое напряжение на эмиттерном переходе и инжекция носителей из эмиттера в базу и ток эмиттера увеличивается на значение . Увеличение тока базы обусловлено увеличением рекомбинации части дырок в тон­кой базе . Основная часть прира­щения эмиттерного тока вызывает приращение тока коллектора . Величина в различных типах транзисторов лежит в диапазоне от 10 до 100.

Небольшой наклон пологого участка выходной харак­теристики обусловлен тем, что при увеличении напряжения увеличивается напряжение на коллекторном переходе и расширяется двойной электрический слой коллекторного перехода, что приводит к уменьшению толщины базы. В более тонкой базе меньше вероятность рекомбинации, по­этому значения коэффициентов передачи тока и не­сколько увеличиваются. Из (1.4) видно, что при увеличении р возрастает коллекторный ток.

Перейдем к рассмотрению крутого участка выходных характеристик транзистора. При уменьшении умень­шается напряжение на коллекторном переходе , и при = = напряжение = - изменя­ет свой знак. При дальнейшем уменьшении до нуля к коллекторному переходу приложено прямое напряжение. Навстречу току дырок из эмиттера в коллектор начина­ется противоположное движение основных носителей (ды­рок) из коллектора в базу. В результате коллекторный ток при таком уменьшении резко надает. Крутой участок выходных характеристик транзистора характеризуется по­терей транзистором свойств усилительного элемента, эта часть характеристик используется в импульсной технике при реализации ключевого режима транзистора (см. § 3.2). Напряжение, отсекающее крутой участок на выходных ха­рактеристиках транзистора, = 0,2 1 В.

Резкое увеличение тока в транзисторах при значи­тельных напряжениях вызвано, как и в диодах, лавинным размножением носителей в коллекторном переходе, т. е. явлением электрического пробоя этого перехода. Для предотвращения необратимого пробоя транзистора ограни­чиваются напряжение на коллекторе и мощность, рассеи­ваемая на коллекторном переходе (на рис. 1.7, а показаны ограничения рабочего участка характеристик). Предельные значения тока коллектора, при превышении которых умень­шается коэффициент , приводятся в справочниках.

Обратимся к рассмотрению входных характеристик транзистора - зависимостей тока базы от напряжения меж­ду базой и эмиттером: =f() при постоянном напря­жении . При =0 оба перехода в транзисторе ра­ботают при прямом напряжении, токи коллектора и эмит­тера суммируют в базе. Входная характеристика в этом режиме представляет собой ВАХ двух р-n переходов, вклю­ченных параллельно (рис. 1.7, б).

При > на коллекторном переходе появляется обратное напряжение, на эмиттерном - сохраняется пря­мое. Этот режим подробно рассмотрен в § 1.4. Ток базы в этом режиме, обусловленный процессом рекомбинации неосновных носителей в базе, равен разности эмиттерного и коллекторного токов, он описывается выражением (1.3). Входная характеристика транзистора рис. 1.7,6 в этом ре­жиме строится по прямой ветви ВАХ эмиттерного перехода, но значения тока уменьшаются на коэффициент (1-), показывающий, что ток базы - это лишь рекомбинационная составляющая эмиттерного тока.

Токи в транзисторе сильно зависят от температуры окру­жающей среды, что является общим недостатком полупро­водниковых приборов. Рассмотрим зависимость тока кол­лектора от температуры при постоянном входном токе базы. В (1.4) входят члены, зависящие от температуры. Во-первых, с ростом температуры растет ток (значение его удваивается через каждые 8-10С), так как увеличи­вается концентрация неосновных носителей в слоях. Во-вто­рых, коэффициент передачи тока базы при увеличении температуры также увеличивается. Это объясняется тем, что при повышении температуры центры рекомбинации (дефекты кристаллической решетки) постепенно заполня­ются и вероятность рекомбинации носителей в базе падает, при этом увеличиваются коэффициенты передачи токов в транзисторе а и, следовательно, . При на­греве на 20-30 С может изменяться на десятки про­центов.

Рис. 1.8. Зависимость модуля коэффициента передачи модуля бетты от частоты ||

Коэффициенты передачи токов транзистора и зависят от ча­стоты. Это связано с инерционно­стью процессов, происходящих в транзисторе при прохождении носителей заряда через базовый слой, и изменением концентрации носителей в базе при диффузии неосновных носителей к коллектору. За счет инерционности процессов приращения выходного тока запаздывают по фазе относительно приращений входного тока. При высокой частоте следования импуль­сов за время импульса ток коллектора не успевает дорасти до максимального значения и с ростом частоты амплитуда импульсов убывает. Для математического описания этих явлений коэффициент представляют в виде комплексной величины, зависящей от частоты (рис. 1.8):

(1.5)

где - значение коэффициента в области низких и сред­них частот; - частота, на которой модуль коэффициента .

В справочниках приводится граничная частота коэффи­циента передачи тока на которой = 1. Подставим f= в (1.5) и найдем модуль ||, учитывая, что . Получим

(1.6)

По величине можно приближенно судить о рабочей области частот усилителя, выполненного на транзисторах, В современных транзисторах составляет - Гц. Если нужно усиливать сигналы при f>, применяется включение транзистора с общей базой, усиление при этом возможно до частоты .

Биполярные транзисторы, рассмотренные в § 1.4, 1.5, нашли чрезвычайно широкое применение в различных об­ластях электронной техники. Однако в ряде случаев их ис­пользование затруднено, так как эти приборы управляются током, т. е. потребляют заметную мощность от входной цепи.

Это препятствует их использованию при подключении к маломощным источникам входного сигнала. Указанного недостатка лишены полевые транзисторы - полупроводни­ковые приборы, которые практически не потребляют ток из входной цепи.

Рис. 1.9. Структура (а), схемные обозначения (б - канал p-типа, в - канал n-типа) и стоковые характеристики (г) полевого транзистора с p-n- переходом

Рис. 1.10. Сужение канала полевого транзистора при приложении напряжений

Полевые транзисторы подразделяются на два типа, от­личающихся друг от друга принципом действия: а) с р-n переходом; б) МДП-типа.

Полевые транзисторы с р-n переходом имеют структуру, разрез которой приведен на рис. 1.9, а. Слой с проводимостью р-типа называется каналом, он имеет два вывода во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Слои с проводимостью типа п, окружающие канал, соединены между собой и имеют вывод во внешнюю цепь, называемый затвором 3. Подключение источников напряжения к прибо­ру показано на рис. 1.9, а, на рис. 1.9, б показано схемное обозначение полевого транзистора с р-п переходом и кана­лом р-типа. Существуют также полевые транзисторы с ка­налом n-типа, их обозначение приведено на рис. 1.9, в, принцип действия аналогичен, но направления токов и поляр­ность приложенных напряжений противоположны.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с каналом р-типа. На рис. 1.9, г приведено семейство стоко­вых (выходных) характеристик этого прибора =f() при =const.

При управляющем напряжении =0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение р-п перехода между каналом р-типа и n-слоем, причем наибольшее об­ратное напряжение на р-n переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока р-n переход нахо­дится в равновесном состоянии. При увеличении напряже­ния область двойного электрического слоя р-п пере­хода, обедненная подвижными носителями заряда, будет расширяться, как показано на рис. 1.10, а. Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где боль­ше обратное напряжение на переходе. Расширение р-n пе­рехода приводит к сужению проводящего ток канала тран­зистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увели­чения сопротивления канала при росте стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный ха­рактер (рис. 1.9, г). При некотором напряжении гра­ницы р-n перехода смыкаются (пунктир на рис. 1.10, а), и рост тока при увеличении прекращается.

При приложении положительного напряжения к затво­ру 0 р-n переход еще сильнее смещается в область обратного напряжения, ширина перехода увеличивается, как показано на рис. 1.10, б. В результате канал, проводя­щий ток, сужается и ток уменьшается. Таким образом, увеличивая напряжение , можно уменьшить , что видно из рассмотрения рис. 1.9, г. При определенном , называемом напряжением отсечки, ток стока практически не протекает. Отношение изменения тока стока к вы­звавшему его изменению напряжения между затвором и ис­током при =const называется крутизной: S = / при =const.

В отличие от биполярных транзисторов полевые транзи­сторы управляются напряжением, и через цепь затвора протекает только малый тепловой ток р-п перехода, на­ходящегося под действием обратного напряжения. Стоко­вые характеристики, так же как и коллекторные характеристики биполярного транзистора, имеют два участка: кру­той и пологий; последний используется при работе транзис­тора в усилительных устройствах, в то время как начальный крутой участок характеристик - при их работе в переклю­чательных устройствах.

Ток стока полевого транзистора сильно зависит от тем­пературы. Во-первых, как указано в § 1.1, с ростом темпе­ратуры электропроводность примесных полупроводников в рабочем диапазоне температур уменьшается. Во-вторых, при нагреве ширина р-n перехода уменьшается, а канал расширяется. В результате воздействия этих двух факто­ров при нагреве ток стока при =const может изме­няться различным образом - как увеличиваться, так и уменьшаться.

Предельные частоты, на которых могут работать поле­вые транзисторы, весьма высоки. Основным ограничитель­ным фактором здесь является емкость р-n перехода, пло­щадь которого сравнительно велика. Выпускаемые про­мышленностью полевые транзисторы с р-n переходом способны работать в мегагерцевом диапазоне частот.

Полевые транзисторы МДП-типа ("металл - ди­электрик-полупроводник") называют также полевыми транзисторами с изолированным затвором. На рис. 1.11, а показан разрез МДП-транзистора. У поверхности кристал­ла полупроводника-подложки с проводимостью р-типа созданы две области с проводимостью p-типа и тонкая пе­ремычка между ними, называемая каналом. Области n-типа имеют выводы во внешнюю цепь: С - сток и И - исток. Полупроводниковый кристалл покрыт окисной пленкой ди­электрика, на которой расположен металлический затвор 3, связанный с внешней цепью. Таким образом, затвор элек­трически изолирован от цепи исток-сток. Подключение источников и показано на рис. 1.11, а. Подложка соединяется с истоком; это соединение либо осуществляет­ся внутри прибора, либо подложка имеет вывод во внеш­нюю цепь (П) и это соединение осуществляется по внеш­ней цепи.

Рис. 1.11. Структура (а) и стоковые характеристики (б- со встроенным каналом, в - с индуцированным каналом) МДП-транзистров

Рассмотрим принцип действия прибора. Его стоковые - (выходные) характеристики =f() при =const приведены на рис. 1.11, б. При отсутствии управляющего напряжения =0 через канал между n-областями про­текает ток . При увеличении напряжения источника р-п переход между подложкой и каналом смещается в об­ратном направлении, причем наибольшее обратное напряжение на переходе получается вблизи стока. При обратном смещении р-п перехода расширяется двойной электриче­ский слой, обедненный подвижными носителями заряда, и сужается канал, проводящий ток. По мере роста уве­личивается сопротивление канала, рост тока стока замед­ляется, а при перекрытии переходом сечения канала при увеличении ток практически не изменяется. В этом режиме процессы в МДП-транзисторе аналогичны процес­сам в полевом транзисторе с р-п переходом.

При приложении положительного напряжения к затво­ру электрическое поле притягивает электроны из подлож­ки, они скапливаются в области канала, сопротивление ка­нала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (см. характеристики на рис. 1.11, б при >0).

При отрицательном напряжении на затворе электриче­ское поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток падает (ре­жим обеднения).

Таким образом, при изменении управляющего напряже­ния изменяется выходной ток прибора причем связь приращений выходной и входной величин определя­ется крутизной: S= / при =const.

Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, чрез­вычайно малый ток затвора вызывается только утечкой по изоляции. Мощность управляющей цепи МДП-транзистора практически равна нулю.

Аналогично функционирует и другая разновидность МДП-транзистора - с каналом р-типа. Такой полевой транзистор имеет подложку n-типа, направление токов и полярность напряжений противоположна показанным на рис. 1.11, а. Обозначение МДП-транзисторов с каналами n-типа и р-типа показано на рис. 1.12, а и б. Рассмотренные МДП-транзисторы являются приборами со встроенным каналом.

Рис. 1.12. Схемные обозначения МДП-транзисторов

Помимо этого существуют МДП-транзисторы с индуци­рованным каналом n-типа (рис. 1.12, в) и р-типа (рис. 1.12, г). При изготовлении этих приборов специальный ка­нал между областями, связанными со стоком и истоком, не создается и при напряжении =0 выходной ток отсут­ствует, =0. Прибор может работать только в режиме обогащения, когда поле затвора притягивает носители со­ответствующего знака, создающие проводящий канал меж­ду областями истока и стока. Семейство стоковых харак­теристик МДП-транзисторов с индуцированным каналом n-типа приведено на рис. 1.11, в. При напряжении на за­творе меньшем напряжения отсечки, ток стока практи­чески отсутствует.

Наличие четырех типов МДП-транзисторов дает боль­шие возможности разработчикам при реализации различ­ных задач, в том числе путем комбинации полевых транзи­сторов различных типов (см. § 4.2).

Тиристорами называют управляемые полупроводнико­вые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) р-n структур, способные под действием сигнала управления переходить из закрытого (непроводящего) со­стояния в открытое (проводящее).

Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной р-n-р-n структуре, ВАХ кото­рой приведена на рис. 1.13, а. На рис. 1.13, б показано схемное обозначение рассматриваемого тиристора, который имеет три вывода во внешнюю цепь. Электроды прибора называются: А - анод, К - катод, УЭ - управляющий электрод.

Рис. 1.13. Вольт-амперная характеристика (а), схемное обозначение (б) и схема включения (в) однооперационного тиристора

Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 1.13, в), то при нулевом сигнале на управляющем электро­де ток в цепи будет отсутствовать. Это связано с тем, что при прямом закрытом состоянии (участок I на характерис­тике рис. 1.13, а) сопротивление тиристора очень велико. Если теперь на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор включа­ется и через нагрузку начинает протекать ток. Ввиду малого падения напряжения на включенном тиристоре (точка 2 на участке II характеристики рис. 1.13, б) анод­ный ток после включения определяется

(1.7)

Включение тиристора может произойти и без сигнала управления, если увеличить ЭДС источника питания до значения, большего напряжения , показанного на рис. 1.13, а. В этом случае рабочая точка с участка I ВАХ пе­реходит на участок II минуя падающий участок III. На практике такое включение "по аноду" для большинства типов тиристоров нежелательно из-за возможного повреж­дения прибора.

Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электро­де. Выключить тиристор можно только в результате сни­жения анодного напряжения до нуля или до отрицатель­ного значения ( 0) или прерывания анодного тока. Управляющая цепь такого прибора выполняет только одну операцию - включение тиристора. Такой тип тиристоров является наиболее распространенным, эти тиристоры по­лучили наименование однооперационных (или незапираемых).

Какие физические процессы обусловливают указанные свойства тиристоров? Структура прибора приведена на рис. 1.14, а. При приложении к тиристору прямого напря­жения (плюс на анод А, минус на катод К) оно будет пря­мым и отпирающим для р-n переходов и и обратным для перехода .

Данную структуру можно представить состоящей из двух транзисторов - и (рис. 1.14, б). В обоих транзисторах переход является коллекторным, а пере­ходы и - эмиттерными соответственно для р-n-р и n-p-n транзисторов. На участке I ВАХ рис. 1.13, а эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллек­торный - в обратном, поэтому p-n-р транзистор рабо­тает в режиме, рассмотренном в § 1.4, распределение токов описывается (1.2). Через прямой переход из эмиттера вбазу диффундируют дырки, часть которых (1-) рекомбинирует в базе, а другая часть втягивается полем перехода и попадает в коллектор . Распре­деление указанной дырочной составляющей тока пока­зано на рис. 1.14, а. В аналогичном режиме работает и вто­рой транзистор. Эмиттерный переход n-p-n транзистора также смещен в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. Через эмиттерный переход проходит суммарный ток + (где - ток управляющего элек­трода). Часть электронов, обусловленных этим током, ре­комбинирует в базе (слой ) (1-) ( + ), остальные электроны доходят до коллекторного перехода , захва­тываются его полем и попадают в коллектор (слой ). Эта электронная составляющая тока показана в нижней части структуры на рис. 1.14, а. Кроме этих транзисторных составляющих тока коллекторного перехода , обуслов­ленных токами эмиттерных переходов и через пере­ход протекает ток неосновных носителей, имеющихся в слоях и , =+. Из рис. 1.14, а легко за­ключить, что =, глее - полный ток через переход , т. е. суммарный коллекторный ток обоих транзисторов

(1.8)

отсюда

Рис. 1.14. Распределение токов в тиристоре (а) и двухтранзисторная схема замещения тиристора (б)

Рассмотрим зависимость коэффициентов передачи по току обоих транзисторов и от тока . Эти коэффи­циенты зависят от вероятности рекомбинации носителей в базах и . С ростом тока рекомбинация падает, так как центры рекомбинации заполняются при каждом акте рекомбинации, что ведет к увеличению коэффициентов и . До тех пор, пока сумма + 1, переход закрыт и тиристор остается в закрытом состоянии, т. е. об­ладает высоким сопротивлением для тока (участок I ВАХ на рис. 1.13, а).

При увеличении тока за счет увеличения либо управ­ляющего тока , либо напряжения сумма + рас­тет и, когда + = 1, как следует из (1.9), . Эго означает, что происходит отпирание тиристора: сопротив­ление его резко снижается и падение напряжения на ти­ристоре уменьшается. В реальной схеме рис. 1.13, в при отпирании тиристора устанавливается ток, соответствую­щий (1.7) (участок II характеристики рис. 1.13, а).

Процесс отпирания тиристора обусловлен наличием внутренней положительной обратной связи и протекает ла­винообразно (регенеративный процесс). Рассмотрим про­цесс включения тиристора при подаче управляющего тока . При этом увеличивается ток через переход и его со­ставляющая (+), которая для р-n-р транзистора яв­ляется током базы, поэтому возрастает доля тока коллек­тора . Общий ток возрастает, при этом в базу n-р-n транзистора поступает из слоя больший ток, что вновь вызывает увеличение коллекторного тока транзистора п-р-n-типа. При увеличении тока значения коэффициентов передачи и растут и знаменатель в выражении (1.9) обращается в нуль. За счет резкого нарастания тока увеличивается падение напряжения на резисторе (рис. 1.13, в), а падение напряжения на тиристоре уменьшается.

Если после отпирания тиристора уменьшить ток до ну­ля, то в результате протекающего большого тока будет поддерживаться нулевое значение знаменателя в выраже­нии (1.9) и прибор останется в открытом, проводящем со­стоянии. Тиристор можно запереть только при приложении обратного напряжения либо при разрыве цепи проте­кания тока источника .

При приложении к тиристору обратного напряжения прибор все время находится в закрытом состоянии, по­скольку переходы и находятся под обратным напря­жением. Обратная ветвь ВАХ тиристора (участок IV на рис. 1.13, а) аналогична обратной ветви ВАХ полупровод­никового диода.

Система параметров тиристора позволяет выбирать при­боры при проектировании различных устройств. К числу параметров тиристора относятся показанные на рис. 1.13, а напряжение включения и напряжение загиба (пробоя) на обратной ветви ВАХ . Если амплитуда питающего напряжения любой полярности не превосходит названных напряжений, то при =0 тиристор будет всегда заперт. Для надежного выполнения этого условия прямое или об­ратное напряжение на тиристоре не должно превышать повторяющееся импульсное напряжение, которое составля­ет примерно 0,7 наименьшего из напряжений и и приводится в справочниках, для разных типов тиристо­ров она составляет от 100 до 4000 В.

В паспортных данных тиристора имеются следующие параметры: максимально допустимый средний прямой ток, импульсное прямое напряжение и максимальный обратный ток, которые имеют тот же смысл, что и для диодов (см. § 1.3). В современных мощных тиристорах допустимый средний прямой ток достигает 1000-2000 А.

При уменьшении анодного тока до значения тока удер­жания тиристор может самопроизвольно перейти в запер­тое состояние. Ток удержания, приводимый в справочнике, определяется при =0.

Для расчета параметров сигнала, который необходимо подать на управляющий электрод, пользуются параметра­ми управляющий ток отпирания и управляющее напряжение отпирания. При таких значениях тока и напряжения в управляющей цепи обеспечивается надежное отпирание тиристора даже при малых (5-10 В) напряжениях и при наинизшей рабочей температуре, когда отпирание затруднено.

К важнейшим динамическим параметрам тиристора от­носится величина - критическая скорость нара­стания анодного тока при включении тиристора. При пре­вышении допустимого значения возможен пере­грев отдельных участков полупроводниковой структуры и тепловое проплавление перехода; обычно = 10 100 А/мкс, но у специальных быстродействующих или импульсных тиристоров доходит до 500- 1000 А/мкс.

К параметрам тиристоров относится время выключе­ния - временной интервал, спустя который после прекра­щения протекания анодного тока к прибору можно прило­жить прямое напряжение и при этом не произойдет его по­вторного включения. Время выключения у низкочастотных тиристоров 100-500 мкс, у быстродействующих 10- 100 мкс. Параметр - допустимая скорость нарастания прямого напряжения. Это ограничение по скоро­сти анодного напряжения связано с наличием емкостей переходов, протекание тока через которые при быстром нараста­нии анодного напряжения мо­жет привести к самопроизволь­ному отпиранию тиристора: =20 100 В/мкс, у быстродействующих до 200- 500 В/мкс.

Рис. 1.15. Вольт-амперная характеристика симистора (а) и встречно - паралельное включение двух тиристоров (б)

Главная область примене­ния однооперационных тири­сторов - энергетическая элек­троника, в области высоких мощностей тиристор является основным силовым управляе­мым прибором. Маломощные тиристоры используются и в импульсных схемах информационной электроники.

Помимо рассмотренного основного типа тиристоров, ра­бота которых описана выше, промышленность выпускает ряд разновидностей тиристоров:

1. Динистор - это тиристор без управляющего электро­да. Он аналогичен обычному тиристору, у которого не подается сигнал на управляющий электрод. Для включе­ния динистора к нему необходимо приложить напряжение . При приложении обратного напряжения динис­тор всегда заперт.

2. Симистор - многослойный переключающий прибор с симметричной ВАХ для прямого и обратного напряжений (ВАХ приведена на рис. 1.15, а). Симистор может комму­тировать ток любого направления и заменяет собой цепь из двух обычных тиристоров, включенных встречно-парал­лельно (рис. 1.15, б).

3. Двухоперационные (запираемые) тиристоры появи­лись в конце 60-х годов. В этих приборах при подаче отри­цательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощ­ность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса. При разработке двухоперационных тиристоров встретились многочисленные трудности, однако в последние годы наметился большой прогресс в этой области и разработаны двухоперационные тиристоры на токи до 200-500 А и напряжения до 1000- 2000 В. При этом их применение в энергетической электро­нике в области малых и средних мощностей становится все более широким.

Интегральная микросхема (ИМС) - это изделие, вы­полняющее определенную функцию преобразования и об­работки сигнала и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов, которые могут рас­сматриваться как единое целое, выполнены в едином тех­нологическом процессе и заключены в герметизированный корпус.

Электронная аппаратура на ИМС обладает следующи­ми большими преимуществами:

1. Высокой надежностью и технологичностью, посколь­ку ИМС изготовляют на специализированных предприяти­ях на основе хорошо автоматизированной современной тех­нологии. При создании аппаратуры на ИМС резко снижа­ются затраты труда на сборку и монтаж аппаратуры, уменьшается число паяных соединений, которые являются одним из наименее надежных элементов электронных уз­лов. Поэтому аппаратура на ИМС намного надежнее, чем аппаратура на дискретных элементах, меньше вероятность ошибок при монтаже. Только ИМС обеспечили высокую надежность, необходимую для создания систем управления космическими аппаратами и современных больших вычис­лительных систем.

2. Аппаратура на ИМС обладает малыми массой и га­баритами.

3. При создании аппаратуры из готовых ИМС резко со­кращается время на разработку изделия, так как исполь­зуются готовые узлы и блоки, упрощается внедрение в про­изводство.

4. Применение аппаратуры на ИМС массового выпуска снижает стоимость изделия, так как уменьшаются расходы на монтаж и наладку устройства, да и сами микросхемы стоят дешевле заменяемых ими схем на дискретных компо­нентах, так как выпускаются по наиболее совершенной и производительной технологии.

5. Создание аппаратуры на ИМС упрощает органи­зацию производства за счет уменьшения числа опе­раций и сокращения числа комплектующих изде­лий.

В силу этих преимуществ практически все современные устройства информационной электроники создаются с при­менением ИМС. Можно отождествить современную инфор­мационную электронику и микросхемотехнику. В последние годы наметилась тенденция внедрения достижений микроэлектроники и в энергетическую электронику.

Интегральные микросхемы делятся на два сильно отли­чающихся друг от друга класса: 1) полупроводниковые ИМС; 2) гибридные ИМС.

Полупроводниковая ИМС - полупроводнико­вый кристалл, в толще которого выполняются все компо­ненты схемы: полупроводниковые приборы и полупровод­никовые резисторы. Поверхность полупроводника покры­вается изолирующим слоем окисла, по которому в нужных местах расположен слой металла, обеспечивающий со­единения между элементами схемы. На рис. 1.16, а показана часть схемы, состоящая из резистора, диода и тран­зистора, а на рис. 1.16, б - разрез полупроводникового кристалла, в толще которого выполнены указанные схем­ные элементы. Изоляция элементов друг от друга осуще­ствляется с помощью р-п переходов, смещенных в обрат­ном направлении. Для этого к подложке р-типа приклады­вается наиболее отрицательный потенциал. После создания слоя окисла на поверхности и нанесения соединений кри­сталлы полупроводника помещают в герметизированный корпус, имеющий выводы во внешнюю цепь.

Рис. 1.16. Фрагмент схемы и ее реализация в виде полупроводниковой ИМС

Полупроводниковые ИМС обладают следующими осо­бенностями:

1. В кристалле полупроводника могут быть выполнены полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, поле­вые транзисторы) и полупроводниковые резисторы. В каче­стве конденсаторов с емкостью до 200-400 пФ используют емкости полупроводниковых диодов, смещенных в обрат­ном направлении. Наиболее предпочтительными элемента­ми являются те, которые занимают наименьшую площадь на кристалле, это, в первую очередь, полевые транзисторы МДП-типа, затем другие полупроводниковые приборы. Конденсаторы большей емкости и магнитные элементы (дроссели, трансформаторы) в составе полупроводниковых ИМС невыполнимы.

2. Точность воспроизведения параметров компонентов полупроводниковой ИМС невелика, но одинаковые элемен­ты на одном кристалле имеют практически идентичные па­раметры.

3. Технология ИМС очень сложна, и их выпуск может быть налажен лишь на крупном специализированном пред­приятии.

4. Затраты на подготовку выпуска нового типа ИМС ве­лики, поэтому экономически оправдан выпуск этих изделий только очень крупными сериями ( экземпляров и выше). Чем выше тираж изделия, тем дешевле оно обходится из­готовителю.

5. Масса и габариты полупроводниковых ИМС очень малы, на одном кристалле кремния (размером несколько квадратных сантиметров) могут располагаться десятки и сотни тысяч отдельных элементов схемы.

Гибридные ИМС. Основу гибридной ИМС состав­ляет пленочная схема: пластина диэлектрика, на поверх­ности которого нанесены в виде пленок толщиной порядка 1 мкм компоненты схемы и межсоединения. Этим способом легко выполнимы пленочные проводниковые соединения, резисторы, конденсаторы. Резисторы больших номиналов выполняют в виде меандра (рис. 1.17, а), что обеспечивает минимальную площадь, занимаемую элементом. Сопротив­ление таких резисторов может достигать Ом. Пленочные конденсаторы имеют структуру, разрез которой пока­зан на рис. 1.17, б. Конденсатор состоит из трех пленочных слоев: металл - диэлектрик - металл. За счет малой тол­щины диэлектрика емкость пленочных конденсаторов до­стигает 10 000 пФ и более. Дроссели могут быть выполне­ны в виде спирали (рис. 1.17, в); они имеют небольшую индуктивность, не более 10 мкГн. Бескорпусные полупроводниковые приборы, конденсаторы больших номиналов и магнитные элементы в гибридных ИМС выполняются на­весными: эти элементы приклеиваются в определенных мес­тах к плате, осуществляется их контактирование с элемен­тами пленочной схемы, затем плата с пленочной схемой и навесными элементами помещается в герметизированный корпус, имеющий определенное количество выводов.

Рис. 1.17. Компоненты пленочных ИМС: а - резистор; б - конденсатор; в - индуктивность

Гибридные ИМС обладают следующими основными свойствами:

1. Наиболее предпочтительными элементами являются пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы), число навесных элементов в ИМС должно быть небольшим, так как их установка и монтаж требуют больших затрат труда.

2. Точность воспроизведения параметров в гибридных ИМС значительно выше, чем полупроводниковых. Возмож­на подгонка номиналов резисторов и конденсаторов (на­пример, путем соскабливания части пленки).

3. Технология гибридных ИМС значительно проще тех­нологии полупроводниковых. Гибридные ИМС делятся на тонкопленочные, в которых пленки создаются методом тер­мовакуумного напыления, и толстопленочные, в которых пленки получают путем нанесения пасты через трафарет с последующим спеканием в печи. Технология толстопле­ночных ИМС сравнительно проста, и их выпуск может быть налажен в стенах лаборатории или производственного участка.

4. Стоимость подготовки к выпуску нового типа гибрид­ных ИМС меньше, чем полупроводниковых, поэтому эконо­мически оправдан выпуск гибридных ИМС малыми серия­ми (сотни и даже десятки экземпляров).

5. Массогабаритные показатели гибридных ИМС хуже, чем у полупроводниковых, и число компонентов в одной схеме обычно не больше нескольких десятков.

Полупроводниковые ИМС в основном являются ИМС общего применения, т. е. выпускаются в виде типовых эле­ментов для различных областей использования, обладают универсальными достоинствами, что обеспечивает их вы­сокий тираж. Гибридная технология особенно предпочти­тельна при разработке ИМС частного применения, т. е. для решения какой-то определенной задачи. В этом случае ти­раж ИМС обычно невысок, и экономически выгоднее вы­пуск гибридных ИМС.

Число компонентов, заключенных в одном корпусе ИМС, называют степенью интеграции N. На рис. 1.18 показаны зависимости стоимости полупроводниковой ИМС С, отне­сенной к степени интеграции N, от N. Эти зависимости при­ведены для различных годов выпуска ИМС. Кривые пока­зывают, что имеется область , при которой отношение C/N имеет минимальное значение. При уменьшении N от указанного значения стоимость увеличивается, так как возрастают затраты на упаковку ИМС в корпус, пайку вы­водов и т. п. При увеличении N стоимость также возрас­тает по двум причинам. Во-первых, более сложные ИМС выполняют более сложную, а значит, и более специализи­рованную функцию, а это приводит к снижению тиража ИМС и увеличению ее стоимости. Во-вторых, при большом значении N ИМС занимают значительную площадь на пла­стине полупроводника. При N ИМС называется боль­шой интегральной схемой (БИС).

На рис. 1.19, а показана пластина полупроводника, на которой изготавливаются девять ИМС малого или среднего-уровня интеграции. На рис. 1.19, б показана такая же пластина, на которой расположена только одна большая ИМС (БИС). Если на пластине имеется локальный дефект (показан на рис. 1.19, а и б крестиком), то в первом случае придется забраковать 1/9 часть изготовленных ИМС, а в случае БИС негодным окажется 100% изделий. Поэто­му оптимальное значение N зависит от уровня технологии изготовления ИМС и по мере совершенствования техноло­гических процессов повышается, в настоящее время для выпускаемых БИС N .

Рис. 1.18. Зависимость относительной стоимости C/N от степени интеграции N для ИМС различных годов выпуска

Рис. 1.19. Воздействие дефекторов кристаллической решетки на выпуск ИМС малой (а) и большой (б) степени интеграции

Большим достижением современной электроники в по­следние годы стало преодоление упомянутого препятствия на пути увеличения N: найдены способы создания сложных БИС, которые при этом не теряют своей универсальности. Это программируемые ИМС. Потребитель может по-разно­му использовать ИМС, запрограммировав ее функции. По­добные ИМС будут рассмотрены в дальнейшем: это посто­янные запоминающие устройства (§ 4.6) и микропроцессо­ры (§ 4.12, 4.13). Современный этап развития электроники характеризуется все усиливающимся применением БИС вплоть до создания однокристальных ЭВМ. Эта тенденция обусловлена повышением основных технико-экономических показателей электронных устройств управления при ис­пользовании БИС (см. гл. 4).

Оптоэлектроника - это раздел науки и техники, в котором изу­чаются вопросы генерации, обработки, запоминания и хранения инфор­мации на основе совместного использования электрических и оптических явлений. Оптоэлектронные приборы используют при своей работе элек­тромагнитное излучение оптического диапазона.

Современная микроэлектроника не решила проблему всеобщей мик­роминиатюризации электронной аппаратуры. Такие традиционные эле­менты, как трансформаторы, разъемные контакты, конденсаторы боль­шой емкости плохо совмещаются с интегральными компонентами из-за больших габаритов. Особые трудности вызывает обеспечение электриче­ской изоляции при связи двух систем: высоковольтной и низковольтной. В частности, такая задача возникает при создании устройств управления высоковольтными установками большой электроэнергии. Здесь на помощь приходит оптоэлектроника. Применение оптического канала связи позволяет обеспечить надежную электрическую изоляцию любых систем, исключить громоздкие реактивные и контактные компоненты, повысить надежность работы оборудования.

Элементная база оптоэлектроники включает в себя:

1) оптоизлучатели - преобразователи электрической энергии в све­товую;

2) фотоэлектрические приемники излучения (фотоприемники) - преобразователи световой энергии в электрическую;

3) приборы для электрической изоляции при передаче энергии и ин­формации по световому каналу - оптоэлектронные приборы (оптопары);

4) световоды.

Ограничимся рассмотрением наиболее часто применяющихся в про­мышленной электронике полупроводниковых оптопар, источников или приемников некогерентного излучения.

Полупроводниковым излучателем света является светоизлучающий диод. Известно, что при рекомбинации носителей, т. е. возвращении электрона из зоны проводимости в валентную зону, излучается квант энергии. Наиболее интенсивно рекомбинация происходит вблизи р-n пе­рехода, когда основные носители преодолевают потенциальный барьер и рекомбинируют. Для создания светоизлучающих диодов используют сложные полупроводниковые материалы, у которых квант энергии излучается в оптическом (или инфракрасном) диапазоне, например фос­фид галлия, арсенид галлия или карбид кремния. Излучение происхо­дит при пропускании через прибор тока в прямом направлении. Конст­рукция прибора обеспечивает передачу света от р-n перехода без зна­чительных потерь в толще полупроводника. ВАХ светоизлучающих диодов аналогична характеристикам обычных кремниевых и германие­вых диодов.

Светоизлучающие диоды выпускаются в виде отдельных элементов или групп (матриц) для индикации информации в виде букв, цифр и различных символов. Они входят также в состав оптопар. Обозначе­ние светоизлучающего диода на схемах приведено на рис. 1,20, а.

Рис. 1. 20. Схемные обозначения светоизлучающего диода (а), фотодиода, (б) фототранзистора (в), фототиристора (г) и диодного оптрона (д)

К числу фотоприемников относятся фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и другие приборы. В § 1.1 было упомянуто явление тер­могенерации, т. е. перехода электрона из валентной зоны в зону прово­димости при нагреве. Аналогичный переход может произойти, если на слой полупроводника воздействовать светом. В результате увеличения числа неосновных носителей увеличивается проводимость вещества (по­явление фотопроводимости). При облучении светом р-n перехода увеличивается ток неосновных носителей, т. е. увеличивается обратный ток этого перехода: =f(Ф), где Ф -световой поток. На этом осно­вана работа фотодиода, к которому подключается источник обратного напряжения через сопротивление нагрузки . При увеличении Ф уве­личивается и растет падение напряжения на нагрузке . Обо­значение фотодиода на схемах приведено на рис. 1.20, б.

Работа фототранзистора также основана на фотопроводимости, В транзисторе без вывода базы во внешнюю цепь (т. е. при =0), ток в соответствии с (1.4) определяется

При облучении базы или области коллекторного перехода изменя­ется ток неосновных носителей =f(Ф), пропорционально изменяет­ся . В транзисторе с ОЭ ток усиливается в (+1) раз, поэтому мощность сигнала может быть выше, чем в фотодиоде, при том же уровне напряжений источника питания Е. Обозначение фототранзисто­ра приведено на схеме рис. 1.20, в.

Принцип действия фототиристора (схемное обозначение приведено на рис. 1.20, г) также основан на изменении тока при воздействии светового облучения. При отсутствии управляющего электрода (=0) ток тиристора описывается выражением, получаемым из (1.9):

В фототиристоре = f(Ф). При увеличении светового потока рас­тет и анодный ток . Как показано в § 1.7, при этом увеличивают­ся коэффициенты и , а при достижении +=1 тиристор от­крывается. Таким образом, рост тока при увеличении светового потока стимулирует отпирание тиристора. Ток открытого тиристора может во много раз превышать значение .

Таким образом, управляемые полупроводниковые приборы (транзи­стор и тиристор) в качестве сигнала управления могут использовать све­товое излучение.

Оптопара состоит из излучателя (светодиод) и фотоприемника (фотодиод, фототранзистор или фототиристор), между ними включен оптический канал, передающий свет от излучателя к приемнику. Обо­значение диодной оптопары, состоящей из светодиода и фотодиода, при­ведено на рис. 1.20, д. В оптопарах, полностью отсутствует электричес­кая и магнитная связь между излучателем и приемником. Электричес­кая прочность материалов, из которых изготавливают оптопары, позво­ляет передавать сигналы при разности потенциалов между излучателем и фотоприемником в несколько тысяч вольт. При этом полностью ис­ключаются паразитные каналы передачи информации через собственные емкости, магнитное поле рассеяния и т. п. Недостатком диодной опто­пары является малый коэффициент передачи по току .

При использовании в качестве фотоприемника фототранзистора может быть получено усиление тока. Общим недостатком оптопар является линейность зависимости выходного сигнала от входного, обусловленная нелинейностью характеристик оптопар.

Передача информации от излучателя к фотоприемнику может про­водиться с помощью световодов: гибких шлангов, состоящих из отражающей оболочки и сердцевины из органического или неорганического стекла. Передача информации по световодам обеспечивает полную защищенность от электромагнитных помех.

Оптоэлектронные приборы находят все более широкое применение информационной и энергетической электрхшике, в различных устройствах для передачи и отображения информации.

1. Перечислите подвижные и неподвижные заряды в примесных по­лупроводниках, укажите их происхождение и зависимость кон­центрации от температуры.

2. Почему при анализе электропроводности металлов не учитывают дырочную составляющую тока?

3. Почему вне запирающего слоя р-n перехода слои полупроводника нейтральны? Какими зарядами создается запирающий слой и вну­треннее электрическое поле перехода?

4. Объясните зависимость ширины запирающего слоя р-п перехода от приложенного напряжения.

5. Укажите напряжения, приложенные к р-п переходам транзистора на пологом ( ) и крутом участках выходной характе­ристики рис. 1.7, а.

6. Объясните (без формул), почему при постоянном увеличение тока базы транзистора вызывает увеличение тока коллек­тора.

7. Объясните процессы в транзисторе при =0,

8. Как изменится эмиттерный ток транзистора при увеличении ( ), если ток базы поддерживается постоянным?

9. Укажите случаи, когда ток стока полевых транзисторов изменяет­ся из-за расширения р-п переходов.

10. На основании стоковых характеристик рис. 1.9, г и рис. 1.11,б, в постройте стокозатворные характеристики =f() при =const.

11. Объясните распределение токов в тиристоре. Какую роль в его ра­боте играет зависимость коэффициентов передачи и от то­ка ?

12. Почему процесс отпирания тиристора при подаче тока управления протекает лавинообразно?

13. Почему в однооперационном тиристоре уменьшение управляющего тока не приводит к запиранию прибора?

14. Назовите преимущества ИМС. Объясните зависимость стоимости ИМС от степени интеграции.

15. Сформулируйте отличительные особенности полупроводниковых и гибридных ИМС.

16. Объясните принцип действия светоизлучающего диода, фотодиода, фототранзистора и фототиристора. В чем преимущество оптронов перед приборами с электрической связью?