Книга: Учебное пособие. Полупроводниковая и вакуумная электроника (М.Д. Воробьев)

Распознанный текст из изображения:

11

Л1

где Ер — характеристическая величина распределения, называемая энергией или уровнем Ферми;/с в постоянная Больцмана.

На рис. 1.9 показан график функции распределения для Т= О и Тг-О. Согласно рисунку Ер представляет наивысший энергетический уровень, занятый электроном при Т= О. При Тй 0 вероятность занятия уровня Ер. равна 1!2.

Для функции распределения дырок справедливо выражение

Тр (Е) 1 ~~> (Е)

Ер — Е

ехр~ ) +1

ЕТ

(1.5)

1.6. Концентрация подвижных носителей заряда

в полупроводниках

Рассмотрим сначала концентрацию подвижных электронов. При этом будем исходить из того, что подвижные электроны — это те, которые находятся в зоне проводимости. Для нахождения общего числа электронов л в зоне проводимости, приходящихся на единичный объем, необходимо учесть число имеющихся в зоне проводимости свободных энергетических уровней Л'в(Е) и вероятность заполнения каждого из них электроном)„'(Е), приняв во внимание принцип Паули;

п = ) 2~„(Е)1Уа(Е)г(Е (1.6)

Е

Для невырожденных полупроводников, т. е. в том случае, когда выполняется условие

ехр с Р »1

выражение (1.6) приводится к виду

А> с Р

(1,7)

(1.8)

2(2пт„)сТ)> з

где Ф,= — эффективная плотносп, сес1еялий в зоне проводимости.

Условия невырожденностн, пересчитанные с использованием (1,7) и (1.8)

19 -3

к концентрациям и прн Т= 300 К, дают для кремния и < 1,05 10 см и для

0аАа п<1,54 10 см , Только при соблюдении указанных неравенств можно

17 -Э

пользоваться соотношением (1.8).

Концентрация дырок р рассчитывается в той же последовательности, что

и и; при условии невырожденности для р справедливо выражение

Р=А>,ехр -~

(1.9)

2(2„щ )сТ)с2

где А>„= — эффективная плотность состояний в валентной зоне.

,з

Перемножая (1.8) и (1.9), получим

( АЯ„'(

ар =А> А> ехр —,

ГКТ1

(1.10)

т. е. произведение концентраций подвижных электронов и дырок зависит только от температуры полупроводника и ширины запрещенной зоны.

Применим теперь полученные соотношения к полупроводникам различных типов. Для собственного полупроводника концентрации электронов и дырок должны быть одинаковыми, Из (1.10) в этом случае следует:

и = р = п = /М >У ехр —,

( АЕя1

2БТ )

(1.11) где л, — обозначение концентрации подвижных носителей в собственном попупроводнике.

Приравнивая (1.8) и (1.9), получим выражение для энергии Ферми:

Ер — — " +йТ(п (1.12)

2 >лл

Из (1.12) следует, что при Т = 0 уровень Ферми лежит в середине запрещенной зоны, а с увеличением Тон незначительно изменяет свое положение. Степень этого изменения зависит от соотношения >ар />л„.

Расчет концентрации подвижных носителей в примесных полупроводниках проводится с учетом уравнения электронейтральности (1.1), а также соотношений (1.8) и (1.9). В общем случае для решения необходимо использовать численные методы, однако в определенных температурных диапазонах концентрация л„может быть приближенно вычислена с помощью аналитических соотношений. Если всю область возможных Т разделить на три диапазона, условно назвав их диапазонами низких, средних и высоких Т, то первый из них определяется очень большой вероятностью нахождения электронов на уровне Е>>, т. е. слабой ионизацией донорных атомов:

1-Т(Е>>)~1. (1.13)

Распознанный текст из изображения:

12

В этом случае, используя уравнения (1.1), (1.4) и

Лл =.! ЕХР~ — 1,

,, 21Т~

где ЛЕр — энергия активации донарной примеси

Для энергии Ферми

(1.8), можно получить

(см. рис. 1.8).

Е,+Ер йТ Мр

Е с + — !и —.

2 2 2А',

При такихже условиях для дырочного полупроводника

Е„- Е, 21Т 1УА

ЕР=" — — !и — ",, (1.17)

2 2 юг

где ЬЕА — энергия активации акцепторнай примеси (см. рис, 1.8).

Диапазон средних Т определяется очень высокой вероятностью ионизации донорных атомов, т. е. вероятность нахождения электронов на уровне Ер очень мала, и практически каждый донорный атом создает один свободный электрон, При этих условиях для электронного полупроводника

п„= )Ур Л,18\

(1.16)

и для дырочного

рд =1тА (1. 19)

В диапазоне высоких температур определшащую роль для концентрации свободных носителей заряда начинают играть процессы их образования за счет генерации электронно-дырочных пар, как для собственного полупроводника. При этом выполняются условия

л; » ХР, ИА, (1.20) и для расчета концентрации носителей необходима пользоваться соотношением (1,11).

В соответствии с изложенным выше происходит измененнс положения уровня Ег„с ростом Т . При Т = О уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости Е и уровнем доноров Ер, а при увсличении Т будет стремиться к середине запрещенной зоны Е;, как для сабе~венного полупроводника. Аналогичные изменения происходят и для Е1:, исходное поло-

1'р

жение которого при Т= 0 — середина между уровнем акцсп горов ЕА н потолком валентной зоны Е„.

Рассмотренные соотношения позволяют построить зависимость концентрации основных носителей заряда и от Т (рис.1.10). Для пос1расння удобно воспользоваться координатами !ил„... УТ, так как они позволяют представить зависимости в виде отрезков прямых. Здесь можно выдс.ш гь три характерных участка, соответствующие диапазонам низких, срсш1нх н высоких

13 температур, для которых применимы соотношения (1.14), (1.18) и (1,11). Угол наклона прямой в диапазоне низких Т значительно меньше, чем в

высокие области высоких, так как ЛЕ » ЬЕр, а в диапа- средние Д1МПЮан зоне средних Т концентрация п„от температуры не зависит. Пунктиром на рис. 1.10 показана температурная зависимость для л,, а также диапазон рабочих температур ддя большинства по- ' !1Т лупроводннковых приборов (-50 ... +150' С). Аналогичный характер имеют температурные

Рлс. 1.10 изменения р для акцепторного полупроводника.

Концентрация неосновных носителей и ее температурные зависимости могут быть найдены из (1.10) н (1.11). Для диапазона рабочих температур

2 2 2 и Р

(1.21)

л„)ур ' рр МА откуда следует, что, в отличие от основных носителей, концентрация неосновных носителей в этом температурном диапазоне согласно (1,11) сильно зависит от Т. 1.7. Дрейф и диффузия носителей заряда в полупроводниках

При отсутствии внешнего электрического поля электроны и дырки в полупроводнике находятся в состоянии хаотического теплового движения. Принимая во внимание взаимодействия подвижных носителей с кристаллической решеткой, тепловое движение носителей можно охарактеризовать средней длиной свободного пробега ! н средней скоростью УТ. Очевидно, что в среднем при хаотическом характере движения перемещение носителей заряда в любам из направлений равно нулю.

Если к полупроводнику приложено электрическое поле Е, то в любой момент времени на подвижный носитель действует сила, направление которой определяется направлением е. В результате на хаотическое движение накладывается направленное движение (дрейф), которое характеризуется средней скоростью г В слабых электрических полях (при 8<10 В/см), когда выполняется ус-

з ловие У «1'Т, др

7 =рб (1.22)

Направленное движение носителей заряда, возникающее под действием приложенного к полупроводнику электрического поля, создает электрический ток (ток дрейфа), который принята характеризовать отношением тока х

Распознанный текст из изображения:

!4

уп др =епр»а

(1.23)

!гг

Рнс. 1.12

Рнс. !.11

»»Ф

Рис. 1.14

Рпс. 1.13

~пюп!аз!и поперечного сечения полупроводника, через которую он протекает

(шютпостью тока). Плотности тока дрейфа электронов и дырок определяются

как

у» дп =ел)гре,

где )г» и )г, — подвижности электронов и дырок, не зависящие от с.

Очевидно, что исходя нз принятого в электротехнике положительного направления тока как направления движения положительных зарядов, суммарная плотность тока дрейфа при наличии в полупроводнике электронов и дырок равна

)яп=е(л)г»+ррд)е=пе, (1.25) гдец — уделъная проводимость полупроводника.

При конструировании и эксплуатации электронных приборов важную роль играет зависимость ц от температуры. Рассмотрим эту зависимость на примере электронного полупроводника, для которого справедливо

о = елр». (1.26)

Соотношение л = л(Т) было рассмотрено выше (см. рис.1.10). Величина )з„ и ее зависимость от температуры определяются процессами рассеяния подвижных носителей, которые препятствуют перемещению носителей в полупроводнике и ограничивают значения )г» . К числу таких процессов, в первую очередь, относятся взаимодействия носителей с колеблющимися вблизи положения равновесия атомами кристаллической решетки при Т$ О, а также кулоновское взаимодействие с ионизированными атомами примесей. С позиций квантовой механики энергия тепловых колебаний атомов должна быть квантована, и при рассмотрении процессов взаимодействия этн колебания представляют в виде квазичастиц — акустических фононов. Очевидно, что с увеличением температуры интенсивность тепловых колебаний возрастает, количество фононов увеличивается, а это в результате взаимодействия носителей с фононами приводит к снижению подвижностир» Кроме того, кулоновское взаимодействие с атомами примесей, достаточно сильное при низких температурах, с ростом Тослабевает из-за возрастания энергии носителей.

Зависимость )г» = р»(г1, учитывающая оба рассмотренных процесса рассеяния, приведена на рис. 1.11. Левая часть кривой обусловлена рассеянием на ионизированных атомах примесей, правая — рассеянием па фононах, Диапазон температур, при которых обычно эксплуатпрунпся полупроводниковые приборы, приходится на правую половину кроной.

Принимая во внимание (1.2б), рис. 1.10 и 1.1 ! „можно ~еперь построить зависимость о = а(Т). Обычно для этого, как и на рис. !.!О, используют координаты 1па...1/Т(рис. 1.12). Очевидно, что в лиапкп»~г рабочих температур происходит уменьшение значения о и увеличение гопщп и»пения полупроводника с ростом Т.

Помимо дрейфа подвижных носителей электрический ток в полупровод-

нике может возникать вследствие диффузионного движения носителей. Как

известно, диффузия представляет направленное перемещение частиц из-за

неодинаковой их концентрации в различных частях рассматриваемого объ-

ема. Если в полупроводнике искусственно создать неодинаковую по объему

концентрацию подвижных носителей (например за счет неодинаковой кон-

центрации примеси), то возникает диффузионное перемещение носителей и,

следовательно, электрический ток, который называется диффузионным то-

ком. Плотность потока частиц согласно законам диффузии пропорциональна

градиенту концентрации подвижных носителей. В результате плотность тока

за счет диффузии электронов и дырок также будет пропорциональна гради-

енту их концентрации. Для одномерной модели полупроводника

йп

!» д»ф = еР

дх

1р пяф =-еРр —,

(р

(1.28)

Йх

где коэффициенты пропорциональности лРназываются коэффициентами

диффузии для электронов и дырок соответственно. Знак минус в (1.28) пока-

зывает, что направление тока для дырок противоположно знаку градиента.

Возникновение диффузионного тока в системе с неоднородным распределе-

нием концентрации показано на рис. 1.13 н 1.14.

Распознанный текст из изображения:

1б

1ио и(и(пп1исигы диффузии Ви,р подобно подвижностям )бир отражают шюсобиос1Ь 1дЕКтраНОВ И дЫРок к перемещению. Поэтому между величинами П и р должна существовать связь, которая может быть найдена теорети1ссии и известна под названием дсоотношение Эйнштейнаж

РТ

)3 = р (129)

е

'хТ

(1.30)

е

Суммируя (1.23), (1.24), (1,27) и (1.28), можно получить общие выражения для плотностей токов электронов и дырок в одномерной модели полупроводника:

б(л

)и = ги др е )и диб = елР,ЕЕ е1)д — „

б(х

Зр = )р др Егр лиф = елц рŠ— Юр—

(р

пх

П.З! )

П.зг)

Контрольные вопросы

1, Обьяснить образование и перемещение свободных носителей заряда в плоской модели кристаллической решетки полупроводника.

2, Начертить энергетические диаграммы собственного и примесного полупроводников и показать, как происходит генерация и рекомбинация носителей заряда.

3. Рассмотреть, как находится концентрация свободных носителей заряда в собственном и примесных полупроводниках.

4. Начертить и объяснить зависимости концентрации основных носителей заряда от температуры в собственном и примесных полупроводниках.

5. Начертить и объяснить зависимости концентрации неосновных носителей заряда от температуры в примесных полупроводниках.

б. Дать определения для дрейфа носителей заряда в полупроводнике, подвижности, записать соотношения для плотности тока дрейфа электронов, дырок и удельной проводимости.

7. Начертить и объяснить зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры,

8. Рассмотреть механизм возникновения диффузионного тока в полупроводнике, показать направление диффузионного тока ддя ра:шичных носителей заряда, перечислить факторы, от которых зависит бп1ффузионный ток. Записать соотношение Эйнштейна.

Контакты играют важную роль при работе полупроводниковых приборов, Знание физических процессов, происходящих на контактах, способствует пониманию принципов работы большинства полупроводниковых приборов, а также выявлению факторов, способных частично или полностью блокировать их работу.

2.1. Электронно-дырочный переход

2.1.1. Структура и энергетическая диаграмма

Обычно электронно-дырочный переход (сокращенно р-и-переход) получают в одном монокристалле полупроводника, легируя его соседние области примесями различных типов (донориыми и акцепторными). Рассматривая процессы в р-л-переходе, его приближенно представляют как механический контакт р- и л-полупроводников (на практике такой контакт ие будет обладать свойствами р-л-перехода). Сразу же после образования контакта начинается интенсивная диффузия подвижных носителей из областей с большой концентрацией в области, где их концентрация невелика (дырок — из р-области в л-область, а электронов — из л-области в р-область). В результате ухода подвижных носителей из приграничных областей возникают нескомпенсированные заряды ионов примесей, создающих внутреннее электрическое поле р-п-перехода, препятствующее диффузии (рис. 2.1). После того, как некоторое количество подвижных носителей перейдет вследствие диффузии в соседние области, наступит динамическое равновесие, характеризуемое определенным значением напряженности внутреннего электрического поля 8,„ . В условиях равновесия количество переходящих за счет диф- Метып1ургическаи Ионизировдниые фузии в соседние области носителей од- "Рд"""а л дт мы примесей ного типа будет равно количеству носителей этого же типа, возвращающихся под действием внутреннего электрического поля. Область, где в основном сосредоточены ионизированные атомы примесей, называется областью про-

Область

странствеиного заряда (ОПЗ). Линия простраистдеидого разделяющая области полупроводников здридд различных типов, обозначена на рис.2.1

Рис. 2.1 как металлургическая граница.

К пониманию многих важных свойств р-л-перехода можно подойти, если использовать при его рассмотрении энергетические диаграммы. Диаграмма перехода формируется из энергетических д ИМ7'ГРКХ

Распознанный текст из изображения:

юз

и-областей с учетом того, что после образования перехода в процессе уста-

новления равновесия уровень Ферми Ег для всей образованной структуры

становится общим (рис,2.2). ЭнергетиОпз; ческие уровни в пределах ОПЗ претер» певают плавное изменение. Очевидно,

еф,,

"и

что подвижный носитель любого знака,

попав в ОПЗ, будет вынесен оттуда

вследствие существования внутреннего

электрического поля. Таким образом,

Е,

подвижные носители в ОПЗ практичс-

Е„ ски отсутствуют.

Существование Еллжр в ОПЗ приводит на энергетической диаграмме к

возникновению потенциального барьера, отсчет высоты которого произвоРис. 2.2

дится как на рис. 2.2, где флпп — кон-

тактная разность потенциалов. Учитывая сдвиг энергетических уровней в л-

и р-областях на еззлр„а также используя (1.8), можно получить

И »лир (гТ 1» ппл

<рлпп = — !и — = — 1л

е »2 е из

где МП и Фд — концентрации донорных и акцепторных примесей соответственно в и- и р-областях р-и-перехода. Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов флрп составляет О,б — 0,8 В (81) и 0,2— 0,3 В (Ое).

Ширину ОПЗ, отмеченную на рис.2.1, чаще называют шириной р-л-перехода 1„». Величина 1 „может быть найдена посредством решения уравнения Пуассона для модели перехода со ступенчатым распределением примеси с учетом условия электронейтральности:

(2.1)

(2.2)

Д п1» =)У,1,,

где 1„и 1, — ширина части ОПЗ, лежащей соответственно в и- и р-областях. На практике в основном встречаются так называемые несимметричные р-иле-реходы, для которых концентрация примесей в одной из областей значительно превышает концентрацию примесей в другой области (например Мл » Мп). В этом случае ширина р-л-перехода согласно (2.3) определяется в основном величиной 1„, т.е, область объемного заряда в основном сосредоточена по одну сторону от металлургической границы:

!9

2аеафлрп

еМп

(2.4)

Область р-и-перехода с минимальной концентрацией примеси принято

называть базой, а с максимальной — эмиттером.

2.1.2. Вольт-амперная характеристика идеального р-и-перехода

При приложении напряжения кри-переходу через него протекает ток, являющийся следствием направленного движения носителей заряда. В том случае, когда приложено нулевое напряжение, ток равен нулю и переход находится в состоянии динамического равновесия, характеризующегося непрерывным прохождением подвижных носителей заряда через переход в обоих направлениях. Этому случаю соответствует рис. 2.3. Вследствие диффузии происходит пере-мещение электронов из и-области

в р-абластьп а дырок — из р-области в и-область. В результате возникают

11» ли

3 л

1»ч

диффузионные токи основных носителей соответственно для электронов Рис. 2З

1» дпф н дыРок ул дпф, напРавлениЯ которых совпадают. Кроме того, все неосновные носители, оказавшиеся в силу случайного характера их движения вблизи границы ОПЗ, втягиваются внутренним электрическим полем перехода н перемещаются в соседние области — электроны из р-области перемещаются в и-область, а дырки— из и-области в р-область, Возникающие в результате токи неосновных носителей называютсЯ токами дРейфа Ридли Ордг, они имеют одинаковое направление, противоположное направлению токов диффузии. Очевидно, что для каждого типа носителей и для всех вместе в условиях равновесия справедливы равенства

1» = 1»лиф+ 1»ар=01 (2.5)

1р=уяд ффйядг=О' (2.6)

улаф+) др — — О. (2.7)

Рассмотрим теперь, как изменятся условия прохождения токов при положительном (прямом) напряжении (7, приложенном кр-и-переходу (рис,2.4). Направление внешнего электрического поля при этом противоположно на-

Распознанный текст из изображения:

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИД И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИК

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

МД. ВОРОБЬЕВ

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по курсам

аЭлектроника и твердотельная злектроникаИ

«Вакуумная и плазменная электроника

для студентов, обучаююихся па направлениям

«Электроника и микроэлектрониказ, «Радиотехника»

~Ы1~!1~~~~11~~11~1~1~~~!И!И1

0389189

БИБДИОтККЛ 1з „я Вкддтдп88Офи тд

;Рт

Москва

Издательство МЭИ

ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ И ВАКУУМНАЯ

ЭЛЕКТРОНИКА

Распознанный текст из изображения:

УДК

021 20

В-751

Ущеерждел о ущблын управлением 24ЭЛ ( ГУ7

а лачесщве учебнозо щюобия для студенмов

Подгошовлю о нп кафедре элекмронньи лрнбаран

Рецензенты канд. техн,наунА.И Ку ~умз в, канд техн. наук ЕЕ. Чаплины

Воробьев М.Д.

В 751 Полупроводннколвя и юкуумнвя злектраника1 учебное пособие 04 Д. Воробьев. — М Н лвюзл с~на МЭИ, 2005 \40

РВВИ 5-7046 1271 7 ~ С 7

С вЂ” 1 1

Изгюж и, юювннс р.зделы дисциплин, являющюсв саве .ью ых

ебу ающньса л с и шщностям приборного н схеме юю ~ о г > филя Пом и флючсскнхосноврассмогренывопроси пр~ щ~ня аракзера, часнз ае р мощиеся в практике привюаення ~не~гневе енаоых н вакуумль вксивных элекгронных элементов. Кюаямв в 1с в и

пособия .л, бжен вопро амн двя самокщпроля.

Лвя стуле~лов П и П1 курсов специальности в2з)окцз веи ог» 1

устрайс нза»

ВВЕЛЕПЫЕ

В настоящем пособии в соответствии с Гасударственными обрюовательными стандартами н коМпаюной и адмпировашгой к студенческой аудитории форме изложены физические основы рабаты совремегпщзх активных электронных эдементов — полупроводниковых и вакуумных„а также рас. сматрены вопросы, связанные с их практическим применением. Для попупроводниковых элементов последнее представлено в раЗделах, посвященных разновидностям диодсв, транзисторов, ввтегральным схемам и оптоэлектронным приборам, а для вакуумных — в разделах по электронным эьпптерам н базоввщ узлам электронно-лучевых приборов.

Содержание пособия не следует рассматривать как исчерпывающее по затронутым вием вопросам, хотя сне и может использоваться для подютавки к выполнению и защите лабораторных работ и для практических занятий. Внимательному читателю рекомендуется параллельно с чтением разделов пособия знакомиться также с аналогичпыьпг разделами в более фундаментальной литературе, чтобы составить более полнее представление об изучаемом вопросе и выбрать наиболее понятный н доступный для себя способ изложения материала.

Для увеличения эффективности изучения материала пособия в конце каждого раздела предлагаютса вопросы, предназначенные каК дпя самопроверки, так и для контроля при проведении лабораторных и практических занятий.

Пособие написана с учетом опыта, накопленного автором при чтении лекционных курсов, проведении лабораторных и практических занятий на факультетах рлпиотехюгчщкам н электронной техники И РЭ.

Автор выражает признательность студентам ИРЭ спепиавьностн вЭлектронные приборы и устройства», сказавших существенную юхническую помщць при подготовке рукописи пособия к печати. А Скибе, Атдаритонову, А Щиголеву, А.Левшеика, Л,Свйдапь.

1ЛПВ В-704*1271-7

Распознанный текст из изображения:

20 правлению внутреннего поля, в результате чего высота потенциального барьера, препятствующего диффузии носителей через р-л-переход, снижается на величину У. Следовательно, при этом увеличивается ) двф. В то же время результирующее поле в области перехода при допустимых на практике значениях У всегда сохраняет тот же характер, что и в условиях равновесия, т. е. является ускоряющим для неосновных носителей. Поскольку число неосновных носителей вблизи границ объемного заряда остается прежним, при изменении напряжения остается неизменным и ток ) дР .

др Еввсшв Еввиуй1

Рнс. 2.5

Рас. 2.4

Таким образом, с появлением и ростом прямого У равенства (2.5) — (2.7) нарушаются из-за возрастания )двф при неизменном )др. Результирующий ток через р-л-переход называется прямым током )лР— — )двф — )дг, его величина определяется в основном током основных носителей заряда, а направление показано на рис. 2.4, Вследствие экспоненциального характера распределения основных носителей по энергиям возрастание )вр с увеличением У должно носить такой же характер.

Если к р-л-переходу приложено отрицательное (обратное) напряжение (рис.2.5), то направление внешнего электрического поля совпадает с направлением внутреннего поля, что ведет к увеличению высоты потенциального барьера, препятствующего диффузии основных носителей через р-п-переход, на величину (Г. При достаточно больших значениях ~У~ )двф СНИжаЕтСЯ ПРаКтИЧЕСКИ ДО НУЛЯ, )лг В СИЛУ УКаэаННЫХ ВЫШЕ ПРИЧИН ОС- тается неизменным, в результате чего ток через р-л-переход определяется

21 главным образом неосновными носителями. Этот ток называется обратным током )обр = )двф )др — )дР, 'его направление показано парис. 25.

На основе проведенного рассмотрения потоков носителей заряда можно заключить, что с ростом прямого напряжения ток через р-и-переход резко возрастает и поэтому достигает больших значений при малых напряжениях. С ростом обратного напряжения ток через р-н-

О переход, достигнув небольшого значения, определяемого током дрейфа неосновных носителей, практически не меняется, Отсюда следует, что р-л-переход пропускает ток преимущественно в одном направлении, т. е. Облада- Рис. 2.б ет вентнльными свойствами (рис. 2.6).

Расчет вольт-амперной характеристики (ВАХ) плоского р-л-перехода связан с необходимостью рассмотрения распределения концентрации подвижных носителей заряда и плотности создаваемых ими токов вдоль направления х, нормального к плоскости перехода. На рис. 2.7 показано распределение носителей в равновесных условиях (сплошные линии и обозначение концентраций индексом "0") и при У>0 (пунктирные линии) для р-п-перехода, имеющего малую ширину. При У>0 основные носители, прошедшие через р-л-переход за счет диффузии, приводят к появлению неосновных избыточных носителей, концентрация которых снижается за счет рекомбинации по мере удаления от границы р-л-перехода. На смену рекомбинировавшим неосновным носителям через р-и-переход поступают новые, в результате чего поддерживается неизменное во времени распределение концентрации н = н(х) и р = р(х) (пунктирные линии на рис. 2.7). Одновременно с введением неосновных носителей в р- и л-областях появляется такое же количество дополнительных основных носителей, приходящих из глубинных слоев д- и р-областей (соответствующее увеличение концентрации основных носителей также отражено на рнс. 2.7). Введение в р- и л-области перехода неосновных носителей при приложении к нему прямого напряжения называется инжекцией. Инжекция непосредственно связана с протеканием прямого тока чер

ез р-л-переход,

О

Рнс. 2.7

Распознанный текст из изображения:

23

Рас. 2.9

Рис. 2.10

(2.9)

Ряс. 2.8

(2.11)

оЕв )

)о — ехр — ),

)гТ !

(2.10)

без учета й

четом Рв

Рис. 2.11

Как показывают расчеты, выполненные с учетом диффузионного и лрсйфового компонентов тока через переход (6), суммарный ток р-лперехода равен;

(еРррпо еРплро )( еУ ), ( еУ

./=~ ~ехр — -1~ = го ~ехр — -1,

(2.8)

Е„)(, йт )' ~ ЕТ

где Лр,» —— .~Рр,лт рж — диффузионная длина; т р,„— среднее время, которое проходит с момента поступления неосновного носителя в р- илн и- область до рекомбинации (время жизни); 1р — зепловой ток (ток насыщения), совпадающий с /др,

Для несимметричного перехода, в котором, например, эмиттером является р-область (Мл » Мп), р„о » лро (см. (1.21)), прямой ток через переход приводит в основном к инжекции дырок из эмнттера в базу, хотя и существует малая по величине инжекцня нз базы в эмнттер.

ВАХ, построенные согласно (2.8) на рис.2.8, по форме мало отличается от приведенной на рис.2.6, однако для удобства при ее построении выбраны различные масштабы для прямой и обратной ветвей.

Тепловой токуж входящий в (2.8), определяет харак- 11 тер температурного влияния на ВАХ. Заменяя в (2.8) р„о и лро с использованием (1.21), можно получить

где в скобки вынесены величины, слабо зависящие от

температуры. С учетом (1.11)

т. е. с ростом Т происходит резкое возрастание теплового тока.

Как следует из (2.8), характер температурного воздействия па ) прн постоянном прямом У определяется соотношением между ЛЕв и еУа с разными знаками входящими в показатели экспонент. Учитывая, по условием существования р-л-перехода является потенциальный барьер высо ~ ой жр кол, то У<фарп, а в соответствии с рис.2.2 е<ркрл <АЕв. Таким об)хпоьь ЛЕ >еУ, что влечет за собой увеличение глв с ростом Т, ВАХ, пос ~ рос ппые при различных Т, приведены на рис. 2.8.

2.1.3. Реальная вольт-ампер пан харак герое ~ нка

Уравнение (2.8), полученное теоретически лля нлр;опшированной модели

р-л-перехода, во многих случаях значительно расходи гся с жсперименталь-

ными ВАХ. Рассмотрим дополнительные факторы, которые могут приводить к такому расхождению и которые не были учтены при получении (2.8).

Как правило, реальный р-л-переход является несимметричным, получаемым путем вплавления, напыления, осаждения или диффузии атомов примесей в базовую пластину со сравнительно малой концентрацией атомов примеси (рис. 2.9). Часть структуры, образованная базовой пластиной н имеющая сравнительно низкую концентрацию примеси, является базой. Другая часть с высокой концентрацией является эмиттером. Из-за различия концентраций сопротивление базы значительно превышает сопротивление эмиттера (Лб » Лэ). С учетом заметного сопротивления области базы Яб электрическую цепь для протекающего через р-л-переход тока ) можно представить схемой, показанной на рис. 2.10. В этом случае на основании закона Кирхгофа и (2.8)

еУР-я ) . ( е(У вЂ” Уб)

Т = 1оЕ~ ехр — 1~ = )оГ~ехр +

2Т у' ~ 2Т

е(У вЂ” 1)2б)

где Š— площадь перехода; У, У р „ Уб — соответственно напряжения на клеммах цепи, на р-п-переходе и на сопротивлении базы. ВАХ перехода с учетом и без учета )(б приведены на рис. 2.11. Для обратной ветви изза малых величин )обр и Уб ВАХ практически совпадают.

Наряду с Еб заметное влияние на ход ВАХ оказывают генерация и рекомбинация носителей заряда в области объемного заряда р-п-перехода (6). В результате происходит

Распознанный текст из изображения:

24

Без учета

ции

и ОПЗ

О учетом тока утечки

Рис. 2ЛЗ

Рпе. 2.12

Рис. 2.15

Рис. 2.16

и йюрмацин ВАХ за счет увеличения прямого и обратного токов (рис. 2.12).

Обрптиаи ветвь ВАХ перехода может быть также деформирована за счет существования тока утечки 1у„обусловленного сопротивлением Аут плепок загрязнений на поверхности базовой пластины, в которой формируется переход. Существование 1у, становится заметным при очень малых 1о, то есть для полупроводников с большими значениями АЕк (например для бй и ОаАз). Влияние тока утечки на ВАХ продемонстрировано на рис.2.13 в предположении, что сопротивление утечки не зависит от !1. Из-за малой величины 1ут влияния на прямую ветвь ВАХ практически не оказывает.

Г)рн достижении достаточно большого значения обратного напряжения, приложенного к р-и-переходу, происходит резкое увеличение обратного тока. Такое явление называется пробоем. Различают электрический и тепловой пробои; в свою очередь, электрический пробой подразделяется на лавинный и туннельный.

Отличие электрического пробоя от теплового состоит том, что он не приводит к нарушению структуры и выходу перехода из строя, в то время как при наступлении теплового пробоя переход становится непригодным для

дальнейшей работы из-за разрушения структуры.

! ВАХ перехода при наличии электрического пробоя 12„р, показана на рис. 2.14. ,р,о

Лавинный пробой обычно наблюдается в Р-и-переходах с большой шириной !. Неосновные носители заряда, перемещаясь через Р-л-переход под действием электрического поля, приобретают большую энергию и могут поэтому ионизировать атомы кристаллической решетки при столкновениях с ними. Образующиеся при столкновениях подвижные носители также перемещаются в электрическом поле и сами ионизируют атомы при Рис. 2Л4

столкновениях. Как показано парис. 2. !5, в результате возникает электронная лавина, характеризуемая резким увеличением тока

~ерез переход. Напряжение, при котором развивается лавина, называется напряжением пробоя 1!проб. С повышением температуры возрастает тепловая скорость подвижных носителей, уменьшается время свободного пробега и п4ергия, которую они набирают в электрическом поле. Следовательно, для ~юддержания электронной лавины при большей температуре необходимо увеличить напряжение на переходе, т. е. с ростом температуры напряжение рупроб увеличивается. Для лавинного пробоя характерны напряжения пробоя < !!проб < 200В.

Туинельный пробой возникает в р-и-переходе с малой шириной. В этом случае появляется возможность для прямого туннелирования электронов сквозь барьер из валентной зоны в зону проводимости без изменения энергии 1рнс. 2.1б). Туннельный ток электронов резко возрастает при приложении к пеРеходУ небольшого обРатного напРЯжениЯ !!проб, пРи котоРом электРоны с заполненных уровней в валентной зоне Р-области переходят на незаполненные уровни с такой же энергией в зоне проводимости и-области. С повышением темпеРатУРы веРоЯтность тУннелиРованиЯ возРастает, т. е. !!проб уменьшается. Для туннельного пробоя характерны небольшие напряжения пробоя !!проб < 5 В.

Тепловой пробой приводит вследствие выделения большого количества

гепла к необратимым изменениям структуры Р-и-перехода и выходу его из

строя. Мощность, подводимая к диоду, равна

Рподв = 1обр!2 . !2.12)

Считая, что обратный ток 1обр равен тепловому току 1о (без учета токов утечки и генерации), можно записать согласно !2.10):

1обр = 1о — ехР1 — ),

21Ек

(2.13)

!4Т

В установившемся режиме работы мощность Рподп должна быть равна мощности, отводимой от диода Ропп. Учитывал, что отвод тепла от пеРехода осуществляется в основном за счет теплопроводности через элементы конструкции, для Роте справедливо

Распознанный текст из изображения:

26

Т вЂ” Та Ротв =— (2.14)

йг где Т вЂ” температура р-и-перехода; То — температура окружающей среды; йг — тепловое сопротивление, величина которого определяется конструкцией отводящих тепло элементов и их теплопроводностью.

С учетом записанных соотношений развитие теплового пробоя можно представить следующим образом. Увеличение напряжения приводит к росту мощности Р„,д„в результате чего возрастают значения Рота и Т. В соответствии с (2.12) — (2.14) рост температуры приводит к увеличению Рподв, Рота и далее снова в такой же последовательности. При некотором напряжении, называемом папРЯжением теплового пРобоЯ Упроб, Указанные пРоцессы нарастают лавинообразно и приводят к резкому неуправляемому увеличению тока, подводимой мощности и температуры, вследствие чего происходят необратимые изменения структуры р-и-перехода и выход его из строя. Обратная ветвь ВАХ при наличии теплового пробоя приведена на рис.23 7.

Как следует из (2.12) — !2.14), переходам с большими значениями 1обр соответствуют меньшие напряжения теплового пробоя; Управ уменьшается с ростом температуры окружающей среды. Для повышения Упроб необходимо использовать мощные теплоотводы с большей теплопроводностью, обеспечивающей меньшие )2 . Рис. 2.17

Рис. 2.18

Необходимо отметить, что электрический пробой при достаточно большой мощности Рподв может переходить в тепловой пробой. В качестве примера на рнс.2.18 приведены обратные ветви ВАХ для р-и-переходов, изготовленных из % и Ое Уо а,»1о з,). Для переходов, изготовленных на основе Ое, т. е. обладающих большими значениями 1обр, из-за больших Рдодв сразу наступает тепловой пробой.

2.1.4. Емкость р-л перехода

Существование в ОПЗ р-и-перехода и прилегающих к нему слоях электрических зарядов, изменяющихся при изменении приложенного напряжения, приводит к появлению емкости. Различают барьерную и диффузионную емкости р-и-перехода. Барьерная емкость обусловлена зарядом ионизированных примесей в ОПЗ гсм. рис, 2.1). Равные друг другу положительный и от-

рпцательный заряды в ОПЗ называются связанным зарядом:

0..=0..=0., 12.15)

На рис. 2.19 показано распределение плотности объемного заряда р в ~>113 при двух различных обратных напряжениях У. Заряды Д,+а н Щ на основании рис2.19 определяются как

Р оул1 и еУц1и. Согласно (2.2) с ростом братного напряжения происходит уве- еуо

~и шчение ширины барьера 1=1 е1„, так

к к,пс высота барьера вместо еср „станопится равной е(града +У). Вместе с тем Р>1 возрастает и й . Связь между изменени.м Д„и У отражается дифференциаль- ч ) ~ ~ай емкостью, называемой барьерной ем-

Ряс. 2.19

42св

Сбар = —. (2.1б)

г)У

Пользуясь (2.3), (2.16) и рис. 2.19, можно рассчитать Сбар. Для несимметричного перехода (Мд ~тУ1э) емкость, приходящаяся на единицу попсрхности перехода, равна

и

Сбар = (2,17)

~ 21<р.р. - У)

Соотношение (2.17) справедливо при любой полярности У (с учетом знака подставляемой величины), однако при положительных У должно выполняться условие У<(р Иногда, рассматривая зависимость Сбар от У, ис: ~ользуют представленйя о емкости р-л-перехода как о емкости конденсатора, обкладки которого раздвинуты на ширину ОПЗ, что формально дает резуль- ~ тг совпадающий с (2 17)

Диффузионная емкость связана с инжекцией носителей заряда при прямом приложенном к р-л-переходу напряжении. Согласно рис.2.7, при ин,кекции возрастает концентрация неосновных носителей вблизи металлурги1еской границы. Если ограничиться в основном существующими на практике песимметричными переходами, то преобладающей в ннх будет инжекция из иалттера в базу. При этом наряду с появлением дополнительного заряда не- основных носителей появляется такой же по абсолютной величине, но про- ~ ивоположный по знаку дополнительный заряд основных носителей. Каждый 1з этих зарядов называют накопленным 1лкак:

0как 0вак 1знак ' (2.18)

Очевидно, что с увеличением прямого напряжения У происходит возрастание инжекции и увеличение 0дак, что влечет за собой появление диффеоенцнальной емкости, связывающей зти изменения и называемой диффузионной емкостью:

Распознанный текст из изображения:

маак = )е(ра(х) — рао(х))а(х о

(2.20)

Сп

о

н и,

Р, 2.21

и

Рис. 2.20

Рис. 2.22

Рис. 2.23

С,.ф= ~"ж.

а(2как

а(У

(2.19)

Вычисление Дкак путем интегрирования по всей области л-базы (см.

рис. 2.7):

и подстановка результата в (2.19) дает для диффузионной емкости на едини-

цу поверхности перехода

. е

Сдкф = 1 — тд,

КТ

(2.21) где т и — время жизни неосиовных носителей в базе. Если ширина базы ограничена (тонкая база), то интегрирование в (2.20) должно производиться в конечных пределах, и вместо г р в (2.21) подставляется 1,5т, где т — среднее время диффузионного движения носителя от границы ОПЗ до внешнего контакта.

На рис. 2.20 показаны зависимости Соад и Сддф от приложенного напряжения, построенные согласно (2.17) н (2.21). Здесь же показана зависимость от приложенного напряжения всей емкости, определяемой суммой барьерной и диффузионной компонент перехода Сд д (вольт-фаралиая характеристика). Прн () < 0 Сдкф =О, а при У>0 Сдкф может намного превышать Свар.

2.1.5. Переходные процессы при подключении источников тока

и напряжения кр-л-переходу

Рассмотрим сначала реакцию р-л-перехода на пропускание через него импульса тока. При этом следует различать два случая — малая н большая амплитуда тока. При малой амплитуде создаваемое на р-и-переходе напряжение и ток через переход очень малы, что соответствует согласно 2.1.4 условию Сд-а = Свае =сопаг. В этом случае переходные процессы будут ре-

, |ьтатом заряда емкости от источника тока через сопротивление базы ло в ~~ пейной цепи, показанной на рис.2.21. В момент включения тока напряжена емкости Соад равно нулю, и напряжение на переходе скачком уста. „шливае гся равным С = Ио. В дальнейшем к этому напряжению добавляет» папряжение на Сд-„, возрастающее по мере заряда емкости, что приводит

велнчению () (рнс. 2.22). При отключении тока сначала скачком снижается ю пуля напряжение на лв, а затем очень медленно разряжается емкость ~ 'ър за счет процессов рекомбинации в ОПЗ и тока утечки.

При больших амплитудах тока р-л-переход нельзя представить линейной д лью с постоянными емкостям. Наибольшее влияние на переходные продсссы при этом оказывает постепенное увеличение или уменьшение (рассаывание) адах в базе и связанное с этим изменение Яа.

В момент включения 0 число носителей в базе невелико, в результате че- ~ ~ величина 1(о значительна. С течением времени происходит рост Окак за чет увеличения числа неосновных носителей в базе и такого же увели- ~:.ння числа основных носителей, обеспечивающего электронейтральность '~ззы, Это приводит к снижению ло (рис. 2,23).

Результирующее напряжение с учетом ло равно

У=У а+Ив=Ив, (2.22) .. е. напряжение на переходе практически повторяет зависимость АО (з) .

В момент отключениЯ тока 0 напРЯжение Ив скачком снижаетсЯ до нУлЯ, а небольшое остаточное напряжение Ур „, обусловленное Яка«, очень мед~енно снижается за счет процессов рекомбинации в ОПЗ и тока утечки.

Распознанный текст из изображения:

нин перехода в базе существует Яика. Величина Оккк и напряжение на пеРеходе Ег р, однозначно свЯзаны дРУг с другом. После переключения на обратное напряжение начинается интенсивное рассасыванне накопленного заряда Дирк за счет ухода неосновных носителей в эмиттер и связанное с этим снижение концентрации неосновных носителей в базе. До тех пор, пока Опик не достигло нуля, напряжение на р-п-переходе Е7р и сохраняется положительным по знаку и малым по величине (см. рис. 2.25). Это означает, что в период времени гр

-Š— г~ ток через переход равен ! = — .

Е' Только после того, как накопленный заряд полностью выведен из базы, начинается возрастание обратного напряжения на переходе, вследствие чего ток через переход, оставаясь отрицательным, снижается по абсолютной величине и стремится к )р.

Рвр. 2.25

Один из часто встречающихся на практике случаев — переключение р-

к а л-перехода от прямого напряжения на р р обратное. Схема, моделирующая эту ситуацию (рис. 2.24), содержит р-лпереход, два одинаковых источника напряжения Е, составляющего не-

б сколько вольт, ключ 7г, условно осуществляющий переключение, н рези-

Рнс. 2.24 стор Я„падение напряжения на котором при протекании через переход прямого тока значительно превышает напряжение на переходе (И ээсГ ).

р — и Примем также, что сопротивление базы Е5 мало. Зависимость от времени напряжения, подключаемого к схеме между узлами а-б, показана на рис. 2.25. При г <ге подаваемое на схему напряжение соответствует прямому напряжению на р-п-переходе, и ток через переход равен

Е При Š— = —. При этом састоя-

Е Е им

2.2. Барьер Шоттии

Барьером Шотткн называют контакт металл-полупроводник, абладиаишй, как н р-и-переход, вентильными свойствами. Энергетическая диаграмма аг алла показана на рис. 2.26. Она отличается от диаграммы полупроводника

сутствием запрещенной зоны нз-за более близкого расположения диспстных уровней в изолированных атомах и возникающим вследствие этого срекрытием энергетических зон при сближении атомов (см. рнс. Кб), При ! -2) уровень Ер является верхней границей для энергетических уровней, заикгых электронами (см. рис. 2.26); уровни с большей энергией электронами ~к заняты. Величина е(ри определяет работу, которую должен совершить : юктрон, чтобы выйти за пределы металла в вакуум (работа выхода).

Формирование барьера Шотткн при контакте металла с полупроводником

1провождается явлениями, во многом сходным с р-л-переходом, у которого,

ыпример, в роли р-эмиттера выступает металл. Энергетическая диаграмма мштакта, находящегося в состоянии равновесия, приведена на рис. 2.27, на м юрой также отмечена работа выхода для полупроводника еуи. Как и для ри перехода, здесь существует ОПЗ, содержащая части с положительным н

|рицательным зарядами, однако из-за гораздо бояьшей концентрации своппдных носителей в металле, чем в полупроводнике, ширина части ОПЗ отрицательным зарядом очень мала и не показана на рис. 2.27. Ер

Рир. 2.27

Рнс. 2.26

Условия перехода электронов из металла в полупроводник определяются ~ арьером еЕ а переход электронов из полупроводника в металл — барьером д + еукри. При равновесии этн условия одинаковы, то есть суммарный ток ~срез переход равен нулю.

Распознанный текст из изображения:

2.3. Гетсроперехпды

Свм„, .в св)

Рввс. 2.28

Рис. 2.29

Рис. 2.30

еУ

) = )'м ехр — — 11,

РТ

12.23)

Энергетические диаграммы при приложенных напряжениях с различной полярностью приведены на рис. 2.28 (прямое напряжение) и 2.29 (обратввое напряжение). Очевидно, что увеличение прямого напрявкення способствует

возрастанию потока электронов из полупроводника в металл за счет снижения высоты барьера на е(), а увеличение обратного напряжения — к его ослаблению за счет увеличения высоты барьера на е1в', Учитывая, что условия перехода электронов из металла в полупроводник остаются при этом неизменными, а величина еврм — достаточно велика, чтобы поток электронов из металла в полупроводник был очень малым, нетрудно видеть, что контакт будет обладать вентильными свойствами.

ВАХ барьера Шоттки описывается соотношением, подобным 12,8), где тепловой ток вп заменен на ток из металла в полупроводввик)м:

При более детальном рассмотрении контакта с учетом явлений дрейфа н

диффузии носителей в ОПЗ уравнение ВАХ имеет вид

2епп (вркрп -П) ( е4всрп ')( еУ

у =ерллп ехр~- ~~ехр — -1,

12.24)

се о )Т )), Рт

где и„— концентрация основных носителей заряда — электронов в полупровод-

нике за пределами ОПЗ.

К числу особенностей барьера Шоттки по сравнению с р-л-переходом отно. птся отсутствие инжекции неосновных носителей заряда в полупроволник при : в рамом приложенном напряжении.

Гетеропереходы возникают при контакте полупроводников с различной шириной запрещенной зоны ЬЕя, Вид энергетической диаграммы гетероперехода зависит от различия в величинах АЕя и энергий электронного сродстпа у контактирующих полупроводников (у =еф — Е„где евр — работа выхода). '.1ри этом следует также учесть, что в условиях равновесия уровень Ев колленн быть одинаковым для обеих частей перехода, а уровень с наибольшей внергией, соответствующей свободному электрону в вакууме, не должен прегерпевать разрыва. Энергетическая диаграмма гетероперехода, образованного широкозонным л-полупроводником и узкозонным р-полупроводником, вюказананарис.2.30; какдля Е,,такидля Е» имеютсяразрывы; в резуль-

тате изгиба энергетических уровней формируются разные по высоте потенциальные барьеры для электронов, переходящих из п-области в р-область )квр ), и для дырок, переходящих в обратном направлении гев)в,). Очевидно, что евр„< евр, то есть при приложении к переходу прямого напряжения ток через переход будет преимущественно определяться электронами, а его дырочная составляющая будет существенно снижена по сравнению с рассмотренным ранее р-л-переходом. Это позволяет повысить отношение инжектируемого в узкозонный полупроводник тока электронов к общему протекающему через переход току и на этой основе добиться значительного улучшения параметров полупроводниковых приборов.

В начале 80-х годов прошлого века гетероструктуры приобрели особое значение вследствие их использования для создания нового типа сверхвысокочастотных и малошумящих полупроводниковых приборов. Такие структуры получили название ГСЛ ггетероструктуры с селективным легированием). Они представляют сочетание широкозонного и узкозонного полупроводни-

Распознанный текст из изображения:

ков, из которых широкозонный ле-

гирован сильно, а узкозонный остав-

с лен возможно более чистым Ер (рис. 2.31). При этом электроны "за- К, ливают" узкую потенциальную яму, образованную изгибом Е„ и образуют так называемый двумерный электронный газ. Важная особенность электронного газа в ГСЛ в отличие от однородного примесного полупроводника заключается в том, что электроны разделены в пространстве с создавшими их донорами, что существенно снижает рассеяние и увеличивает подвижность. Чаще всего в качестве материалов для ГСЛ используется чистый арсенид галлия и твердый раствор А1„ба1 Аз, где х = = 0,2... 1. Дополнительного увеличения подвижности электронов добиваются, снижая температуру ~до нескольких градусов К).

2.4. Омический контакт

Проблемы создания полупроводниковых приборов часто связаны с проблемами контактов, неизбежно присутствующих и обеспечивающих подсоединение внешних электрических цепей. Контакты, созданные без учета их влияния на работу прибора, могут вызвать ухудшение характеристик и параметров, а в ряде случаев привести к полному нарушению функциональных свойств приборов. Чаще других используется так называемый омический контакт, имеющий близкую к линейной ВАХ, малое по сравнению с активными областями прибора сопротивление, и не искажающий работу прибора путем введения в активные области дополнительных носителей заряда. Омический контакт обычно представляет трехслойную структуру типа л-и- металл, где л' обозначает слой полупроводника с концентрацией примеси, примерно на порядок и более превышакнцей концентрацию в области п. Согласно существующим представлениям контакт л -металл представляет барьер Шоттки, который вследствие высокой концентрации и' имеет очень малую ширину 4. При приложении напряжения в прямом направлении контакт пропускает ток как обычный барьер Шоттки, а при У < 0 значительный ток проходит через барьер вследствие туннелирования электронов через барьер с малой шириной 1п. Учитывая, что контакт однородных полупроводников ил не является выпрямляющим, структура и-и -металл в целом приблизительно соответствует требованиям, сформулированным выше для омических контактов. Задача создания таких контактов технологически достаточно сложна и требует, как правило, применения многокомпонентных сплавов со сложной тепловой обработкой, Так например, при создании омического кон-

35

~акта к баАз хорошие результаты дает использование сплава АпМОе с по-

ледующим напылением пленки золота.

1, Начертить энергетическую диаграмму р-л-перехода, показать область объемного заряда, высоту потенциального барьера, ширину перехода.

2. Показать направление движения носителей заряда и направление токов через р-л-переход при отсутствии и наличии приложенного напряжения.

3. Дать качественное объяснение для вольт-амперной характеристики рл-перехода.

4. Объяснить влияние температуры на ВАХ р-и-перехода.

5. Показать и объяснить, как влияет сопротивление базы на ВАХ р-лперехода.

6.Показать и объяснить, как влияет на ВАХ р-и-перехода генерация и рекомбинация в области пространственного заряда и ток утечки.

7. Объяснить механизм возникновения электрического и теплового пробоя,

8. Объяснить, как возникает емкость р-л-перехода и как она зависит от приложенного напряжения.

9. Перечислить, в чем заключаются и как проявляются переходные процессы в р-и-переходе при подключении к источникам тока и напряжения.

10. Объяснить, что представляет собой барьер Шотгки, почему он пропускает ток преимущественно в одном направлении и в чем его отличие от р-п-перехода.

11. Объяснить, что представляет собой гетеропереход, в чем его отличие от р-п-перехода и каковы его достоинства.

Распознанный текст из изображения:

ЗЛ.модели диодов

Модели представляют собой набор усредненных параметров для различных типов диодов на основе р-л-перехода в сочетании с алгоритмами расчета, что позволяет широко использовать компьютерные технологии при разработке радиоэлектронных устройств. В зависимости от амплитуды сигналов различают модели для малого и большого сигналов. В основе первых, наиболее простых, лежит использование линейных уравнений; в основе вторых— использование нелинейных уравнений. Существуют также модели статические, не содержащие частотозависимых элементов и описывающие свойства диодов в статическом режиме или при очень медленных изменениях напряжений и токов, и динамические, позволяющие учесть частотные свойства и переходные процессы при импульсном характере сигналов.

Статическая модель диода определяется на основе уравнений (2.8) — (2.11), описывающих ВАХ с учетом сопротивления базы и позволяющих учесть влияние на нее температуры. Влияние тока утечки на обратной ветви ВАХ учитывается сопротивлением утечки, включенным параллельно переходу (рис. 3.1). Иногда ВАХ приближенно представляют отрезками прямых линий (рис. 3.2).

Статическая модель для малого сигнала формируется путем замены перехода на рис. 3.1 его дифференциальным сопротивлением или проводимостью для фиксированного постоянного напряжения или тока с добавлением сопротивлений базы и утечки (рис. З.З). В динамической малосигнальной модели (рис. 3.4) параллельно переходу подключаются барьерная и диффузионная емкости, значения которых определяются приложенным постоянным напряжением или протекающим током согласно (2.17) и (2.21). В качестве динамической модели для больших сигналов используется нелинейная зарядовая модель, в которой протекающие через переход токи определяются через заряды барьерной и диффузионной емкостей.

3.2. Выпрямительные диоды

Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. К группе низкочастотных (НЧ) относятся диоды для выпрямления токов промышленной частоты (50 Гц) и частоты, используемой в бортовой аппаратуре (400 Гц). Такие диоды могут рассчитываться на значительные токи, достигающие сотен и тысяч ампер, и изготавливаются, как правило, на основе плоских р-п-переходов, площадь которых может достигать десятков квадратных сантиметров. Основным материалом для изготовления служит кремний, реже германий, а также арсенид галлия. Основная технология получения р-и-переходов для НЧ выпрямительных диодов — диффузия атомов приме-

Рис.3.1

Н,„

ИУ

лиф

диф

Р .3А

Рис. 3.3

сей в исходную базовую пластину, легированную примесью противоположного типа. Изготовленный переход помещается внутрь корпуса, служащего для защиты перехода от внешних воздействий и рассеяния тепла, выделяемого в переходе при больших токах. При изготовлении диода важно обеспечить омический контакт выводов с областями перехода, для чего используются специальные припои, а также с помощью термокомпенсирующих прокладок снизить механические напряжения, возникающие при изменении температуры и способные разрушить переход.

Электрические величины, характеризующие выпрямительные диоды, поясняются с помощью рис. 3.5:

Упр — прямое напряжение при заданном прямом токе 1пр,

1пр уд~~ — максимально допустимое значение постоянного прямого тока или среднего значения импульсного тока при любой форме импульса;

1обр — обратный ток при заданном обратном напряжении Бобр ', гоар лбах — максимально допустимое постоянное обратное напряжение.

Величина Уобрп1~х определяется опасностью возникновения пробоя, а 1пр п~~х — концентрацией тока на неоднородностях перехода, а также возникновением токовых шнуров и локальным разогревом отдельных участков, приводящим к разрушению структуры.

Распознанный текст из изображения:

Помимо перечисленных, на рис.3.5 показаны предельные импульсные токи и напряжения, которые значительно превышают соответствующие постоянные токи и напряжения.

Рис. 3.5

Кроме рассмотренных электрических величин диоды характеризуются допустимым диапазоном температур окружающей среды Т, определяемым значительным ростом 1обр при высоких температурах и возрастанием термомеханических напряжений при низких температурах.

Диоды, изготовленные из различных полупроводников, отличаются по своим электрическим величинам. В связи с тем, что ЛЕз возрастает у полупроводников в последовательности бе, Я, баАз, гр, „для р-и-переходов также возрастает в указанной последовательности, что при одинаковом значении 1„„ соответствует увеличению напряжения У„ . С другой стороны, при одинаковой температуре увеличение ЛЕз ведет к резкому снижению 1обр. Максимальная рабочая температура выпускаемых в настоящее время промышленных диодов составляет соответственно + 75'С (бе), +125'С (Я) и +250'С ~баАз). Минимальные температуры составляют Т;„= — 60'С для всех материалов.

Значения 1пр щах лежат в диапазоне от единиц миллиампер до тысяч ампер. Диоды, предназначенные для выпрямления очень больших токов, называются вентилями. Основная особенность конструкции вентиля — использование мощных радиаторов для естественного и принудительного охлаждения,

Величины Упр, соответствующие 1пр щ~х, не превышают единиц вольт и имеют максимальные значения для баАз-диодов. Максимальное обратное напряжение Цобр щ,х может составлять от нескольких десятков вольт до нескольких сотен вольт, а соответствующие ему значения Гоар в зависимости

от типа диода — от единиц микроампер до десятков миллиампер.

С целью повышения Уобрщдх применяется последовательное соединение

нескольких кремниевых р-и-переходов в одном корпусе; такой полупровод-

пиковый прибор называется выпрямительным столбом. Столбы предназна-

.аются для работы в высоковольтных выпрямителях„величина Упробщ;ц; достигает десятков киловольт. Сочетание несколькихр-л-переходов в одном корпусе, соединенных по определенным схемам, позволяет использовать такие приборы в мостовых и удвоительных схемах выпрямителей переменного ~ ока. Эти приборы называют диодными сборками.

Условное графическое обозначение выпрямительного диода показано на рис. 3.6. Электрод, подсоединенный к р-области, иногда называют анодом гА), а к л-области — катодом (К). Буквенно-цифровые обозначения диодов приведены в справочной литературе ~71.

Наряду с НЧ выпрямительными диодами многочисленную А К . руппу составляют диоды, используемые для выпрямления гоков высокой частоты. Основой для высокочастотных выпрямительных диодов часто является точечно-контактная

Рис. З.б структура, получаемая путем соприкосновения острия вольфрамовой проволоки малого диаметра (несколько десятков минрометров) с базовой пластиной полупроводника л-типа. Предварительно на поверхность острия наносится вещество, атомы которого являются акцепторами в базе. После пропускания кратковременного мощного импульса тока через диод возникает структура, показанная на рис. 3.7. Полученный р-и-переход обладает малой барьерной емкостью вследствие малой площади, время жизни неосновных носителей в базе из-за особенностей технологии оказывается малым и поэтому согласно (2.21) мала диффузионная емкость. Снижение емкости, шунтирующей р-п-переход, способствУет повышению пРедельной частоты 1'„р, на которой может работать диод, Так же, как и у НЧ выпрями- тельных диодов, р-л-переход вместе с вольфрамовой

Рис. 3,7 иглой помещается внутрь корпуса с целью защиты от внешних воздействий. И силу особенностей структуры ВАХ точечно-контактного диода существенно отличается от ВАХ диода с плоским р-л-переходом: прямая ветвь идет более полого из-за значительного сопРотивлениЯ базы Яб, а сгпр на обРатной ветви отсутствует участок насыщения. В результате величина Упр для точечно-контактных диодов выше и составляет не менее 1В (бе) и 2В (%), а значения Уобр ща~ относительно малы (десятки вольт). Так как ВЧ выпрямительные диоды не предназначены для выпрямления больших токов, 1пр щ, не превышают десятков миллиампер. Предельная частота может достигать нескольких сотен мегагерц.

Если вместо тугоплавкого металла, из которого сделана игла, использовать металл с меньшей температурой плавления, то при пропускании мощного формирующего токового импульса в процессе изготовления образуется сплав металла с полупроводником, имеющий сильно выраженный р -тип

Распознанный текст из изображения:

Р .13

Риа 1.2

1. Свойства полупроводников

1.1. Металлы, полупроводники и диэлектрики

В зависимости от величины электропроводности рвэяичвые вещества де лятся нэ металлы, попупроводники и диэлектрики К первым относят вегцества с удельным сопротивлением рс10 Ом м, к посясзгпнм — вещества с

— 5

р>10 Ом и; полупроводники па величине удельного сопро5иалсния занимают промежуточное погюжение, такое раздопслпс зашс5ся в леао5орои сте пени условным, и существ1'ют дополнигелыью факюры, позеоляющне разграничить металлы л полупроводники, а гмр5гут о ~трель — алияиис температуры У на величину электрогзроводггос5п С россом температуры сопрагиале ние металла увеличивается, а соцро5палс5шс полупроводника, измеренное в широком диапазоне измсненяя 7: шаштсльио уменьшается. Электропроводиасть полупроводников а отлнчг5с ст металлов существенно зависит от небольших «ондентрацнй добавляемых к основному веществу примесей, облучения потоками электромш нитной энергии и юстиц с высокой энергиен, давления В то же время ио существует качественно~о рюличия в свойствах полупроводников и диэлектриков,поэтому разграничение между ними носит условный и чисто коппчествениш1 характер.

Полупроводники представляют собой многочисленный кгысс м.55сриыав, в состав которых входят как элементы, так и химические соедин лна Испову современной электроники составляют неорганические крнс)з шш скис полупроводники. К их числу относятся германий (Сеэ и кремний (б~1,.5 5акже соединения гила Ам В' (например СаАз, 1пр, Сарг и Аа Вм (я лцш ар Упб, Сйб, Себе, Нйте1, где верхние индексы обозначают группу порп пш ои системы Менделеева. к которой относятся элементы А и В

1.2. Кристаллическал решетки беспримесного (собзс гз сп55555 гг(

полупроводника

При образовании твердого вещества его атомы, пып и а 5» пз другом, распаващются в пространстве в состояният у.п й па5п (, »«» «и и образуют тело с прааальшщ пг ~ »» пг~ множество повторяю55шз ° шп ментарных ячеек. Одна пс(5м и ~ ~ 5г «» ьтпность при изображеппц ~ш пя м и » » ~ю странстве называе~ьа крп ~ш ш « м и, » ~м и Кристаллическая рсшсп а 55 5ып» м п5о как совокупность,помпа, пм ~ пш«( ~ шм ктю прямых линий. 1 ил(еп~ ~ и пап и Г я» ~ . ю

кения в пой атомов опрелеляетоя строенном электраьных обола тек атоьгов. образующих кристалл Для кремния и германия характерна «рггстал5551ческая решетка типа алмаза (рис, 1.11,

Незаголнелиая внешняя оболочка кремнии н германия солеряит четыпе аалентных электрона. Каждый атом связан с четырььш ближайшими атомами парноэлектровным (ковапентнымиз связями, в которык принимает участие каждый лз чегмрсх ваяентных электронов.

Рассыатрлвая процессы, происходящие в кристаллической решетке пад воздействием внешних факторов(тепловое воздейетвие,введение примссси н т д.~, удобнее имею депе не с пространственной решеткой, изображенной на рис 1.1, а с ы плоским эквивалегпом, отражающим основные особенности пространственной модели (рис. 1,2Р казкдая из линий, связывающих атомы, на рис. 1 й обозначает адан электрон, приналлежащнй одновремсвно двум соседним атомам

Следует отметить, что в зависимости от условий изготовления образцы полупроводника могут быть получеиьг в виде моиокристалла, имшошега не прерывиую решетку одного типа дл» все~о образца,и в виде полагфисталла, представляющего совокупность большого числа отдельных моаокристапвов, по разному аришцированных в пространстве. Известны также аморфные пояупроводлнки, характеризующиеся неупорядоченной структурсй

1.3. Криетвлличеекая решетка полупроводника

при тепловоы воздействии. Прямесиые полупроводники.

Подвижные носители заряда

Показюшая на рис 1.2 кристаллическая решетка является идеализирован ной, так как при ее построении не учитывалось тепловое воздействие (Т=ОУ и наличие прнмесных атомов, всегда имеющихся в решчьных полупроводниковых материалах. Рассмотрим сначала, какие изменоиия произойдут в крнсталлическаи решетке беспримесного полупроводника при тепловом воз действии (УРОК Нагревание полупроводника сопровождается возникновением тепловых колебаний атомов, образующих решетку, и передачей энерпгн находящимся в связях электронам, Процесс передачи энергии носит стати стиэеский характер, в результате гего некоторые электроны, получив доста

Распознанный текст из изображения:

проводимости. В результате образуется р -л-переход с малой площадью, а диод называется микросплавным.

Для уменьшения емкости нередко используются К итакт такие структуры р-л-пе-рехода, в которых для снижения емкости площадь перехода уменьшается путем химического стравливания, что приводит к образованию меза-структуры «рис. 3.8). Рис. 3.8 Значительные преимущества для ВЧ выпрями-

тельных диодов дает использование вместо р-л-перехода барьера Шоттки. Ввиду того, что для барьера Шоттки нет инжекции неосновных носителей, накопленный заряд и связанная с ним диффузионная емкость отсутствуют. Типичная структура барьера получается методом эпитаксиального наращивания слоя полупроводника на подложке путем осаждения при протекании химической реакции в газовых средах над поверхностью подложки. Такой способ позволяет свести к минимуму нарушения кристаллической решетки полупроводникового слоя как внутри самого слоя, так и на границе раздела с подложкой. Структура диода показана на рис. 3.9 и содержит эпитаксиальный и-слой, выращенный на и'-подложке, нижний ме— Барьерообразующий таллической слой, образующий металл +

вместе с и- и и -слоями омиДиэлектрик ческий контакт, а также слой

барьерообра-зующего металла и )Й Л

защитный слой диэлектрика, Л

Предельная частота выпрями- О Металл тельных диодов с барьером Шоттки достигает сотен кило- герц при значениях электрических величин, близких к НЧ выРие. 3.9 прямительным диодам. Диоды,

предназначенные для детектирования «выпрямления) ВЧ-сигналов, могут работать на частотах до нескольких десятков ГГц.

3.3. Импульсные диоды

Широкое распространение в цифровой схемотехнике, а также в коммутирующих радиоэлектронных устройствах получили диоды, обеспечивающие переключение от проводящего к непроводящему состоянию с высокими скоростями. Такие диоды получили название импульсных. Основные параметры диодов показаны на рис. 3.10 и 3.11, описывающих переходные процессы при переключении и включении «см. рис, 2.23 и 2.25). Быстродействие диода характеризуется временем восстановления обратного сопротивления гассет и вРеменем УстановлениЯ пРЯмого напРЯжении густ. ВРемЯ восстановлениЯ оп-

дсляется как время, в течение которого 1обр снижается по абсолютной ве-

л«пене до определенного значения 1аосс„называемого током восстановлеппи «см, рис. 3.10). Время установления определяется временем, в течение ~ ~ горого напряжение на диоде после момента включения снижается до уровпи, па 10% превышающего установившееся прямое напряжение на диоде ~: пр «см. рис. 3.11). В справочных данных на импульсные диоды величина ~ „-.ст, как правило, указывается или составляет определенную долю 1пр.

Ф

ууст

,'м ~Ф

Рис. 3.10 1 пце один параметр, характеризующий быстродействие и часто указываемый «справочных данных, представляет заряд переключения, который следует щлвести из базы диода для восстановления запирающих свойств диода при братном напряжении.

Помимо электрических величин, характеризующих статический режим нюда, используются величины для импульсного режима: ~пр. имп пуах — максимальный прямой ~м~ул~сный ток; УУпр. имп упах — прямое напрЯЖениЕ, СООТВЕТСТВуЮЩЕе ) пр. имп пуах; Уобр. имп щах — максимальное обРатное импУльсное напРЯжение. ЗНВЧЕНИЯ 1аосст И Густ В ИМПУЛЬСНЫХ ДИОДВХ ВЫСОКОГО бЫСТроДЕЙСТВИЯ , когут достигать десятых долей наносекунд, заряд переключения — сотен пикокулон. При работе в импульсном режиме 1пр, имп пуах в несколько раз препышает ~пр пуах °

В качестве импульсных часто используются ВЧ выпрямительные диоды 1„ и частности, точечно-контактные диоды, Низкие значения времени жизни . мосновных носителей в базе способствуют получению малых величин г „, и ...ст. Высоким быстродействием отличаются диоды на основе барьера Шоттхи «~поест и густ составляют от сотен пикосекунд до единиц наносекунд). С ~МЛЬЮ СНИЖЕНИЯ Гассет И 1уст В баЗУ ВВОДЯТ ПРИМЕСИ, СНИЖВЮЩИЕ ВРЕМЯ ЖИЗ. ~и неосновных носителей.

Распознанный текст из изображения:

Рис. 3.12

Рис. 3.13

Рис. 3.15

Дпих =—

(3.2)

Рис. 3.14

входного:

Варикапом называют полупроводниковый диод, используемый как емкОсть, величина котороЙ заВисит От приложенного Внешнего напряжения. Варикапы находят широкое применение в различных схемотехнических устройствах: перестраиваемых резонансных контурах, делителях и умножителях частоты, параметрических усилителях, модуляторах и т.д. Для того, чтобы варикап в наибольшей степени отвечал требованиям, предъявляемым к конденсатору как к электротехническому элементу, и не приводил к большим потерям полезного сигнала, он эксплуатируется только при обратных напряжениях У<О, когда протекающий через р-и-переход постоянный ток минимален, а емкость определяется барьерной составляющей.

Условное графическое обозначение варикапа показано на рис. 3.12.

Одним из ОснОвных параметрОВ Варикапа яВляется добротность, Определяемая как отношение реактивной мощности к мощности потерь в эквивалентной схеме на рис. 3.13. Схема содержит сопротивление базы Яб, сопро-

тивление р-п-перехода 14 и барьерную емкость С. Сопротивление 14 учитывает потери мощности в реактивном элементе С из-за протекания обратно-

1

го тока, то есть Л вЂ” †. Расчеты дают для Д:

Л

о

Д=

1

(3.1)

2фСЯ6 +

2К1СЮб

Очевидно, что зависимость Д = Д(1) имеет максимум, а максимальное

значение Д при этом равно

Как следует из (3.2), для повышения значения Д варикапы должны иметь малое сопротивление базы и большое сопротивление перехода. Первое достигается использованием материала с высокой подвижностью р (ОаАВ), сни-

к;иащего Я~, а второе — применением материалов, дающих малые значения ~ ратного тока 1р В р-и-переходе (Я, ОВАз). Максимальные значения Д могут , В кстигать нескольких тысяч.

К числу других параметров варикапов относятся коэффициент перекры~ ох по емкости, представляющий отношение емкостей при двух различных ~сп~ряжениях, значения которых должны указываться вместе с коэффициенком перекрытия, а также температурный коэффициент емкости, учитыкаощий изменение С' при изменении температуры.

В качестве варикапов, особенно в области сверхвысоких частот, испольнотся диоды с барьером Шоттки на основе арсенида галлия.

3.5.Стабилитроны

Стабилитронами называются полупроводниковые диоды, обеспечиваю~цие стабилизацию напряжения в радиоэлектронных устройствах за счет 1~АХ на участке электрического пробоя при У < О (рис. 3.14). Простейшая Тема для стабилизации напряжения содержит балластное сопротивление Я и гтабилитрон, включенный в обратном направлении (рис. 3.15). Понимание работы схемы и участия в ней стабилитрона достигается с помощью графи~сского анализа, При заданном напряжении на входе схемы У согласно закону Кирхгофа равно:

У =1, Я+У,~, (3,3) где 1„— ток стабилитрона; У„=У„,„— напряжение на стабилитроне, овпадающее с напряжением на выходе схемы. Уравнению (3.3) на рис. 3.10 оответствует прямая линия; У =У, при 1 = О (режим холостого хода) и Р = У,„/В при У = О (режим короткого замыкания). Пересечение прямой линии с ВАХ определяет значение У = с1

11' У 1

Если входное напряжение изменится и вместо У, станет У „, то прямая линия согласно (3.3) сместится вдоль оси У, что приведет к установлению нового значения У'„х. Как видно из рис. 3.14,

изменение выходного напряжение оказывается намного меньше изменения

Распознанный текст из изображения:

Рис. 3.16

1~вых

1~вх

Рис. 3.18

Рис. 3.17

~ У вых — Увых ~ << ~ ~1 вх — 11вх ~, что свидетельствует о существовании эффекта стабилизации напряжения, подаваемого на вход, а также о том, что степень стабилизации будет тем сильнее, чем больше крутизна ВАХ на участке пробоя. К числу основных параметров стабилитронов относятся следующие: Уст — напряжение стабилизации (пробоя); 1ст ~ыв, 1ст п~вх — минимальный и максимальный допустимые токи стабилизации, определяющие рабочий диапазон ВАХ ~см. рис. 3.14);

~1~1ст Лд = — дифференциальное сопротивление стабилитрона, опреде-

хв1ст ляющее крутизну ВАХ на рабочем участке;

1 Л1ст ТКУст — — — — температурный коэффициент напряжения стаби-

Уст ЫТ лизации, отражающий зависимость относительного напряжения электриче-

ского пробоя от температуры. Нередко при опТК ~1вт ределении ТКУст его величина умножается на 100 %. На рис. 3.16 показана кривая, устанавливающая соответствие ТКИст и Уст для различных диодов. Для тех из них, у которых пробой О носит туннельный характер (Уст < 5 — 7 В), сх ТКУст <О, а для диодов с лавинным пробоем— ТКУст >О.

Напряжение стабилизации Уст может достигать сотен вольт, 1ст пйв — единиц миллиампер, 1ст П1вх — единиц ампер; минимальные значения Вд составляют десятки ом, минимальные значения ТКс1ст — десятые доли процента на градус,

Основной материал для изготовления стабилитронов — кремний, обеспе- ' чивающий протяженный участок электрического пробоя на ВАХ.

В схемотехнических устройствах для увеличения Уст используют последовательное соединение стабилитронов. В целях снижения ТКУст ~при ' ТКУст > О) прибегают к последовательному включению со стабилитро- . ном р-л-перехода ~диода), температурное изменение напряжения на котором противоположно по знаку изменению Уст ~рис. 3.17).

,~ ~ля стабилизации напряжения помимо участка пробоя на обратной ветви ~ ~ ~ Х может использоваться и прямая ветвь ВАХ. Резкое увеличение тока при

шчении напряжения приводит к тому, что напряжение на зажимах от; ~ с: гого диода практически не зависит от тока и составляет для кремниевых 1ы~), юв около 0,7 В (рис. 3.18).

1. Объяснить, что такое статическая и малосигнальная динамическая мол" 1и диода на основе р-и-перехода.

2. Перечислить основные и предельные электрические величины для ~ ~ ы ~ кочастотных выпрямительных диодов.

3. Указать основные электрические величины и конструктивные особен;:. ги высокочастотных выпрямительных диодов.

4. Перечислить основные электрические величины импульсных диодов, ~ с ~вать области использования и указать конструктивные особенности.

5. Начертить вольт-фарадную характеристику варикапа, указать на ней ~ ~ипазон рабочих напряжений и перечислить основные параметры.

6. Объяснить, что такое добротность варикапа, назвать основные спосо- ~ ы ее увеличения и указать области применения варикапов.

7. Начертить вольт-амперную характеристику стабилитрона, простейшую 'ему включения и объяснить, как происходит стабилизация напряжения.

8. Перечислить основные электрические величины и параметры стабили- ~ ронов.

Распознанный текст из изображения:

~«бк

««кб

У

оллекторнын пе-

реход

Эмиттерный

переход

Эмиттер База Коллектор

Транзистор представляет собой полупроводниковую структуру, содержащую два р-л-перехода, образованных тремя слоями полупроводника с чередующимся типом проводимости (рис. 4.1). Средняя область называется базой, крайние — эмиттером и коллектором. Концентрации примесей, обусловливающие тип проводимости областей эмиттера, базы и коллектора, различны: Жэ »Жб >Жк. В зависимости от типа проводимости областей различают транзисторы и-р-л (как на рис. 4.1) и «э-л-р.

Рис. 4.1

Для того, чтобы транзистор мог выполнять полезные функции (усиливать или преобразовывать электрические сигналы), на его электроды полнит» настоянные напряжения. При этом на эмиттерном и коллекторном переходах устанавливаются напряжения ««э и ««». В зависимости от того, смсщанп ли зти напряжения переход в прямом или обратном направлении (условно 1/> 0 или ««< О), различают активный режим (Уэ > 0; У» < О), режим насыщения (««э > 0; ««» >О) и режим отсечки (««э < 0; У» < О). Активный режим используется в основном для усиления сигналов, а режимы насыщения и отсечки — при работе транзистора в качестве электронного ключа в цифровых устройствах.

В зависимости от того, какой из электродов принимается и1 общий при включении транзистора в электрическую цепь, различают схемы включения с общей базой (ОБ, рис. 4.2а), общим эмиттером (ОЭ, рис. 4.26) и общим коллектором (ОК, рис. 4.2в).

Рассмотрим работу транзистора и-«э-л в активном режиме цри нключении ОБ (рис. 4.3), Прямое напряжение, приложенное к несимметричному эмиттерному переходу (Мэ » И~), приводит к тому, что ток через переход «э переносится в основном электронами, инжектируемыми в область базы.

Поступающие в базу электроны перемещаются от эмиттерного перехода за счет диффузии; большая часть из них при этом достигает области коллекторного перехода и втягивается электрическим полем перехода в коллектор, создавая ток коллектора «». Величина «», таким образом, всегда меньше «э, что учитывается коэффициентом а, называемым коэффициентом передачи тока эмиттера:

«к ««э ° (4,1)

Для эффективной работы транзистора обычно стараются добиться больших значений а (у большинства транзисторов а лежит в пределах 0,95 — 0,999). Основной причиной того, что а < 1, является рекомбинация небольшой части инжектированных дырок в объеме базы, создающая небольшой по величине ток базы «6. Для уменьшения рекомбинации снижают ширину базы настолько, чтобы за время перемещения дырок к коллектору большинство из них не успевало рекомбинировать с электронами.

На основании рис.4.3 и (4.1) можно записать соотношения для токов транзистора:

«э «»+«б (4.2)

«~ =(1 — а)« . (4.3)

Рассмотрим теперь приближенно, каким образом обладающая указанными выше свойствами структура способна усиливать сигналы, например, при включении ОБ (рис. 4.4). Пусть сигналом является малое изменение то-

Рис. 4.3

Рис. 4.4

ка эмиттера М во входной (эмиттерной) цепи. М, приведет к изменению тока коллектора Ь«в выходной (коллекторной цепи), причем оба изменения в силу близости а к единице будут практически одинаковыми, то есть

Распознанный текст из изображения:

усиление по току будет отсутствовать. Если же теперь перейти к изменениям напряжений, вызываемых изменениями токов, то можно заиисать ~ХХ ~ — ЛХ Яд, ЛХХ вЂ” ~хМ, где Я „ф — дифференциальные сопротивления эмиттерного и коллекторного переходов, и для отношеиия )ьзиря

ЛХУ Х~диф. х

жений х~ = ' ~1, поскольку дифференциальное сопротивление об-

Л'Хэб ~диф.

ратно смещенного коллекторного перехода значительно вьш)с, исм со1)ротивление прямо смещенного эмиттерного перехода. Это означает, чги достигается усиление как по напряжению, так и по мощности, так как усиление по току близко к единице.

Полагая, что при включении ОЭ сигналом является Л1;„из (4.'".) и ) ).3)

можно получить:

ЛХ„а

,б '~

Л16 1 — а

откуда с учетом близости значений а к единице следует, что ЛХв / М„:- ), то есть существует усиление по току. По аналогии со включением ) )) ., силение при включении ОЭ существует также по напряжению и моииив ~ и.

4.2 Статические характеристики

Статическими характеристиками называют зависимости между ) ив ~олиными токами и напряжениями в цепях транзистора. Эти характер)к ~ ив и описывают свойства транзистора как нелинейного элемента и )и обхоиихиб для того, чтобы выбрать режим работы в соответствии с конкре) и)ахи) ф~ ив~и)ями транзистора в схемотехническом устройстве и не выйти ири ыим и пределы допустимых электрических величин. Наибольшее распрострв)и ии~ получил такой способ представления характеристик, при котором и ви к сбве независимых изменяемых величин принимают ток во входной ) ~)~)1шля)ощей) цепи (1 ) и и напряжение на выходном электроде (Рвы,) () и1 пиале (ХХвх и Хвы ) являются функциями двух переменных:

ХХвх = ПХвх ХХвых)'

Хвых У(1вх ХХвых) . ) ).6)

Поскольку графическое изображение зависимостей от двух ~и.) м иных на плоскости затруднительно, (4.5) и (4.6) разбивают на две и)в)и им ~ и каждую, оставляя одну из величин Х,„или ХХ „„варьируемой )ии ы1вии 1и. $ аким образом получают четыре семейства характеристик: Гв, ~) ~в„))~ „,,„„,„,

ХХвх — Жвых)11вх=ъаг~ ХвыхЖвх)~увых=чаг ХХвых-,Фвых) )~1вх=чвг и ) ""''Ч"''

полной информации о транзисторе достаточно только двух, гив ввв в,»~ьные могут быть получены путем перестроения или пересчета,

Рассмотрим статические характеристики при включении ОБ. Их ход, как и при других включениях, определяется прежде всего ВАХ эмиттерного и коллекторного переходов, а также обычно слабо выраженной связью межд у переходами за счет носителей заряда в базе ) 8). ВАХ эмиттерного перехода можно записать как 1, = Хэо(ехр — — 1), е ХХэб ХТ

(4.7) где Х,о — тепловой ток эмиттерного перехода. Записывая аналогичное выражение для коллекторного перехода, следует дополнительно учесть ток носителеи заряда, инжектированных из эмиттера и дошедших до коллектора с~Х„причем его направление противоположно направлению прямого тока через коллекторный переход:

Е~хб

Х =аХ,-Х„р ехр 6-1, (4.8) где Х о — тепловой ток коллекторного перехода.

Семейство входных характеристик ХХэб =ЯХэ) ~ цхб „, непосредственно описывается (4.7) с учетом слабой связи коллекторного и эмиттерного переходов. Ввиду того, что эти характеристики практически повторяют ВАХ р-л-перехода, при практическом использовании их принято рассматривать в виде зависимости 1, =Ямб) ц,~ „, (рис. 4.5).

СЕМЕйСтВО ВЫХОДНЫХ ХараКтЕрИСтИК Хх=ЯЦ,б)~рэ .в,. ОПИСЫВаЕМОЕ (4.8), представляет ВАХ коллекторного перехода с учетом дополнительного тока аХэ (рис. 4.6). На графике ВАХ отображается таким образом, что вправо по горизонтальной оси откладывается обратное для коллекторного перехода напряжение. Таким образом, при 1,= О выходная характеристика представляет построенную в указанных координатах ВАХ перехода (ее обратную ветвь), а при 1, > О к обратному току перехода добавляется аХэ. Хэ кб> ХХкб ~Хэб

кб Рве. 4.5

Рис. 4.6

Приведенные на рис. 4.5 и 4.6 семейства характеристик являются основными, которые в основном используют на практике. В некоторых случаях полезными оказываются дополнительные (семейства характеристик прямой пе- 1 редачи тока и обратной связи по напряжению) которые могут быть получены

1

Распознанный текст из изображения:

5О

51

1к

~!эб

коллекторныи ток равен

1к )31б °

(4.14)

1б — — (1 — а) 1,О(ехр б' — 1);

11. 10)

T>То)

~кэ

кэ

бэ! 14эк

Рис. 4.10

Рис. 4.11

как путем непосредственного измерения, так и пересчетом или перестроением

основных (рис. 4.7 и 4.8).

1э

!!к6

Рис. 4.7 Рис. 4.8

Изменения входных и выходных характеристик с повышсиисм температуры обусловлены возрастанием коэффициента передачи тока !ми!тора и тепловых токов переходов. Положение характеристик при повышсгиюй гсмпературе показаны на рис. 4.5 и 4.б пунктиром.

При включении ОЭ (см. рис. 4.2б) характеристики транзистора описываются теми же уравнениями, что и при включении ОБ, однако для !а>лучения зависимостей в явном виде требуются некоторые преоб!р!!!!иэ!ии!э! с привлечением закона Кирхгофа для напряжений:

(1кб 11кэ 11бэ.

После преобразований соотношений (4.7) и (4.8) с учетом (4,2), 11.3) и (4.9), получим

1~0 е(ею об )

1„= — 1б — —" ехр — 1 .

1 — а 1 — а ИТ

Величина ~3= — называется коэффициентом передачи тики 1э!! !и. С

а

1 — а учетом того, что значения а близки к единице, р»1.

Семейство входных к!!р!и! !ориг ! ик 1б 1б=ЯУбэ)~цю-~~ отображается а!инни и и!!! ик!иочению ОБ на основании (4.10), в ки!иром а в первом приближении полагается иос!сиииюи величиной, и показано на рис. 4.9. С.!и!6Т 1 у ' "'~ '~ ние при изменении Укэ происходит и! с и*! и!и!!и

между переходами (81. к

формированной обратной ветвью 13ЛХ к э!!~!с! !ирного перехода с добавлением усиленного в 13 раз базового тока. 11ри ~з или!-

Семейство выходных харак ! ори! ! и к !к Рис. 4.9 = 1к(11ю)~1б-„кк согласно (4.11) обри !!иэ!ии! ! ри!!с-

к! бэ

ях, когда обратное напряжение на коллекторном переходе и ток базы удовлетворяют условиям

кТ

кэ кб (~1ю к! бэ) -> (4.12)

131б » — "" (4.13)

1 — а

С учетом (4.14) формирование выходных характеристик при различных токах 1б показано на рис. 4.10. Здесь же отмечены напряжения Уб„соответствующие различным 1б. При снижении У„э до уровня Убэ и ниже напряже- НИЕ На КОЛЛЕКтОРНОМ ПЕРЕХОДЕ Укб ИЗМЕНЯЕТ СВОЙ ЗНаК И СтаНОВИтСЯ ПРЯМЫМ, приводя к возникновению и возрастанию прямого тока и соответственно к резкому уменьшению 1„. Ввиду того, что ток базы связан экспоненциальной зависимостью с напряжением Уб„приблизительно такой же характер будет иметь кривая, определяющая для различных 1б границу наступления активного режима. Из-за резкого возрастания прямого тока коллекторного перехода при увеличении прямого смещения на нем начальные области выходных характеристик имеют большую крутизну, а напряжения У„э для режима насыщения не превышают нескольких десятых долей вольта.

Реальные выходные характеристики (рис. 4.11) несколько отличаются от приведенных на рис. 4,10 из-за наличия сопротивлений областей полупроводниковой структуры, примыкающих к коллекторному и эмитгерному переходам, а также из-за расширения коллекторного перехода с увеличением Укэ и вызванного этим возРастаниЯ 13.

Распознанный текст из изображения:

Дополнительные семейства характеристик при включении ОЗ приведены на рис. 4.12 и 4.13.

~бэ

Гк.,

~к1к — Рк так

область допустимых значений О„и 1„н рвпиче-

1„ на гиперболой и осями координат. 11рсвмрпспие

Р„,„приводит к нагреванию трап пк ~ ~цкк возрастанию температуры переходов, 1врвкк проню

к илхх

!

токов, и может наступить тепловой пробой.

Максимальное коллектоРное напРЯжешв ~ ~к рбб,

!

обусловлено высокой вероятностью пвх ~ уплеиил влектричеокого и теплового проба»,: ексимальный коллекторный ток — высокой всрокгкило ~к голл

ятностью пробоя перехода из-за высок й концентрации токов на отдельных у иктквэ перехода вследствие неоднородности его структуры. В результате мож« впрппкнуть эффект шнурования тока с последующим прожиганием струк1у~вб в ~ пх местах. Области допустимых Ук и 1к (см. на рис. 4.14) ограничены со э ~ « ~ срвенно вертикальной и горизонтальной линиями.

Для того, чтобы транзистор был способен выполнять одну и « ~и и', новных функций — усиление сигналов — его необходимо вклигчи ~ в в гк хэу,

х

Рис. 4.14

Влияние температуры на ход характеристик основных семейств показано на рис. 4.9 и 4.11 пунктиром. Причины температурных изменений — те же, что и при включении ОБ.

Независимо от схемы включения при измерениях характеристик и выборе режима работы следует, как и для диодов (глава 3), припять во внимание ограничения, связанные с предельными электричсскими величинами, которые, в первую очередь, будут существенны для цепей с максимальными значениями токов и напряжений. Именно поэтому твквс ~н равичения необходимо рассматривать, используя семейства выходных кврвктеристик (рис. 4.14). Мощность, рассеиваемая коллектором Р„определяется как произведение постоянных значений тока и напряжения кол~иктора. Исходя из неравенства

Е = 1'„'Н„+ Ц' (4.16)

Е=1бЯ, +Ц,', (4.17)

Уравнениям (4.16) и (4.17) на графиках основных семейств характеристик (рис. 4.16, 4.17) соответствует прямая, проходящая через рабочую точку и точку с напряжением Е, Координаты точек пересечения прямых с

хб

л к

~бэ

Е

~кэ

г

кэ

Рис. 4.16

Рис. 4.17

содержащую ряд пассивных элементов (резисторов, конденсаторов и индуктивностей), а также источник питания„образующих в совокупности с транзистором усилительный каскад. Необходимым условием работы каскада является обеспечение в нем определенных постоянных токов и напряжений в цепях транзистора (режима покоя). Для функционирования простейшего усилительного каскада, предназначенного для усиления сигналов с малой амплитудой, в выходную цепь включается резистор, предназначенный для выделения на нем усиленного напряжения сигнала (сопротивление нагрузки). На рис.4.15 показан транзистор, включенный по схеме ОЭ, с резистором Ив в выходной (коллекторной) цепи. Резистор Я„вместе

лтб с Кб, включенным в цепь базы, а также источник напряжения Е обеспечивают определенный режим работы транзистора, который остается практически неизменным при малых амплитудах сигнала (режим покоя, рабочая точка). Таким образом„номиналы Я„и Яб определяют положение рабочей точки на Рис. 4.15 характеристиках.

Нахождение номиналов М„и Кб для рассматриваемой схемы чаще всего производят, исходя из выбранного положения рабочей точки на семействах входных и выходных характеристик, соответствующего активному режиму транзистора. Пусть выбранная рабочая точка, согласно семействам основных статических характеристик, определяется величинами 1'„У',, 1'б, У'б,. Тогда на основании закона Кирхгофа для коллекторной и базовой цепей можно записать;

Распознанный текст из изображения:

вертикальной осью равны соответственно Е~Хв ()ля выходных характеристик) и Е!Хб (для входных характеристик), При наличии основных статических характеристик номиналы Хв и Хб могут быть найдены либо по графикам, либо при использовании уравнений (4.16) и (4.17). Семейство входных характеристик на рис, 4.17 представлено одной кривой, учитывая для большинства транзисторов очень слабое влияние на ее ход напряжения коллектора.

4.3 Дифференциальные параметры

Дифференциальные (малосигнальные) параметры связывают малые изменения токов и напряжений или амплитуды малых гармонических токов и напряжений в цепях транзистора. Различают физические и формальные пар аметры. Физические параметры характеризуют свойства транзисторов исходя из физических процессов, протекающих при работе транзисторов. К ним

НХ„ относятся коэффициент передачи тока эмиттера и = †" |1) „,„„„, соиротив-

Ыэ ЛЕНИЕ ЭМИттЕрНОГО ПерЕХОда Гэ = |у 6 сопи), ~ОЩЮГИВЛЕН

э ного перехода г„= кб |1, „„, коэффициент обратной связи ио иаи

к НЦ вЂ” и сопротивление базы гб. Теоретически а))ализижению ~А = — |1

. (~кб руя работу транзистора, для указанных параметров получают а)ин)итичсекие выражения, позволяющие установить зависимость этих параметров от режима работы (постоянных токов и напряжений), а также от температуры [8 |.

Параметр гб определяется в основном структурой транзистора и представляет распределенное омическое сопротивление участка базы от поверхности эмиттерного перехода до вывода базы (рис. 4.18). Э Б Параметр а, определяемый как диффереьн1иальный, мало отличается от определенного еоозион)ением (4.1) вследствие 1б<<1„и линейной и нервом приближении связью 1„и 1э. Как уже бьию выьне отмечено, его значения лежат в диапазоне И,') ) 0,999. Дифференциальное сопротивление )мипериого

И'

перехода, как следует из (4.7), равно --- и еое савРис. 4.18

г!., ляет десятки или сотни Ом; г„лежит в пределах десятков или сон еи к1 )м; р„ — 10 5 — 10 ~ гб — такого же порядка, как г, . Значения параметров ое иип ел не-

А %.У , гб — та изменными при различных схемах включения и изменяются в зависимое) и от режимов работы и температуры.

Ф

ормальные параметры описывают транзистор как активный линейный четырехполюсник. Характер физических процессов, происходящих при работе транзистора, при этом во внимание не принимается. Малые гармони-

ческие токи и напряжения во входной и вы-

— ходнои цепях и их направления, принятые и) 11анзисто~~ | за положительные, показаны на рис. 4. 1 9. В ~ И2 соответствии с теорией цепей такой четырехполюсник может быть описан системой двух линейных уравнений, связывающей токи и напряжения с использованием коэфРис. 4.19

фициентов, которые называются формальными параметрами. В зависимости от способа выражения связей, различают несколько систем параметров, из которых одной из самых распространенных является система 1'-параметров: )1 = У11И1 + У)2))2

(4,18)

)2 У2)и1 + У22и2'

Для определения 1'-параметров у11, У12, у21, у22 необходимо осуществить опыты короткого замыкания по переменной составляющей на входе (и1= О) и на выходе (и2 — — О) транзистора. Осуществление короткого замыкания во входной цепи транзистора, имеющей малое сопротивление, сопряжено с техническими трудностями. Поэтому при измерении параметров чаще пользуются системой Н-параметров:

~

и1 )1 1)1 + и1 2)2

(4 19)

)2 = ))21)1 + 622))2.

При необходимости можно найти 1'-параметры по измеренным значениям Н-параметров, если решить систему (4.19) относительно неизвестных )1 и )2. Формулы пересчета параметров из одной системы в другую приведены например в [9 с.2321.

Недостатком формальных параметров является зависимость их значений от схемы включения. Формулы пересчета параметров от одной схемы включения к другой приведены в [10, с.32Ц.

Формальный характер рассмотренных 1'- и Н-параметров не позволяет, не прибегая к измерениям, выявить их зависимости от постоянных напряжений и токов в цепях транзистора и от температуры. Ввиду этого бывает полезным воспользоваться связями формальных параметров с физическими [11, с.14Ц.

4.4 Особенности работы на высоких частотах

Основными факторами, оказывающими влияние на работу транзистора на высоких частотах, являются постоянная времени цепи эмиттера, время пролета носителей в базе, время пролета носителей через область пространственного заряда коллекторного перехода и постоянная времени цепи кол-

Распознанный текст из изображения:

лектора. Каждый из этих факторов приводит к тому, что с ростом частоты выходной ток начинает все больше отставать по фазе от входного; при этом снижается его амплитуда. В результате коэффициент передачи тока эмиттера представляется как комплексная величина а, Суммируя действия указанных факторов и опуская промежуточные преобразования [9), для модуля коэффициента передачи тока эмиттера можно записать как

эмиттера, при которой ~а~ снижа-

на очень низких частотах.

где в — предельная частота передач тока

ется в Л раз по сравнению со значением а

Для коэффициента передачи тока базы

! !п

(4.21)

где ир — предельная частота передачи тока базы, при которой ~б спяжастся в /2 раз по сравнению с ~) на очень низких частотах,

На основании (4.20) и (4.21) на рис. 4.20 в

! а~,ф

логарифмическом масштабе построены частотные зааисимости (а( и ~б~. Здесь, ссс ор мечена граничная частота оз, р, при которой р =1.

Для характеристики частотных свойств

транзистора используется еще один час ~ о пняй

оэ параметр, характеризующий усиленно по

мощности, — максимальная частота ~снсра-

ЦИИ Хмбк,. ПРИ ЭтОй ЧаСтОтЕ КОЭффШШСНт

Рис. 4.20

усиления транзистора по мощности ра вен

единице. Расчет дает для ~„,кс соотношение, связывающее его с гр;ши шой

ЧаетОтОйХрр, СОПрОтИВЛЕНИЕМ баЗЫ Гб И ЕМКОСТЬЮ КОЛЛЕКтОрНОГО ПсрСХода й' ',:

(4 )'э)

8;С,*

4.5. Работа транзистора в импульсном режиме

Импульсный режим работы является одним из наиболее раснростр;шснных при использовании транзистора в цифровой схемотехнике. Тран нес ~ ор

6~1 б

Рис. 4.22

в этом режиме часто применяется в схеме электронного ключа, открытое и закрытое состояния которого устанавливаются в зависимости от подаваемого на его вход напряжения. Типичная схема ключа, Л„ представленная на рис. 421, содержит нагрузочное сопротивление в коллекторной цепи Як и сопротивление в базовой цепи Мб, падение напряжения на котором значительно превышает Ц(Г)-Еб, напряжение на открытом эмиттерном переходе. Режимы работы, соответствующие закрытому и открытому состоянию ключа, иллюстрируются Рис. 4.21 на рис. 4.22, где показано семейство выходных характеристик транзистора 1„= Хк(Укэ) и линия нагрузки, определяемая уравнением

Ек = 11кэ+ ХкЕк (4.23)

Устанавливающиеся в схеме величины ХХкэ и 1, зависят от постоянноХк

I го тока, протекающего в цепи базы и

В определяются точкой пересечения д Хсз Хс

б> б линии нагрузки с соответствующей выходной характеристикой (рабочая Х б~О точка). В том случае, когда на базе Хб —— 0 существует отрицательный потенци- А

1 = — Хкб ал, обеспечивается режим отсечки, Е, при котором оба р-л-перехода транзистора закрыты, и ток в цепи базы равен — Хко. В этом случае рабочая точка А соответствует напряжению Укэ = Е, (ключ разомкнут). При подаче на вход схемы достаточно большого положительного напряжения эмиттерный переход открывается, и положение новой рабочей точки определяется протекающим в базовой цепи током Хб. Бсли Хб=Хбн', то наступает режим насыщения ~точка В), при котором оба р-и-перехода транзистора открыты, вследствие чего напряжение У„э становится минимальным (ключ замкнут). Процессы при переходе от разомкнутого состояния к замкнутому и обратно определяют быстродействие ключа, от которого зависит быстродействие цифрового устройства, содержащего значительное число транзисторных ключей.

Рассмотрим переходные процессы в схеме на рис. 4.21 при подаче на вход отпирающего прямоугольного импульса амплитудой ХХ. Исходная рабочая точка находится в положении А ~см. рис. 4.22). При этом на входе неизменно присут-ствует постоянное запирающее напряжение Ебэ. Результирующий действующий на входе импульс напряжения показан на рис. 4.2~~а. Сразу после подачи импульса в базовой цепи устанавливается ток Хб, обеспечивающий перезаряд барьерной емкости эмиттерного перехода (рис. 4.2~6). До тех пор, пока напряжение на переходе вследствие перезаряда емкости не

Распознанный текст из изображения:

достигнет величины, соответствующей открытому переходу (для Я- транзисторов напряжение составляет около 0,7 В), инжекции неосновных носителей в базу происходить не будет и 1,= О. После того, как эмиттерный переход открылся, и инжектированные носители дошли до коллекторного перехода, начинается рост 1„(рис. 4.2Дв). При этом рабочая точка смещается в положе-

Ебэ

бэ

К К

Е„

К

6

л„~~ ние В (см. рис, 4.22), что соответствует переходу транзистора в режим насыщения с открытым коллекторным переходом и малым падением напряжения на нем, когда 1к = 1:к/Нк.

Рис. 4.23

Время, в течение которого 1, увели- ЧИВаЕтСЯ ДО 0,9 1 „„, НаЗЫВаЕтСЯ ВРЕМЕНЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ тРаНЗИСтОРа 1ккк.

После отключения импульса У неосновные носители, накопленные вблизи эмиттерного и коллекторного переходов, не могут мгновенно исчезнуть этому в течение некоторого времени обеспечивается открытое состоян1 реходов и малые падения напряжения на них. При этом токи в базовой 1 лекторной цепях сохраняют значения, определяемые источниками н1гето го напряжения и включенными последовательно с ними сопротивлениям

Ебэ

1б =—

Яб

1 к (4.25)

1'к

Время, в течение которого 1„снизится до уровня 0,1 1, „,,с, н11 н,икается временем выключения ~„,„,.

и по- 1Е ПЕ- 1 КОЛ-

4

янно-

и:

(4.24)

4.б Модели биполярных транзисторов

Согласно наиболее распространенной модели Эберса — Молла, тр11нпнетор формально представляется схемой, содержащей два диода, отрвжьнощих свойства переходов транзистора, и два управляемых токами 11 и 1г исто шика тока для учета взаимодействия между переходами (рис. 4.24). Коэффн1н1ент

э

Сбкр к+Сдкф „

а; является коэффициентом передачи тока коллектора при инверсном включении, когда к коллектору приложено прямое смещение, а к эмиттеру — обратное. С учетом обозначений на рис. 4,24 1э 11 а112

1„= а11 — 12 11 =1о ехр с 11бэ КТ

(4.28) 1'2 — — 1„о ехр "-1 . ~~бк Ат

(4.29)

В сочетании с (4.2) и (4.9) соотношения (4.26) — (4.29) представляют систему из шести уравнений, в которой величины 1,о, 1ко, а и а; представляют усредненные для моделируемого типа транзистора параметры, значения которых заранее находятся экспериментальным путем. В то же время число неизвестных — 8 (1, 1„, 1б, 11, 12, Уэб= — Уб„У б — — — Убк, Укэ). Если, например, необходимо при моделировании получить выходную характеристику при включении ОЭ с заданным 1б, то для любого выбранного значения У„, ток 1„ находится как решение системы из шести уравнений с шестью неизвестными (из восьми неизвестных исключаются Укэ и 1„). Характеристика получается путем повторных решений для различных Укэ.

Рассмотренная статическая модель является приближенной, так как она не учитывает, например, зависимостей коэффициентов а и и; от режима работы, а также наличие сопротивлений областей базы, эмиттера и коллектора.

КК После необходимых уточнений модель к может быть использована как для малых, так и для больших сигналов. Убэ 1б р1б

~Г

Часто находит применение упрощенная модель Эберса — Молла для

э транзистора при включении с общим эмиттером в активном режиме, пред- Рис. 4.25 став-ленная на рис. 4.25. При добавлении в схему, изо-

а11г аХ1 браженную на рис.4.24, завися-

» « щих от постоянных напряжений и токов барьерных и диффузионных

16 составляющих емкостей эмиттер- 11 ного и коллекторного переходов, б модель трансформируется в ди- С„„,+С,, намическую (рис. 4.26). В том случае, когда возникает

Рис. 4.26 необходимость моделирования транзисторных устройств с учетом переходных процессов при импульсном

Распознанный текст из изображения:

точно болыпую энергию, омогут раэорнать связь и начать свободно переме. шаться в «рнс~ылнчаскай решетке )рис. 1 3) В результате ухода электрагм из связи возникает положительно заряженная вакансия электрона — одна иезапалненнал до устойчивого состояния связь. Эта вакансия может заполнягъся за счет поочередного перехода электронов из соседних связей. Происходящие при этом измеаения удобно описывать как перемещение материальной частицы с массой лзр и положительным зарядом, равньш заряду электрона Эта частица называется дыркон. Таким образом, в результате тепловота ноздействия в кристаллической решетке беспримесного полупроводника может возникнуть пара подвилгных носителей заряда — электрон и дырка, Процесс образовании подвижных носителей лазышется генерацией, В том случае, «огла прн перемещении в «рнс~лллнчсскон решетке свободный электрон заполнит встреченную на своем пути заклеен|о, произойдет исчезновение пары свободных носителей заряда '1'акой процесс называется рекомбнНацией. Очевидна, что в равнонеспых условиях среднее количество актов генерации за единицу времени будэс равна среднему количеству аюов рекомбинации за то же врелгя

Рассмотрим «рнсталлическую решспгу прлмесного полупроводника. При этом необходимо рассмотреть два варианта в зависимости от того, каком валентностью обладыот прнмссные атомы. Если вален гность примесных атомов Гналример фосфора Р) превыщаег да единицу вапентность основных тггаприьшр кремния бг), та четыре валентных электрона фосфора образуют устойчи вьш связи с соседними юомами «ремния, а его пятый валентный электрон связан только со своим атома«э сидами кулоповского взаимодействия грие.1.4). Для разрушения зтай связи необходима значительно меньшая энергия, чем для разрушения ковапентных связей, поэтому узке при яезначителыю на~резании такого полупроводника пятый валентиый электрон фосфора разорвет связь со своим атомом и начнет свободно перемещаться в кристыслгчоской решетке. В отличие ат беспримеснопзпалупроводиика образование свободного электрона не сопровождается образованием дырки Вместо этого пт за )хода электрона атом фосфора превращается в положительно заряженный нон Преобладание процессов образования подвижных электронов в расюмотренном полупроводникеприводиг к гому,что количество подвнжш,ш и «~рснсв значительно превышает количество дырок (дырки могут аозппкап. ш счет раз)эываковалентных связей),поэтому такой лолупроволннк н,г ью. » лск тронным, а атомы примесей — донсрамл гт. е, отдмощимн глек р лпа~

Если палентность атомов примесей ггтапримср индия 1п) па <тшпппт сньше валентности основных атаман, то олив связь осгаегсв и шп шпсшпю до устойчивого состояния )рис 1.5). Для запагппшшя э~оп гнлш ш а х Огьго передать соседнему связанному электрону небольпгу~п я«щшп ч р хп,га~е чша на месте ушедшего электрола образуется подан кпып ш ° ни ля ыр ~ ы— дырка, а атом индия, доотраивший сваю обола <ку зп у ~ и ~пап «линя путем присоединения Одг!огп электронн, преарлш~ я ~ ~ ~гч ~ юл лгряженный ион. Так как количество дырок в рзсгм цз шюм ш т 1«чишко

значительно больше количества эле«тронов, то он называетсл дырочным, а атомы — акцепторами Гт. е. прнсаединяющими электролами).

Сагггасгго рассмотренному выше при образовании свободных носителей заряда н попупроводнике всегда сохраняется его электронейтральностьг лтдгл = р+))о,

П.!) где л, р — концентрации свободных электронов и дырок; ДГО, )Ул — ьондеитрацин однократно ионнзнрованных доиорон н акцепторов.

1.4. Элементы зонной теории твердого тела

Как известна из квантовой механики, электроны в изолированном атоме могут обладать только вполне определенными дискретныьги значениями эгтергнн; этн значения энергии называют эвергетическимл уровнями )рис.!.б). В процессе образования твердого тела происходит сближениеато-

н го атома Заире пмш л

Рве. 1.Я

Распознанный текст из изображения:

характере сигналов (например, при работе в ключевом режиме), используется зарядоуправляемая модель, основанная на решении нелинейных дифференциальных уравнений для протекающих токов ~31.

Широкое распространение получили статические модели для малых сигналов, базирующиеся на эквивалентных схемах с использованием физических и формальных дифференциальных параметров. При малых амплитудах сигналов и фиксированных постоянных токах и напряжениях (в рабочей точке) такая модель для включения ОЬ

(ХГ',

формируется при последовательном обходе входной и выходной цепей

— гк (рис. 4.27). После преобразований с

э к использованием законов Кирхгофа

| и пренебрегая малой величиной

Иэб гб и.б П,„и,б можно получить схему для

включения ОЭ (рис. 4.28).

Малосигнальная динамическая

Рис. 4.27

модель образуется на основе статической путем добавления в нее емкостей переходов С„и С, и учета в ней частотной зависимости коэффициента а (рис. 4.29).

(Х»,

ик»

Рис. 4.29

Рис. 4.28

Для включения ОЭ в качестве модели часто используется П-образная

схема, в которую включен источник тока Яиб„управляемый напряжением в

С„ узле б'. Параметр Ь' называ-

Ц ется крутизной транзистора

~б

/

1к

б

и определяется как

б

»'к

К

5 = —" = —, (4.30)

д1„

| Иб'э»э

»Й1 г

бэ э

что следует из (4.7) и (4.8).

Показанное пунктиром на

э э рис. 4.30 дифференциальное

сопротивление г„ имеет, как

ибэ

Рис. 4.30

61

правило, большие значения, и поэтому им часто пренебрегают.

Наряду со схемами, содержащими физические параметры, нередко при-

меняются схемы с формальными параметрами. Пример такой схемы, со-

ставленной на основании (4.19) с использованием О-параметров, приведен

на рис. 4.31.

В таких современных программах схемотехнического

моделирования, как, например,

Е1ес1гоп1сз %ог1сЬепсЬ, Рзр1се,

и1 Ь»2и~ Ьл и2

М1сго-С ар, используются го- "2А

раздо более сложные модели,

дополнительно учитывающие

многие не рассмотренные здесь

явления и содержащие несколько десятков параметров.

4.7. Способы повышения быстродействия транзисторов

Увеличение быстродействия ЭВМ, освоение диапазонов все более высоких частот для техники связи и автоматического управления приводит к необходимости разработки элементной базы с высоким быстродействием. Одним из эффективных и давно применяемых путей увеличения быстродействия биполярных транзисторов является создание встроенного электрического поля в базе за счет неоднородного распределения примесей. Встроенное поле ускоряет неосновные носители, в результате чего характер их движения становится дрейфовым, а время пролета т„существенно снижается.

Рассмотрим структуру дрейфового транзистора, полученного методами планарной технологии (рис. 4.32 и рис. 4.33). В исходную пластину, равномерно легированную акцепторной примесью М,1, осуществляется диффузия донорной примеси Мд, создающей область и. Далее на малом участке поверхности и снова осуществляется диффузия акцепторной примеси Уд и создается слой с высокой концентрацией р'. Таким образом, представленная на рис. 4.32 р'-и-р-структура является транзисторной, где р+-область выполняет функцию эмиттера, а р-область — функцию коллектора.

А

(б)

База Коллектор

Эмиттер

А

Рис. 4.32

Рис. 4.33

Распознанный текст из изображения:

Распределение концентраций примесей в сечении А — А показано на рис. 4.33. Напряженность встроенного электрического поля в л-базе вб найдем, если для неоднородно легированного электронного полупроводника записать условие равенства нулю суммарного тока при отсутствии приложенного внешнего напряжения:

В---

д~

.1„=,4лр + 1п лиф = е~Ц~паб + еЦ~ (4.31) или при полной ионизации донорных примесей:

жчЬ)

еУ~х)абр.„+еЦ, ' ' =О, (4З2) где Ф(х) — распределение легирующей примеси в базе.

Приближенно считая, что распределение примесей в базе при диффузионном легировании описывается экспоненциальным законом, Ф~х) = И1ЭОехР—— (4.33)

1.ж где Х.к — характеристическая длина, характеризующая глубину проникновения примесей. Подставляя (4,33) в (4.32), находим вб: еб йТ

(4 34)

еХ.у

Количественные расчеты показывают, что встроенное электрическос поле снижает время пролета дырок в базе т„р в несколько раз и способствует существенному повышению быстродействия транзистора.

С учетом всех факторов, оказы- А Б а А вающих влияние на быстродсйствие транзистора, разработка быстродействующих транзисторных струк ~ур свяКоллектор зана с разре|пением ряда про~ пиореЭмиттер чий и с учетом технологи и скпх ог-

раничений. Так, в час и пгс пи для А-А снижения т„необходимо умспкшать ширину базы и, что ведст к уисличеБ10

нию сопротивления базы ги и к спиже- Я

нию Дпк„(4.22). Кроме того, <и рипичив-в вающим фактором являсгся ппприна

К эмиттерного перехода, цслпкпм расб эб положенного в области б;гпл и силу УсловиЯ Фэ»йб. ПРи очспь малых значениях ю может проигой~п смыр Б(л) какие эмиттерного переходи с колпекторным, и работа транзистора будет Рис. 4.34

нарушена.

Трудности создания быстродействующих транзисторов связаны также с получением структур с оптимальной конфигурацией. На рис. 4.34 показан вид сверху транзисторной структуры с выводами, сформированной на полупроводниковой пластине из п-кремния, а также ее сечения в плоскостях А — А и  — В. Из-за концентрации тока на краях эмиттерного перехода целесообразно увеличивать отношение периметра эмиттерного перехода к его площади, т. е. делать эмиттер в виде узкой полоски с малой шириной Л. В то же время существуют технологические ограничения для малых значений Л, обусловленные возможностями технологических методов создания планарных структур.

Радикальным путем увеличения быстродействия транзисторов является использование гетеропереходов, обладающих по сравнению с р-и-пере-ходами пониженной инжекцией носителей из базы в эмиттер при прямом смещении (т. е. лучшим отношением тока инжекции носителей из эмиттера в базу к общему току перехода), При этом в качестве материалов используются как Я, так и соединения %Се, ОаАз, 1пОаР и другие. Граничные частоты современных гетероструктурных транзисторов достигают сотен ГГц.

4.8. Параметры и конструктивные особенности различных

типов транзисторов

Биполярные транзисторы чаще всего классифицируются по двум признакам — максимальной рассеиваемой мощности на коллекторе Р„,„и граничной частоте г . Различают транзисторы маломощные (Р„,„< 0,3 Вт), средней мощности (О,З< Р, <1,5 Вт) и большой мощности (Р„>1,5 Вт), а также низкочастотные Д, <3 МГц), средней частоты (ЗМГц <1' <30 МГц), высокочастотные и СВЧ Ц > 30 МГц). Общим для всех транзисторов является существование предельных электрических величин (см. раздел 4,2).Паспортные данные транзисторов, предназначенных для работы в импульсном режиме, содержат наряду с указанными выше предельными величинами предельные значения импульсных токов и напряжений переходов и условия их измерения (длительность импульса и скважность). Кроме того, для всех типов транзисторов обычно указывается допустимый диапазон температур окружающей среды, предельная температура перехода Т„и тепловое сопротивление Лт, которое связывает перепад температур ЬТ между переходом и корпусом с мощностью Р, выделяемой в переходе:

Ьт= К.Р. (4.35)

Численные значения предельных электрических величин зависят от типа транзистора в соответствии с приведенной выше классификацией. Значения Рк„„~ могут достигать нескольких сотен ватт, Ук„„„— нескольких ампер, Ук 넄— нескольких сотен вольт. Предельные значения импульсных токов

Распознанный текст из изображения:

1 2

4

и напряжений, как правило, в несколько раз превышают значения 'в статическом режиме. Т„р составляет = +15О' С для кремниевых транзисторов.

В числе электрических величин и параметров низкочастотных транзисторов обычна указываются коэффициент передачи тока базы 62~э и условия его измерения, обратные токи коллекторного и эмиттерного переходов 1~ба и 1эбо, напряжение перехода ат режима насыщения к активному (напряжение насыщения У, „„) при различных схемах включения, а также в отдельных случаях некоторые дополнительные параметры (например коэффициент обратной связи по напряжению, выходная и входная проводимости и т.д.). Значения основного параметра 621, могут достигать нескольких сотен, Ук „ке не превышает 1 В.

Паспортные данные транзисторов, предназначенных для работы на высоких частотах, включают дополнительно значение модуля 11т21э~ на высокой частоте, емкость эмиттерного и коллекторнога переходов, могут включать значения максимальной частоты генерации 1,„,„, предельной частоты передачи такаЛ~ или ф граничноЙ частоты 1'Гр сопротивлениЯ базы Гб~ пОстОЯннОЙ времени гбСк. Значение гб обычно лежит в диапазоне от единиц до нескольких сотен ом.

Для транзисторов, работающих в импульсном или ключевом режиме, до- ПОЛНИтЕЛЬНО УКаЗЫВаЮт ВРЕМЯ ВКЛЮЧЕНИЯ 1,„„И ВРЕМЯ ВЫКЛЮЧЕНИЯ 1,к,

Основным типом структуры, используемым

при изготовлении транзисторов, является планар51о, но-эпитаксиальная транзисторная структура

(рис. 4.35), получаемая методом эпитаксильного и Р наращивания высокаомного и-слоя на и -подложку и последующего локального легирования меи Коллектор тодами планарной технологии. Завершающим Рис. 4.35 этапом в изготовлении структуры является вскрытие «окон» в защитном слое двуокиси кремния ЯО2 и создание металлических проводящих слоев, контактирующих с областями рбазы и и'-эмиттера. Для защиты от воздействий б внешней среды структура 4 помещается внутрь корпуса 2 (рис.4.36). На основании корпуса 6 крепятся вводы З„изолированные при помощи диэлектрика 5. Для подсоединения вводов к Рис. 4.36 структуре используются соединители 1.

4.9. Биполярный транзистор как элемент интегральных схем 510 Принципиально работа биполярного

транзистора в составе интегральной а) Р схемы (ИС) не отличается от работы транзистора, изготовленного в виде Р

дискретного полупроводникового приб) и

бора. Отличие состоит только в конст- Л и руктивна-технологических особенностях, обусловленных необходимостью Р размещения на одной полупроводнико-

и в) вои пластине большого числа электри-

чески изолированных друг от друга +б э ки' транзисторных структур. Один из

распространенных способов создания Р таких структур, реализуемый методами

планарной технологии, показан на г

+

и рис. 4.37. На слаболегированной Рис. 4.37 р-пластине выращивается эпитаксиальный и-слой, на поверхности которого создается защитный %02-слой (рис. 4.37п). После вскрытия окон в защитном слое и диффузии акцептарных примесей и-слой оказывается разделенным на отдельные области, называемые карманами. Карманы электрически изолированы друг от друга, так как цепи, по которым между ними мажет протекать ток, представляют два р-и-перехода, включенные встречно (рис. 4,376). В каждом из карманов создается планарная транзисторная структура (рис. 4.37в). В ряде случаев за счет усложнения технологии создают дополнительный и'-слой (рис. 4.37г), шунтирующий коллекторную область и снижающий объемное сопротивление коллектора.

Контрольные вопросы

1. Показать, как перемещаются носители заряда в транзисторной структуре при работе в активном режиме и какие в связи с этим перемещением токи возникают во внешних цепях.

2. Объяснить, как осуществляется усиление малого сигнала по току, напряжению и мощности в биполярном транзисторе.

3. Показать и объяснить ход статических характеристик при включении транзистора с общей базой.

4, Показать и объяснить ход статических характеристик при включении транзистора с общим эмиттерам.

5. Перечислить дифференциальные параметры транзистора и дать им определение.

Распознанный текст из изображения:

ч я в . рс >пои на расс гояние а, при зтпм первоначальные дискретные энерге1пч кзю >ровни расщепляются и образуют зоны, состояшие из очень боль>пи о количества нахалюцихсв близко друг от цруга энергетических уровней, на каждом из которых согласно принципу Паули могут быть рюмсшены два электра>ш. Количество энергетических уровней в зонах равно числу атомов в твердом теле, а разница между значениями энергии соседних уровней в реальном случае настоэько мала, что изменение энергии в пределах зоны практически можно считать не дискретным, а непрерывным.

Образование энергетических зон в полупроводниках при Т = 0 можно упрашенна представить следу>ашнм образам. Вапенп~ый уровень нзолнро Ванного атома, т. е. уровень с максимальной энергией, занятый электронами, при расщеплении образует валентнута зону. Все урании в*>снтной зоны ваня ты электронами Следующий эа вюмнтным уроиень с более высокой юерги ей Е (уровень возбузкдения), на котором нег электршюв, при ршшепленни

образует золу, называемую зоной лро оли с нровслимости Между валентлой зоной и золой проводимости имеется диапазон Е, тле нет энергетических уровней, т.е, суй лгестлованне элехтроиоа с таси. ми зяазениямн Е невозможно. д, Этот диапазон Е называешься зайэленгвю прешенной зоной. Процессы, связанные с переходом электронов в проделал валеатноя ювы к Рис. 1.7 зоны проводимости, а плакс че-

жду этимх зонами, опр шслкю> важнейшие свойства попупроводников, поэтому при рассмотрении пепел ннх часто используешя ванная энергетическая диаграмма — сов кы сн. трех энергетических зон (рис, 1.7).

В пределах зон с разрешенными дяя электронов значениями ~ ризи число энергетических уровней неодинаково. В теории тлсрдонз ~ ° , но, что плотность энергетических уровней А>(число уровней в слп пп«. пье ма, приходвшихся на единя*пшй интервал энергии), зависит о> 1, д> (Е) 2п( ш ) (Е Е у)г.

з А> (Е)= (Е„-Е)'т,

2>г(2 ля) - 1,' л,з

П )) тле ев(е), лл(е) — плотности энергетических уровш л лю 1.» ~ « цпмости и вшентной зоны, ш„, ш — эффектныпл м ксы шы 1 и, ь льш не савпадаюшие с массой похоя электрона лд> и> |е ог явн ~ «п,п *,лшя этих частиц в твердом теле, й — постоянная Пл.шка,

Энергетические диаграммы полупроводников могут быть вспальзаввны лля иллюстрации рассмотренных ранее пропессов образования подвижвых носителей заряда при Тф й; в этом случае процессы приобретают ходичествеяную определенность. Гсззсрация пары элехтрон — дырка происходит при переходе электрона из валентвай зоны в зону проводимости (см, рис. 1.7). Д>ш осуществления такого процесса необходимо сообгпнть электрону ввергаю„ равную энергии связи или веяичюш, равной ширине запрещенной зоны ЬЕ„. Обратныи процесс рекомбинация пары полвижных носителей — также погсазан нв рис. 1.7. Наличие примссных атомов в попупроводнике создает дополнлтсльнью примеспые энергетические уровни в запрещенной зоис. Атомы доноров создают уровень Ел, жжаший вблизи зоны проводимости (рис 1.8 а), а атомы акцепторов — уровень вблизи ввлевтной зоны Ьл (рис, 1 8 б). Возникновение подвижных электронов в дырок происходит при сообщении люктронам неболыпой энергии ЬЕл или ЬЕл, даст атачвай для перевода их с уровня Ел в зону проводимости (образуется подвижный электрон) или из вапентнай зоны на уровень акпепторов Ел (образуется подвизхзгая дырка) 847=о)

х„ а)

Гис 1.8 Пб. Распределение электронов и дырок по эмергвтнческны

соетоынинм н зонах

В статистической физике для большой группы одяотипиых частиц вводится понятно функции распределения па энергии — вероятность существования частицы с заданным значением энергии. В зависимости от своиств частиц разчичают несколько вялое статишик. Повез>ение оовокупносз н *лекгронав в тнердом теле или, как часто называют, электронного гюа наиболее полно описывается статистикой Рерми — Дирака, согласно которой фупкпия распрелеления имеет вид

И.4)