А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Вырождение достигается за счет вве- + + дения высокой концентрации примесей. я' и При Т = 300 К предельная концентрация доноров или акцепторов, начиная с ко- ,Ъ торой происходит вырождение для Ое и ЛцРр и -3 я, Р е, = ли~-ьзйр Я, составляет примерно 1О" см, а для ОаАз = 10" см '.
Энергетическая дна- ц( ( ) и ди~ 11 грамма для такого контакта в состоянии я р термодинамического равновесия показана на рис. 4.20. В отличие от невыро- ьйр жденного случая (рис. 4.13) уровень Ферми И'р на рис. 4.20 проходит не в запре- рй щенной зоне, а через валентную зону в р+-полупроводнике и зону проводимости Рис. 4 20 Знергегичес«ая лимрамма вырожленв пя-полупроводнике.
")лубина погруже- ного Р— и -перехода в состолнии РавноВесиЯ ния" уровня Ферми в соответствующие зоны определяет степень вырождения полупроводников. Чем больше концентрация примесей, тем сильней вырождение, т. е. больше ЬИРр, и ЬИРр„. В результате в вырожденном р' — и'-переходе границы зон ИР„ИР„ пеРекРываютсЯ на величинУ бИ' = Ь14'р + ЬИРр„и высота потенциального баРьеРа У р' — п'-перехода оказывается равной ЬИг+бИ', а не ЬИ' — бйг, как на рис.
4.13. Высокая концентрация примесей приводит также к уменьшению толщины обедненного слоя (4.13), который при еГ = 0 составляет г( !0 ' см. В этом случае внутренняя напряженность электрического поля в переходе. удерживающая электроны и дырки от взаимного перемещен>и, составляет уже Е = ~„/й - 10' В/см. При таких условиях электроны 'просачиваются" сквозь потенциальный барьер, а не "поднимаются" на него, как в случае невырожденного р — и-перехода. Иначе говоря, вырожденный р — и-переход даже при У = 0 находится в состоянии 'пробоя". В квантовой механике этот механизм преодоления потенциального барьера получил название туннельного эффекта, от которого и берет свое название ТД.
ВО Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы В состоянии термодннамического равновесия оба потока электронов: из валентной зоны р'-области в зону проводимости и'-области (ло)„„и обратный поток — из зоны проводимости в зону, валентную (пн)„„, взаимно уравновешиваются и результирующий поток носителей через диод равен нулю. Если к диоду приложено обратное напряже- 12 ТД ние ("+'* на л' и "—" на р+), то область пере- (гк( крытия зон бй' будет увеличиваться на величину га еХХ (так же, как на рис. 4.15).
При этом обрат- ОД 1, ная ветвь ВАХ на рис. 4.21 будет соответствовать к 72 туннельному пробою по составляющей (ло) Для прямого смещения область перекрытия -(г и гги и (т зон бй' уменьшается на величину е(Х и ток ме- 1 0 2 2 няет направление. Теперь определяющим становится поток электронов (л22)„, — из зоны проводимости п'-области в валентную зону р'- — 1 области.
Нарастание прямого тока будет проис- ходить до тех пор, пока граница зоны проводиРис. 4.21. ВАХ 'у"нельного (ТД) и одра мости в л'-полупроводнике не совпадет с уров- нем Ферми в дырочном полупроводнике. Даль- щенного (ОД) диодов нейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока, так как убывает область перекрытия зон. При ХХ2 2блй"г„/е, бй' = 0 и туннельный ток Х„обращается в нуль. Напряжение, прн котором туннельный ток в прямом направлении достигает 2Ь М максимального значения 1,, примерно равно ХХ~ — д'-. 3 При прямых смешениях, превышающих (Х„заметную роль начинает играть обычный диффузионный ток неосновных носителей Х„обусловленный классическим механизмом преодоления электронами потенциального барьера.
В результате полная ВАХ складывается из двух составляющих 1, + 1, и соответствует характеристике 1т-типа (рис. 4.!,б). В интервале токов от 1, до 1, и напряжений от хх, до (12' она обладает отрицательным дифференциальным сопротивлениелг (г,(. поэтому, в отличие от невы- рожденного р-л-перехода, ТД является активным двухпалюсником. При слабой степени вырождения (бй' кТ,) ВАХ ТД имеет слабо выраженный максимум.
Такая ВАХ соответствует обращенному диоду (ОД), который обладает высокой проводимостью в обратном направлении ("пробой") и низкой — в прямом, до напряжения (Х2. ТД и ОД обладают малой инерцион- ~гд~ постыл, так как при туннельном механиз- м, Х., ме переноса электронов происходит монополярная инжекция. Реальная частота а б 1 „до которой ТД может быть использован как активный элемент. ограничивает- Рис, 4 22. Зквивазентная схема туннельного дися барьерной емкостью С н молулем от- ола рицательного дифференциального сопротивления ~г,~ в рабочей точке 1,(Х,.
Обычно 1„,„< 1/~В!С 10ГГц. Эквивалентная схема ТД для малых переменных сигналов на падающем участке ВАХ показана на рис. 4.22, где Х,, — паразитная индуктивность, зависящая от конструкции ТД. У ТД, как у всякого двухполюсника, "вход" совпадает с "выходом". По этой причине он илщет 100%-ную положительную обратную связь и не обладает направленным действием.
Поэтому на практике использование ТД оказалось перспективным в маломощных (< 1 мВт) генераторах и смесителях электромагнитных колебаний (гл, ЧП). 81 4.6. Биполя ный внвиетор 4.6. Биполяриый транзистор В транзисторах этого класса осушествляется биполярная инжекция, откуда и берет свое происхождение название "биполярный транзистор". Биполярный транзистор является активным однонаправленным нелинейным четырехполюсником.
Е, Е„ Е„ Рис. 4.23, Включение биполярного транзистора (с обшей, базой) р — п-р и в-р — и во внешнюю цепь Биполярный транзистор представляет собой два р — п-перехода, расположенных в одном кристалле (рис. 4.23). Левый р — п-переход — змитер — смещен в прямом направлении. С его помошью осуществляется инжекция неосновных носителей в средний слой полупроводника — базу.
Правый переход — коллектор — смешен в обратном направлении и собирает неосновные носители, прошедшие через базу. Условные обозначения транзисторов (р — и — р, в-р-и) различаются направлением стрелок на эмиттерном выводе. В отличие от электронных ламп, где проводимость осушествляется только электронами, в приборах на твердом теле можно реализовать как электронный, так и дырочный эмитгер, Различие между указанными транзисторами (р — и — р или п-р-и) не принципиально и касается только полярности включения внешних источников питания и не сушественных с физической точки зрения различий в технологии изготовления и значениях подвижности дырок и электронов.
Поэтому все последуюшее изложение принципа действия будет относиться к р-и — р-транзистору и без ушерба для понимания может быть перенесено на транзисторы а — р-п-типа. На рис. 4.24, а представлена структура р — п-р-транзистора с указанием направления движения дырок и электронов и соответствующих токов. На рис. 4.24, б построена энергетическая диаграмма лля неравновесного случая в предположении, что все три области полупроводника обладают одинаковыми электрофизнческими характеристиками (Ьйг, е, Р,) и образуют два гомоперехода.
В отличие от р — и-перехода (диода) принципиальным условием для работы транзистора является большой коэффициент илжекции дырок через эмиттерный переход, т. е. 1»„ 1, 1, +1,„ (4.16) где 1, — полный ток эмиттера, а 1, и 1,„— соответственно дырочная и электронная составляющие. Если р-область эмитгера легнрована сильнее, чем и-область базы, то ток эмиттера в основном переносится дырками.
т. с. 1„, Ъ |,„и у„- 1. Практически 7„обычно составляет 0.999. при этом электронная составляюшая тока эмиттера пренебрежимо мала Глава 4. Нелинейные активные и пассивные элементы 82 и равна (4.17) 1»» = 1;(1 - 7,) = 1.7. — О. Как видно из рис. 4.24,б, элек- ) р тз Р троны в области базы "заперты" со стороны коллектора высоким барьером уз„+ е(Е„, а со стороны эмитгера условием 7„- О. Приток электронов в базу со ем 1 1»»~ 11, стороны коллектора 1„связан с обратным током коллекторного 16 р — п-перехода, который мал и не торе (обратная ветвь ВАХ р — и- »»,' перехода, рис.
4.17). Я1 Как видно из рис. 4.24, а, в цепи базы токи Е,„и 1„„направле- з»» в(Г» ио »»„+в с7„ ны навстречу друг другу и поэтому Ч', » (,1 18) — еУ, г» Этот ток беспрепятственно выте- Р» ! »»» кает через омический (антизапор- ' + + + йз Р» ный) контакт базы и практически не зависит от напряжения на эмитгере и коллекторе. Для неосновных носителей— Рис. 4.24.
Принцип действия биполярного транзистора: ДыРок — эмиттеРный пЕРЕхоД Яв- а) модель Р— и — р транзистора; б) энергетическая диа- ляется инжектируюшим, а кол грамма в неравновесном состоянии лекторный — антизапорным. В отличие от электронов дырки могут беспрепятственно проходить через эти переходы, т. е. осуществляется сквозной "транзит" от эмиттера до коллектора. При 7„1 дырочный ток эмиттера практически равен полному току эмиттера.
Дырки, инжектированные в базу, образуют в ней положительный заряд. Условие электрической нейтральности в базе осуществзглется за счет притока электронов через базовый контакт, так как со стороны эмиттера и коллектора обмен электронами практически отсутствует. Нейтрализация, так же как в изолированном р — п-переходе, осуществляется "мгновенно" с максвелловским временем релаксации (4.9). В результате в базе образуются градиенты концентрации — дырок и электронов. На пути к коллектору некоторое число дырок рекомбинирует с электронами и до коллектора доходит только их часть, равная р» = т)р„ где г) ( 1 — коэффициент переноса.
Эти дырки беспрепятственно проходят в коллектор, где они являются основными носителями. Оставшиеся в базе электроны лля восстановления электрической нейтральности выходят обратно через базовый контакт. В результате ток базы, связанный с рекомбинацией, равен разности между дырочными составляющими тока эми пера 1„, и тока коллектора 1„„, т. е. 1» „= 1»в — 1„, = 1,7» — 1,7»г) = 1,7„(1 — г)).
(4.19) Таким образом, по своей физической природе ток базы, связанный с переносом дырок, обусловлен рекомбинацисй. Изменяя ток базы с помощью внешнего источника. можно существенно влиять на темп рекомбинации и таким образом изменять токи эьпптера и коллектора. Этот режим испазьзуется в схемах с общим эмиттером и общим коллектором (эмитгерный повторителю. Полный электронный ток оазы, определяемый электронными токами через эмит- терный и коллекгорньш Р— п-ггереходы (4.18), а также током рекомбинации (4.19:.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
