Реферат: Полупроводниковые приборы
Техникаполупроводниковых приборов стала самостоятельной областью электроники. Заменаэлектронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многихрадиотехнических устройствах.
На всем протяженииразвития радиотехники широко применялись кристаллические детекторы,представляющие собой полупроводниковые выпрямители для токов высокой частоты.Для выпрямления постоянного тока электрической сети используют купроксные иселеновые полупроводниковые выпрямители. Однако они непригодны для высокихчастот.
Ещё в 1922 г. сотрудникНижегородской радио лаборатории О.В. Лосев получил генерирование электрическихколебаний с помощью кристиллического детектора и сконструировал приёмник “Кристадин”, вкотором за счет генерации собственных колебаний получалось усиление принимаемыхсигналов. Он имел значительно большую чувствительность, нежели обычныеприемники с кристаллическими детекторами. Открытие Лосева, к сожалению, неполучило должного развития в последующие годы. Полупроводниковые триоды,получившие названия транзисторов, предложили в 1948 г. американские ученыеБардин, Браттейн и Шокли.
По сравнению сэлектронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенныедостоинства:
1. Малый вес и малые размеры.
2. Отсутствие затраты энергии нанакал.
3. Большой срок службы (до десятковтысяч часов).
4. Большая механическая прочность(стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).
5. Различные устройства (выпрямители,усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, таккак потери энергии в самих приборах незначительны.
6. Маломощные устройства странзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях.
Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:
1. Параметры и характеристикиотдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.
2. Свойства приборов сильно зависятот температуры.
3. Работа полупроводниковых прибороврезко ухудшается под действием радиоактивного излучения.
и т.д.
Транзисторы могутработать почти во всех устройствах, в которых применяются вакуумные лампы. Внастоящее время транзисторы успешно применяются в усилителях, приёмниках,передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и вомногих других устройствах.
Виды проводимости
Полупроводники представляютсобой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимаютсреднее место между проводниками и диэлектриками. В современныхполупроводниковых приборах широко используется такие полупроводники, какгерманий, кремний, селен, арсенид галлия и др.
Для полупроводниковхарактерен отрицательный температурный коэффициент электрическогосопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводниковуменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Крометого, электрическое сопротивление полупроводников сильно зависит от количествапримесей в полупроводников сильно зависит о таких внешних воздействий, каксвет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.
Принципы работыполупроводниковых диодов и транзисторов связаны с тем, что в полупроводникахсуществует электропроводность двух видов. Так же, как и металлы, полупроводникиобладают электронной электропроводностью, которая обусловленаперемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах вполупроводниках всегда имеется электроны проводимости, которые очень слабосвязаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловой движение междуатомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разностипотенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении,которое и является электрическим током. Полупроводники обладают также дырочнойэлектропроводимостью, которая не наблюдается в металлах. Отсутствие электрона ватоме полупроводника, т.е. наличие в атоме положительного заряда, назвали дыркой.Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т.е. образовывалосьсвободное место. Дырки ведут как элементарные положительные заряды.
Электронно-дырочныйпереход
Область на границе двухполупроводников с различными типами электропроводности называетсяэлектронно-дырочным или р-n переходом. Электронно-дырочный переход обладаетсвойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейноесопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике,основана на использовании свойств одного или нескольких p-nпереходов.
/> <td/> />Пусть внешнее напряжение отсутствует (рис.1).Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочноетепловое движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит ихдиффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Как и в любомдругом случае диффузии, на пример наблюдающейся в газах и жидкостях, носителиперемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где их концентрациямала. Таким образом, из полупроводника n-типа вполупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлениииз полупроводника p-типа в полупроводник n-типадиффундируют дырки. Это диффузионное перемещение носителей показано на рисунке1 сплошными стрелками. В результате диффузии носителей по обе стороны границыраздела двух проводников с различным типом электропроводности создаютсяобъемные заряды различных знаков. В области n возникаетположительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомамидонорной примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в области pвозникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженнымиатомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами. На рисунке1 дляупрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.
Между образовавшимисяобъемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов U= и электрическое поле. Направление векторанапряженности этого поля Е показано на рисунке1.Перемещение неосновныхносителей зарядов под действие поля, называемое дрейфом носителей. Каждуюсекунду через границу в противоположных направления диффундирует определенноеколичество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количестводрейфует в обратном направлении.
Перемещение носителейза счет диффузии называют диффузным током, а движение носителей под действиемполя представляет собой ток проводимости. В установившемся режиме, т.е. придинамическом равновесии перехода, эти токи противоположны по направлению.Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствиивнешнего напряжения.
Полупроводниковый диод.
Электронно-дырочный переход представляет собойполупроводниковый диод.
Нелинейные свойства диодавидны при рассмотрении его вольтамперной характеристики. Пример такойхарактеристики для диода небольшое мощности дан на рис.2. Она показывает чтопрямой ток в десятки миллиампер получается при прямом напряжении порядкадесятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет величину не вышедесятков ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни
миллиампер и больше притаком же малом напряжении, а R соответственно снижается до единиц ом и меньше.
Участок характеристикидля обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают вдругом масштабе, что и сделано на рисунке выше. Обратный ток при обратномнапряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицыили десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотенкилоом и больше.
Полупроводниковые диодыподразделяются по многим признакам. Прежде всего следует различать точечные,плоскостные и поликристаллические диоды. У точечных диодов линейные размеры,определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, илименьше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщиныперехода.
Точечные диоды имеютмалую емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых частотахвплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или несколькихдесятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади переходаобладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотахне более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает отдесятков миллиампер до сотен ампер и больше.
Основой точечных иплоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные измонокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическоестроение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостныхдиодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также иарсенид галлия и карбид кремния.
Поликристаллическиедиоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящимииз большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друготносительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Этидиоды бывают селеновыми, меднозакисные (купроксные) и титановые.
Принцип устройства точечногодиода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка(игла) снанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинкеполупроводника с определенным типом электоропроводности. При этом из иглы восновной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область сдругим типом проводимости. Это процесс наз. формовкой диода. Таким образом,около иглы получается мини p-nпереход полусферической формы.Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодаминет. В последнее время появились еще так называемые микро плоскостные или
/>
микросплавные диоды,которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чемточечные диоды(б).
/>
Плоскостные диодыизготавливаются, главным образом, методами сплавления диффузии. Для примера нарисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. Впластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусовкаплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.
Область сэлектропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежлиосновная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому являетсяэмитером. К основной пластинке германия и к индию припаиваются выводныепроволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомныйгерманий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получаетсяэмитерная область n-типа.
Следует отметить, чтосплавным методом получают так называемые резкие или ступенчатые p-nпереходы, в которых толщина области изменения концентраци примесей значительноменьше толщины области объёмных зарядов, существующих в переходе.
Типы диодов.
По назначениюполупроводниковые диоды подразделяются на выпрямительные диоды малой, средней ибольшой мощности, импульсные диоды и полупроводниковые стабилитроны.
Выпрямительныедиоды малой мощности. К нимотносятся диоды, поставляемые промышленностью на прямой ток до 300мА.Справочным параметром выпрямительных диодов малой мощности является допустимыйвыпрямительный ток(допустимой среднее значение прямого тока), который определяетв заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительнопротекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодовлежит в диапазоне от десятков до 1200В.
Выпрямительные диодысредней мощности. К этому типуотносятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит впределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодамидостигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-nперехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. Всвязи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-nперехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая вкристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности,уже не может быть рассеяна корпусом прибора.
Мощные (силовые)диоды. К данному типа относятсядиоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градациюпо частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц.
Мощные диоды изготовляютпреимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом,создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой дискдиаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.
Транзистор.
Транзистор, илиполупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкоеприменение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала,малые габариты и стоимость, высокая надежность- таковы преимущества, благодарякоторым транзистор вытеснил из большинства областей техники электронный лампы.
Биполярный транзисторпредставляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимисятипом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. Взависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n(рисунок 5). Их условное обозначение на электронных схемах показано на том жерисунки. В качестве исходного материала для получения трехслойной структурыиспользуют германий и кремний.
Трехслойная транзисторнаяструктура создается по сплавной или диффузионной технологии, по которойвыполняется и двухслойная структура проводниковых диодов. Трехслойнаятранзисторная структура типа p-n-p, выполненная посплавной технологии Пластина полупроводника n-типа являетсяоснованием, базой конструкции. Два наружных p-слоя создаютсяв результате диффузии в них акцепторной примеси при сплавлении ссоответствующим материалом. Один из слоев называется эмитерным, а другой- коллекторным. Так же называются и p-n-переходы создаваемые этими слоями со слоем базы, атакже внешние выводы от этих слоев.
Функция эмиттерногоперехода – инжектирование (эмитирование) носителей заряда в базу, функцияколлекторного перехода – сбор носителей заряда, прошедших через базовый слой. Чтобыносители заряда, инжектируемые эмиттером и проходящий через базу, полнеесобирались коллектором, площадь коллекторного перехода.
/> <td/> />В транзисторах типа n-p-n функции всех трех слоев и их названия аналогичны,изменяется лишь тип носителей заряда, проходящий через базу: вприборах типа p-n-p –/> <td/> />
это дырки, в приборах типа n-p-n –этоэлектроны
Полупроводниковая структуратранзистора типов p-n-p и n-p-n
/> /> /> /> /> /> <td/> /> />Существуют три способа включения транзистора: собщей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), и общим коллектором (ОК). Различие вспособах включения зависит от того, какой из выводов транзистора является общимдля входной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной цепейявляется база, в схеме ОЭ- эмиттер, в схеме ОК – коллектор.
В силу того, чтостатические характеристики транзистора в схемах ОЭ или ОК примерно одинаковы,рассматриваются характеристики только для двух способов включения: ОБили ОЭ.
Представлениетранзистора схемой замещения (эквивалентной схемой) необходимо для проведения расчетовцепей с транзисторами. Особый интерес представляет схема замещения в физическихпараметрах, в которых все ее элементы связаны с внутренними (физическими)параметрами транзистора. Использование такой схемы замещения создает удобство инаглядность при анализе влияния параметров прибора на показатели схем с транзисторами.
Ниже рассматриваютсясхемы замещения транзисторов ОБ и ОЭ для переменных составляющих токов инапряжений применительно к расчету схем с транзисторами, работающими вусилительном режиме, в частности усилительных каскадов. Такие схемы замещениясправедливы для линейных участков входных и выходных характеристик транзистора,при которых параметры транзистора можно считать неизменными. В этом случаеиспользуют так называемые дифференциальные параметры транзистора, относящиеся кнебольшим приращениям напряжения и тока. Наиболее точно структуру транзисторапри этом отображает Т-образная схема замещения.
Т-образная схемазамещения транзистора ОБ показана на рисунке ниже, По аналогии со структуройтранзистора она представляет собой сочетание двух контуров:левого, относящегося к входной цепи (эмиттер -база), и правого, относящегося квыходной цепи (коллектор -база). Общим для обоих контуров является цепью базы ссопротивлением r.
/>
Литература:
1. И. П. Жеребцов “Основы электроники”
2. Ю.С. Забродин “Промышленнаяэлектроника”
3. И.М. Викулин “Физикаполупроводниковых приборов”