Потапов Л.А. Основы электроники

Подождите немного. Документ загружается.

отдельных индикаторов и в виде семисегментных или точечных матриц.

Семисегментные матрицы состоят из семи светящихся полосок – сегментов,

из которых можно синтезировать изображение любой цифры от 0 до 9 (такие

матрицы используются, например, в электронных часах с цифровой

индикацией). В точечных матрицах изображение формируется из

светящихся точек. На основе точечных матриц можно синтезировать не

только изображение цифры, но и любого индицируемого знака (буквы,

специального символа и т.д.).

Фотодиоды. Простейший фотодиод представляет собой обычный

полупроводниковый диод (см. рис. 1.8, а), в котором обеспечивается

возможность воздействия оптического излучения на р–п-переход. В

равновесном состоянии, когда поток излучения полностью отсутствует,

концентрация носителей, распределение потенциала и энергетическая зонная

диаграмма фотодиода полностью соответствуют обычной p-n-структуре. При

воздействии излучения в направлении, перпендикулярном плоскости p-n-

перехода, в результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем

ширина запрещенной зоны, в n-области возникают электронно-дырочные

пары. Эти электроны и дырки называют фотоносителями. При диффузии

фотоносителей в глубь n-области основная доля электронов и дырок не

успевает рекомбинировать и доходит до границы p–n-перехода. Здесь

фотоносители разделяются электрическим полем p–n-перехода, причем дырки

переходят в p-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и

скапливаются у границы p–n-перехода и n-области.

Таким образом, ток через p–n-переход обусловлен дрейфом неосновных

носителей – дырок. Дрейфовый ток фотоносителей называется фототоком.

Фотоносители – дырки заряжают p-область положительно относительно n-

области, а фотоносители – электроны – n-область отрицательно по отношению

к p-области. Возникающая разность потенциалов называется фотоЭДС E

Генерируемый ток в фотодиоде – обратный, он направлен от катода к аноду,

причем его величина тем больше, чем больше освещенность.

Фотодиоды могут работать в одном из двух режимов – без внешнего

источника электрической энергии (режим фотогенератора) либо с внешним

источником электрической энергии (режим фотопреобразователя).

Фотодиоды, работающие в режиме фотогенератора, часто применяют в

качестве источников питания, преобразующих энергию солнечного излучения в

электрическую. Они называются солнечными элементами и входят в состав

солнечных батарей, используемых на космических кораблях. КПД кремниевых

солнечных элементов составляет около 20 %, а у пленочных солнечных

элементов он может иметь значительно большее значение. Важными

техническими параметрами солнечных батарей являются отношения их

выходной мощности к массе и площади, занимаемой солнечной батареей. Эти

параметры достигают значений 200 Вт/кг и 1 кВт/м

, соответственно.

При работе фотодиода в фотопреобразовательном режиме источник

питания Е включается в цепь

в запирающем направлении

(рис. 1.8, а). Используются

обратные ветви ВАХ

фотодиода при различных

освещенностях (рис. 1.8,б).

Ток и напряжение на

нагрузочном резисторе R

могут быть определены

графически по точкам

пересечения ВАХ фотодиода

и линии нагрузки, соответствующей сопротивлению резистора R

. При

отсутствии освещенности фотодиод работает в режиме обычного диода.

Темновой ток у германиевых фотодиодов равен 10…30 мкА, у кремниевых 1…

3 мкА.

Если в фотодиодах использовать обратимый электрический пробой,

сопровождающийся лавинным умножением носителей заряда, как в

полупроводниковых стабилитронах, то фототок, а следовательно, и

чувствительность значительно возрастут. Чувствительность лавинных

фотодиодов может быть на несколько порядков больше, чем у обычных

фотодиодов (у германиевых – в 200 –300 раз, у кремниевых – в 10

– 10

раз).

Лавинные фотодиоды являются быстродействующими фотоэлектрическими

приборами, их частотный диапазон может достигать 10 ГГц. Недостатком

лавинных фотодиодов является более высокий уровень шумов по сравнению с

обычными фотодиодами.

Кроме фотодиодов, применяются фоторезисторы (рис 1.9),

фототранзисторы и фототиристоры, в которых используется внутренний

фотоэффект. Характерным недостатком их является высокая инерционность

(граничная рабочая частота f

гр

 10…16 кГц), что ограничивает их применение.

Ф=0

а)

б)

Рис. 1.8 Схема включения (а) и ВАХ (б)

фотодиода в

фотопреобразовательном режиме

Конструкция фототранзистора подобна обычному транзистору, у

которого в корпусе имеется окошко, через которое может освещаться база.

УГО фототранзистора – транзистор с двумя стрелками, направленными к нему.

Оптроны. Светодиоды и фотодиоды часто

используются в паре. При этом они помещаются в

один корпус таким образом, чтобы

светочувствительная площадка фотодиода

располагалась напротив излучающей площадки

светодиода. Полупроводниковые приборы,

использующие пары «светодиод – фотодиод»,

называются оптронами (рис. 1.10). Входные и

выходные цепи в таких приборах оказываются

электрически никак не связанными, поскольку передача сигнала

осуществляется через оптическое излучение.

Использование оптронов в электронно-вычислительных устройствах

является одним из основных методов повышения помехоустойчивости

аппаратуры.

В качестве приемников в оптронах применяются также фоторезисторы,

фототранзисторы и фототиристоры.

В настоящее время широко используются оптоэлектронные ИМС – одна

или несколько оптопар с дополнительными схемами согласования и усиления.

Оптроны успешно используются вместо импульсных трансформаторов,

реле, переключателей, переменных резисторов и др. компонентов, имеющих

механические перемещающиеся контакты и плохую совместимость с ПП и

микроэлектронными приборами.

1.2. Транзисторы

Транзистор –

полупроводниковый прибор с

мА

Ф U

>Ф

a) б) в) г)

Рис. 1.9. Схема включения (а), УГО (б), энергетическая (в) и

вольт-амперная (г) характеристики фоторезистора

Рис. 1.10. Оптрон;

1 – светодиод;

2 – фотодиод

Рис. 1.11 Биполярный

транзистор: а) p–n–p-

структуры без корпуса; б) n–

p–n-структуры

в корпусе

а) б)

одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для

усиления мощности и имеющий обычно три вывода. Транзисторы

делятся на биполярные и униполярные (полевые). Первый транзистор

был биполярным.

1.2.1. Биполярный транзистор

Термин «биполярный» связан с тем, что в этих транзисторах

используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для

изготовления транзисторов применяют те же ПП-материалы, что и

для диодов. В биполярных транзисторах с помощью трехслойной

полупроводниковой структуры из полупроводников различной

электропроводности создаются два p–n-перехода с чередующими

типами электропроводности (p–n–p или n–p–n). Транзисторы

конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.1.11,а) (для

применения, например, в составе ИМС) и заключенными в типовой

корпус (рис. 1.11,б). Три вывода биполярного транзистора

называются база, коллектор и эмиттер.

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы

подключения транзистора: с общей базой (ОБ), общим коллектором

(ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в

схеме ОБ, (рис.Y1.12).

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем

примере для ПП n-типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы

E2Y>>YE1. Резистор R

ограничивает ток открытого p–n-перехода.

При E1Y=Y0 ток через коллекторный

переход мал (обусловлен неосновными

носителями), его называют начальным

коллекторным током I

к0

. Если E1 > 0,

электроны преодолевают эмиттерный

p–n-переход (E1 включена в прямом

направлении) и попадают в область базы.

Базу выполняют с большим удельным

сопротивлением (малой концентрацией

примеси), поэтому концентрация дырок в

базе низкая. Следовательно, немногие

попавшие в базу электроны рекомбинируют

с ее дырками, образуя базовый ток I

. Одновременно в коллекторном p–n-

переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном

переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее

большинство электронов достигают коллектора.

Рис. 1.11 Биполярный

транзистор: а) p–n–p-

структуры без корпуса; б) n–

p–n-структуры

в корпусе

кбэ

–

Рис. 1.12. Схема работы

транзистора

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи

тока эмиттера











при U

кб

= const.

Всегда I

< I

, а



= 0,9…0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме I

= I

к0





. Следовательно, схема ОБ

обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют

редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению

напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является

схема ОЭ, (рис. 1.13).

Для нее по первому закону

Кирхгофа можно записать

= I

– I

= (1 – )I

– I

к0

Учитывая, что 1 –  = 0,001…0,1,

имеем I

<< I



Найдем отношение тока коллектора

к току базы:























1)1(

кэ

Это отношение называют

коэффициентом передачи тока базы. При



= 0,99 получаем



100. Если в цепь базы включить источник сигнала, то такой же

сигнал, но усиленный по току в



раз, будет протекать в цепи

коллектора, образуя на резисторе R

напряжение много большее, чем

напряжение источника сигнала.

Для оценки работы транзистора в широком диапазоне

импульсных и постоянных токов, мощностей и напряжений, а также

для расчета цепи смещения, стабилизации режима используются

семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ

Семейство

входных ВАХ

устанавливают

зависимость

входного тока (базы

или эмиттера) от

входного напряжения

бэ

при U

= const,

бэ

> 0

кэ

б3

б2

б1

а)

б)

Рис. 1.14 Вольт-амперные характеристики

транзистора: а – входные; б – выходные

Рис. 1.13. Включение

транзистора по схеме ОЭ

рис. 1.14,а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в

прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока

коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или

эмиттера (в зависимости от схемы ОЭ или ОБ), рис. 1.14, б.

Кроме электрического перехода n–p, в быстродействующих цепях

широко используется переход на основе контакта металл–полупроводник –

барьер Шоттки (Schottky). В таких переходах не затрачивается время на

накопление и рассасывание зарядов в базе, и быстродействие транзистора

зависит только от скорости перезарядки барьерной емкости.

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов

используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер

(для различных транзисторов U

кэ макс

= 10…2000 В);

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора P

к макс

–

по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3YВт), средней

мощности (0,3…1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5YВт); транзисторы

средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим

устройством – радиатором;

3) максимально допустимый ток коллектора I

к макс

– до 100 А и более;

4) граничная частота передачи тока f

гр

(частота, на которой h

становится равным единице); по ней транзисторы делят:

- на низкочастотные – до 3 МГц;

- среднечастотные – от 3 до 30 МГц;

- высокочастотные – от 30 до 300 МГц;

- сверхвысокочастотные – более 300 МГц.

1.2.2.Полевые (униполярные) транзисторы

Полевые транзисторы делятся на транзисторы с

управляющим p–n-переходом (рис. 1.15) и с изолированным

затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n

переходом оказалось проще биполярного.

транзисторе с

n-каналом

основными

носителями

заряда в канале

являются

электроны,

которые

движутся

вдоль канала

от истока с

низким

потенциалом к

стоку с более

высоким потенциалом, образуя ток стока I

. Между затвором и истоком

приложено обратное напряжение, запирающее p–n-переход, образованный n-

областью канала и p-областью затвора.

Таким образом, в полевом транзисторе с n-каналом полярности

приложенных напряжений следующие: U

CИ

>0, Uзи≤0. При подаче запи-

рающего напряжения на p-n-переход между затвором и каналом (см. рис. 1.16,а)

на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями

заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением.

Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала. При подаче

напряжения между истоком и стоком обедненный слой становится

неравномерным (рис.1.16,б), сечение канала возле стока уменьшается, и

проводимость канала тоже уменьшается.

ВАХ полевого транзистора приведены на рис.1.17. Здесь

зависимости тока стока IС от напряжения Uси при постоянном

p-область

зи

си

n-область

зи

си

а)

б)

Рис. 1.15. Структура (а) и схема (б) полевого транзистора с

затвором в виде p–n -перехода и каналом n-типа; 1,2 – области

канала и затвора; 3,4,5 – выводы истока, стока, затвора

n - область

зи

си

а)

б)

зи

Рис. 1.16. Ширина канала в полевом

транзисторе при Uси = 0 (а) и при Uси >0

(б)

обедненный слой

напряжении на затворе Uзи определяют выходные, или стоковые,

характеристики полевого транзистора ( рис. 1.17,а).

На начальном участке характеристик ток стока возрастает с

увеличением Uси.

При

повышении

напряжения сток–

исток до U

си

зап

–

зи

] происходит

перекрытие

канала и

дальнейший рост

тока Iс

прекращается

(участок

насыщения).

Отрицательное напряжение Uзи между затвором и истоком приводит

к меньшим значениям напряжения Uси и тока Iс, при которых

происходит перекрытие канала.

Дальнейшее увеличение напряжения U

си

приводит к пробою p–n-

перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя.

По выходным характеристикам может быть построена передаточная

характеристика I

=f(U

зи

) (рис. 1.17,б). На участке насыщения она

практически не зависит от напряжения U

си

. Из нее видно, что в

отсутствии входного напряжения (затвори–сток) канал обладает

определенной проводимостью и пропускает ток, называемый

начальным током стока I

. Чтобы практически «запереть» канал,

необходимо приложить к входу напряжение отсечки U

отс

. Входная

характеристика полевого транзистора – зависимость тока утечки

затвора I

от напряжения затвор – исток – обычно не используется, так

как при U

зи

<0 р–п-переход между затвором и каналом закрыт и ток

затвора очень мал (I

=10

-8

…10

-9

А),

поэтому во многих случаях им можно

пренебречь.

Как и в случае биполярных

транзисторов, полевые имеют три

схемы включения: с общим затвором,

стоком и истоком (рис. 1.18).

вх

Рис. 1.18. Схема включения с

общим истоком полевого

транзистора с управляющим

p–n-переходом

,мА

5 10 15 U

си

, В

зи

-1

-2

-3

-4

а)

зи

, В

-2

-4

б)

Рис. 1.17. Выходные (а) и передаточная (б)

вольт-амперные характеристики

полевого транзистора.

с,

мА

Передаточная ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n-

переходом представлена на рис. 1.17,б.

Основными преимуществами полевых транзисторов с

управляющим

p–n-переходом перед биполярными являются высокое входное

сопротивление, малые шумы, простота изготовления, низкое падение

напряжения на открытом полностью канале. Однако они обладают

таким недостатком, как необходимость работать в отрицательных

областях ВАХ, что усложняет схемотехнику.

Полевые транзисторы с изолированным затвором бывают

двух типов: с встроенным каналом (создается при изготовлении) и с

индуцированным каналом (канал возникает при работе транзистора).

Но их объединяет то, что металлический затвор изолируется от

канала тонким (доли мкм) слоем диэлектрика. Отсюда второе

название таких транзисторовY– МДП-транзисторы (структуры

металл-диэлектрикп–олупроводник). А так как диэлектрик часто

является оксидом кремния, то имеется третье названиеY– МОП-

транзисторы (металл–оксид–полупроводник).

Структура МДП-транзистора с индуцированным каналом n-

типа изображена на рис. 1.19,a. На подложке из полупроводника р-

типа около истока и стока формируются области n-типа с

повышенной концентрацией носителей заряда. На поверхности

подложки располагается металлический затвор, изолированный от

нее слоем диэлектрика. Между стоком и истоком приложено

положительное напряжение U

си

. Пока управляющее напряжение

между затвором и истоком U

зи

отсутствует, ток стока равен нулю, так

как цепь исток –подложка – сток представляет собой два

включенных навстречу друг другу p–n-перехода. Если на затвор

подать положительное напряжение, то под действием электрического

поля электроны подложки будут перемещаться в направлении к

затвору, а дырки – в глубь подложки. В поверхностном слое

подложки между истоком и стоком образуется тонкий слой с

повышенной концентрацией электронов. Кроме того, часть

электронов диффундирует из областей истока и стока. Поэтому

между истоком и стоком образуется (индуцируется)

си

зи

–

си

зи

–

а)

б)

канал по которому перемещаются носители заряда, и ток стока при

этом становится отличным от нуля. Очевидно, что с повышением

напряжения на затворе увеличивается электрическая проводимость

канала, и,

следовательно,

возрастает ток стока

(рис.1.19,в).

Применение

изолированного затвора

позволило резко

поднять входное

сопротивление. Если у

полевых транзисторов с

управляющим p–n-переходом оно со-

ставляет до 10

Ом, то у

МДП-транзисторов – до

Ом.

U'''

зи

> U''

зи

U''

зи

> U'

зи

си

а)

б)