Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II

Подождите немного. Документ загружается.

ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положитель-

ным зарядом дырок.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создает-

ся не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положи-

тельный заряд ионов донора. В результате этого на границе создается

двойной слой пространственного заряда (рис. 7.4), обедненный основными

носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле E

препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной об-

ласти в другую.

Рис. 7.4

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном

уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электро-

нов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер,

обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Од-

новременно с этим под действием контактного поля неосновные носители

заряда р- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток прово-

димости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Если к p-n-переходу подключить внешний источник тока, то напряже-

ние указанной на рис. 7.5 обратной полярности приведет к появлению

внешнего поля Е, совпадающего по направлению с контактным полем E

В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных

носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный

ток за счет неосновных носителей (обратный ток).

Рис. 7.5

0→

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего

поля противоположно направлению контактного поля (рис. 7.6). Ширина

двойного слоя уменьшится, и в цепи возникает большой прямой ток. Та-

ким образом, p-n-переход обладает ярко выраженной односторонней про-

водимостью. Это отражает его вольтамперная характеристика (рис. 7.7).

Рис. 9.6

Когда к p-n-переходу приложено прямое напряжение, то ток быстро

возрастает с ростом напряжения. Когда же к p-n-переходу приложено об-

ратное напряжение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не из-

меняется до некоторого предельного значения обратного напряжения

обр

, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя,

при котором наступает пробой p-n-

перехода и он разрушается. Заме-

тим, что на рис. 7.7 масштаб об-

ратного тока в тысячу раз меньше

масштаба прямого тока.

На основе p-n-перехода вы-

полняют полупроводниковые

диоды (рис. 7.8, а).

Одна из областей p-n-пере-

хода, называемая эмиттером, име-

ет большую концентрацию ос-

новных носителей заряда, чем

другая область, называемая базой.

Вольтамперная характеристи-

ка диодов по форме близка к

вольтамперной характеристике

p-n перехода. По отношению к небольшому переменному напряжению ди-

од ведет себя, как электрическая цепь, показанная на рис. 7.8, б (эквива-

лентная схема диода). Параметры R

и Cg – дифференциальные сопротив-

ление и емкость, R – объемное сопротивление p- и n-областей.

−

≠

mA,

пр

Рис. 7.7

В зависимости от назначения различают выпрямительные, детектор-

ные, смесительные, модуляторные и импульсные диоды, стабилитроны,

варикапы и туннельные диоды.

Рис. 7.8

Распространены выпрямительные германиевые и кремниевые плоско-

стные диоды, в которых в пластинку n-германия вплавлен индий, а в пла-

стинку n-кремния – алюминий. Кремниевые диоды характеризуются

меньшим обратным током.

ИОФФЕ Абрам Федорович (29.10.1880-14.10.1960) – совет-

ский физик, академик (1920, чл.-кор. 1918), вице-президент (1926-

1929, 1942-1945). Родился в г. Ромны. Окончил Петербургский тех-

нологический институт (1902). В 1903-1906 – практикант, асси-

стент в лаборатории В. Рентгена в Мюнхенском университете. В

1906 начал работать в Петербургском политехническом ин-те. В

1913-1948 – профессор и в 1919-1948 декан (с перерывами) физико-

механического факультета института. В 1918 по инициативе Иоффе

создается физико-технический отдел в Рентгенологическом и ра-

диологическом институте (реорганизованный в 1923 в Ленинград-

эмиттер

база

p-n-переход

Rg, Cg

а)

б)

в)

ский физико-технический институт), а в 1919 – физико-механический факультет в Поли-

техническом институте. На базе этих центров физической науки в СССР в последующие

годы была создана разветвленная сеть научно-исследовательских институтов физическо-

го профиля (физико-технические институты в Харькове, Днепропетровске, Свердловске,

Томске, Институт химической физики, Электрофизический институт и др.). До 1951 был

директором Ленинградского физико-технического института АН СССР, в 1952-1955 –

Лаборатории полупроводников АН СССР, с 1955 – Института полупроводников

АН СССР (в 1932-1960 – также директор Агрофизического института).

Научные работы посвящены физике твердого тела и общим вопросам физики. Осо-

бенно значительный вклад им был сделан в физику и технику полупроводников. Уже в

докторской диссертации (1905) проявил мастерство экспериментатора и решил важный

в то время вопрос упругого последействия в кристаллах. В 1913 выполнил цикл работ

по измерению заряда электрона при внешнем фотоэффекте и доказал статистический

характер элементарного фотоэффекта. Экспериментально доказал (1916) существова-

ние ионной проводимости в кристаллах – прохождение ионов сквозь решетку ионного

кристалла под действием поля.

В начале 1930-х годов научные интересы Иоффе сосредоточились в области физи-

ки полупроводников, где он с сотрудниками открыл ряд явлений, важных для техниче-

ского применения. Исследовав ряд полупроводников, он обнаружил, что на их электри-

ческие свойства сильно влияют примеси, в частности было выяснено, что последние в

широком диапазоне меняют проводимость и знак носителей тока. Сформулировал но-

вую идею о природе полупроводниковых свойств большой группы интерметалличе-

ских сплавов – дальтонидов – и подробно изучил их. Благодаря этому был открыт путь

к созданию полупроводниковых материалов, свойства которых можно изменять в ши-

роких пределах.

Важной проблемой физики полупроводников, которой также занимался Иоффе,

была проблема выпрямления. В конце 1930-х годов он сформулировал представление о

механизме выпрямления, которое в общих чертах и сегодня является общепринятым и

в значительной мере способствовало успехам промышленного изготовления диодов.

Большой вклад внес Иоффе также в проблему применения термо- и фотоэлектрических

свойств полупроводников для преобразования тепловой и световой энергии в электри-

ческую. Разработал теорию термоэлектрогенераторов и термоэлектрических холодиль-

ников, выдвинул идею плазменного термоэлектричества. Еще накануне войны создал

сернистоталлиевый фотоэлемент с к.п.д. более 1 %.

ПОЛЬ Роберт Вихард (10.08.1884 – 5.06.1976) – немецкий

физик-экспериментатор, член Гёттингенской АН. Родился в Гам-

бурге. Окончил Берлинский университет (1906). В 1906-1916 ра-

ботал в Физическом институте Берлинского университета, в 1916-

1952 – в Гёттингенском университете (с 1919 – профессор и ди-

ректор Физического института).

Работы посвящены физике твердого тела, одним из создателей

которой он является, физике полупроводников, изучению фото-

электрических явлений, рентгеновских лучей. Определил (1908)

длину волны рентгеновского излучения, получив значение 10

-10

см.

В 20-х годах начал систематическое исследование фоточувстви-

тельных свойств ряда полупроводниковых соединений и некоторых изоляционных

кристаллов и получил первые систематические данные о фотопроводимости полупро-

водников, обнаружил ряд закономерностей внутреннего фотоэффекта, открыл селек-

тивный фотоэффект. В частности, изучал оптические и электрические свойства, фото-

проводимость монокристаллов галогенидов щелочных металлов, которые в то же время

служили модельными материалами для исследования процессов проводимости в дру-

гих кристаллах. В 1938 показал возможность управления электронными токами в кри-

сталле, дав, по сути, описание принципиального устройства полупроводникового трио-

да. Ввел понятие F-центра.

Автор широко известного трехтомника «Введение в физику», переведенного на

многие языки и выдержавшего много изданий: «Механика, акустика, учение о теплоте»

(17 изд.), «Электричество» (20 изд.), «Оптика и атомная физика» (12 изд.). Организовал

так называемые «Чтения Поля» по экспериментальной физике, пользовавшиеся боль-

шой популярностью. Создал школу физиков.

ШОТТКИ Вальтер (23.VII 1886-4.III 1976) – немецкий

физик. Родился в Цюрихе. Учился в Берлинском университете,

где в 1912 получил степень доктора философии. В 1920-1923 –

лектор Вюрцбургского университета, 1923-1927 – профессор

Ростокского. В 1916-1919 и с 1927 работал в лабораториях «Си-

менс и Гальске».

Исследования относятся к физике твердого тела, статистике,

электронике, физике полупроводников, термодинамике. В 1915

изобрел электронную лампу с экранной сеткой. Открыл явление

возрастания электронного тока насыщения под действием внеш-

него ускоряющего электрического поля (эффект Шоттки) и раз-

работал (1914) его теорию. Предложил (1918) супергетеродинный принцип усиления. В

1930 рассмотрел пустые узлы кристаллической решетки, нескомпенсированные атомом

в междоузлии (дефекты по Шоттки), в 1939 исследовал потенциальный барьер, обра-

зующийся в приконтактном слое полупроводник-металл (барьер Шоттки) и построил

теорию полупроводниковых диодов с таким барьером (диоды Шоттки, или диоды с

барьером Шоттки). Предложил механизм проводимости в полупроводниках. Внес зна-

чительный вклад в изучение процессов в электронных лампах и полупроводниках.

Создал школу физиков. Немецким физическим обществом учреждена премия име-

ни В. Шоттки за работы в области физики твердого тела.

ВАГНЕР Карл Вильгельм (25.V 1901-10.XII 1977) – немец-

кий физик и физико-химик, член Гёттингенской АН. Родился в

Лейпциге. Окончил Лейпцигский университет (1924). В 1924-1927

работал в Мюнхенском университете, в 1927-1928 – в Берлинском,

1928-1933 – в Йенском, 1933-34 – в Гамбургском, 1934-1947 – в

Высшей технической школе в Дармштадте (с 1940 – профессор), в

1947-1958 – в Массачусетсском технологическом институте

(США). В 1958-1966 – директор Института физической химии М.

Планка в Гёттингене.

Основные работы в области физики полупроводников, физики

твердого тела, металлургии, физической химии. Исследовал де-

фекты кристаллической решетки в ионных кристаллах и полупроводниках, их роль в

гетерогенном катализе и реакциях в твердом теле. В 1930 обнаружил существование

двух типов полупроводников – электронных и дырочных. С В. Шоттки разработал

(1930) теорию электролитического переноса. Наряду с В. Шоттки является создателем

физики полупроводников в Германии. Иностранной член Национальной АН США

(1967).

7.2 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Биполярный транзистор является полупроводниковым прибором с

двумя p-n-переходами, содержит три слоя полупроводника (n-p-n или p-n-

p) и три вывода. В работе транзистора участвуют носители заряда обоих

знаков. Управление протекающим через транзистор током осуществляется

с помощью управляющего тока. Выводы транзистора через невыпрям-

ляющий контакт металл-полупроводник соединены с полупроводниковы-

ми слоями (см. рис. 7.9, соответствующий транзистору n-p-n-типа).

На рис. 7.10, а представлена упрощенная структура транзистора p-n-p-

типа, а на рис. 7.10, б приведены условные графические обозначения тран-

зисторов n-p-n- и p-n-p-типа.

Транзистор называют биполярным из-за участия в процессе протекания

тока носителей зарядов двух типов – электронов и дырок, которые в раз-

личных типах транзисторов проявляют себя по разному. В биполярных

транзисторах площадь коллекторного перехода значительно больше пло-

щади эмиттерного перехода. Такая асимметрия улучшает свойства транзи-

стора.

Транзисторы типа n-p-n имеют высокие динамические свойства, так

как основную роль в процессах, протекающих в транзисторе, играют бо-

лее подвижные электроны.

Основными составляющими транзистора являются два соединенных

p-n-перехода, которые сильно взаимодействуют между собой (ток одного

перехода влияет на ток другого перехода и наоборот). Взаимодействие

обусловлено очень малым расстоянием между переходами транзистора (от

единиц до десятков микрометров), называемым толщиной базы.

металл

перехода

оэмиттерно

Область

перехода

огоколлекторнОбласть

()

Эмиттер

()

Коллектор

n n p

()

Баз

ник

полупровод

контактыющиеНевыпрямля

Рис. 7.9

В транзисторе n-p-n-типа концентрация атомов примеси, а следова-

тельно, и свободных электронов в эмиттере, сравнительно велика, что яв-

ляется причиной низкого сопротивления слоя. Концентрация атомов при-

меси (и дырок) в базе невелика, поэтому этот слой имеет высокое сопро-

тивление. Концентрация атомов примеси и соответственно свободных

электронов в коллекторе может быть различной (как больше концентрации

атомов примеси в базе, так и меньше ее).

При смещении эмиттерного перехода в прямом, а коллекторного – в

обратном направлении (рис. 7.11) через эмиттерный переход будет прохо-

дить ток i

, обусловленный инжекцией электронов из эмиттера в базу. Из-

за различия в концентрациях атомов примесей инжекция дырок из базы в

эмиттер будет ничтожно малой.

а) б)

Рис. 7.10

При незначительной толщине базы почти все электроны проходят ее и

достигают коллектора через некоторое время, называемое временем про-

лета. Только малая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками.

Компенсация рекомбинированных дырок осуществляется за счет протека-

ния тока базы i

Следовательно, i

Смещение коллекторного перехода в обратном направлении способст-

вует захвату электронов электрическим полем перехода и переносу их в

коллектор. Это же поле противодействует переходу электронов из кол-

лектора в базу.

Рис. 7.11

p p n

бэ

n n p

⊕

кб

−

Ток коллектора i

может быть определен по выражению

(7.1)

где

ст

– статический коэффициент передачи эмиттерного тока;

к0

– обратный ток коллектора.

Сущность обратного тока коллектора соответствует сущности обратно-

го тока диода. Он протекает и при отсутствии тока эмиттера.

Транзисторы бывают диффузионными (бездрейфовыми ) и дрейфовы-

ми. Диффузионные транзисторы имеют равномерную концентрацию ато-

мов примесей в базе, поэтому ионы атомов примесей не создают в базе до-

полнительное электрическое поле, движение носителей электричества че-

рез базу. Поэтому движение этих носителей проходит преимущественно в

форме диффузии. В дрейфовых транзисторах концентрация примесей раз-

лична в разных областях базы. Это является причиной появления допол-

нительного электрического поля, которое существенно влияет на переме-

щение носителей через базу, являясь причиной их дрейфа. Дрейф ускоряет

движение носителей через базу, поэтому дрейфовые транзисторы являются

быстродействующими.

Транзистор имеет выходные характеристики, соответствующими схе-

ме с общим эмиттером (рис. 7.12). Выходной характеристикой называют

зависимость тока i

от напряжения u

кэ

при заданном токе i

Выходные характеристики для схемы с общим эмиттером изображены

на рис. 7.13.

Рис. 7.12

В соответствии с первым правилом Кирхгофа

(7.2)

,Iii

к0эстк

бэ

кэ

бкэ

iii

и с учетом выражения (7.1) получим

(7.3)

откуда определим

(7.4)

Рис. 7.13

Обозначим

(7.5)

Тогда

(7.6)

где

Из множества устройств аналоговой электроники рассмотрим диффе-

ренциальный усилитель на биполярных транзисторах

n-p-n-типа (рис.

7.14). Дифференциальные усилители выполняются также и на полевых

транзисторах.

ст

≡

,Iii

к0

бстк

′

.I)(I

к0стк0

′

≡

′

кэ

макск

2б

1б

насыщения Область

работыактивной Область отсечки Область

,I)i(ii

к0бкстк

-α

к0

ст

При анализе работы такого усилителя используют понятия дифферен-

циального входного напряжения

12 вхвхдифвх

uuu

−

. Выходным диффе-

ренциальным напряжением называют напряжение

.uuu

дифвых 2

−=

Дифференциальный усилитель состоит их двух одинаковых половин,

составляющих одно целое. В усилителе при однополярном напряжении ис-

точника питания

выходное напряжение может иметь любую поляр-

ность в зависимости от абсолютных значений напряжений

1к

u и

2к

u .

Рис. 7.14

При неизменном токе

i в общей эмиттерной цепи, симметричной схе-

ме и

дифвх

u коллекторные токи равны 2

021

/iii

кк

≈

, а .u

дифвых

В интегральном операционном усилителе, имеющем в качестве входного

каскада дифференциальный усилитель, симметрия достигается за счет

близко расположенных друг от друга транзисторов Т

и Т

При воздействии на вход усилителя положительного сигнала

дифвх

увеличиваются ток базы и ток коллектора транзистора Т

, что вызывает

1к

2к

2вх

1вх

дифвх

дифвых

1к

2к

1к

2к

2кR

1кR