Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. Учебное пособие: Часть II
Подождите немного. Документ загружается.
61
увеличение напряжения
2
R
к
u и уменьшение напряжения
2к
u . Одновре-
менно уменьшаются токи базы и коллектора транзистора Т
1
, уменьшается
напряжение
1
R
к
u
и увеличивается напряжение
1к
u
. Это вызывает увели-
чение напряжения
дифвых
u
. При некотором значении напряжения
дифвх
u
транзистор Т
2
войдет в режим насыщения, а транзистор Т
1
– в режим от-
сечки.
Если полярность напряжения
дифвх
u
изменится на противоположную,
то транзисторы поменяются ролями.
БРАТТЕЙН Уолтер (р. 10.11.1902) – американский физик, член Национальной
АН (1959). Родился в Амое (Китай). Окончил колледж Витмана, штат Орегон (1924). В
1929-1967 работал в лабораториях Бэлл-Телефон.
Работы посвящены физике и технике полупроводников. Исследовал поверхностные
свойства полупроводников, полупроводниковые свойства окиси меди, оптические свой-
ства германиевых пленок, зависимость проводимости от действия облучения альфа-
частицами, механизм рекомбинации. Совместно с Дж. Бардиным открыл в 1948 транзи-
сторный эффект и построил первый полупроводниковый транзистор – кристалличе-
ский триод с точечным контактом. Усовершенствовал методику введения носителей в
полупроводники и измерений на переменном токе. В 1954–1955 с Ч. Гарретом изучал
свойства поверхности германия, помещая его в растворы электролитов, разработал ме-
тоды получения поверхностей р- и n-типа. За исследование полупроводников и откры-
тие транзисторного эффекта вместе с Дж. Бардиным и У. Шокли в 1956 был удостоен
Нобелевской премии.
ПИРСОН Джеральд (р. 31.III 1905) – американский физик, член Национальной
АН. Родился в Салеме. Окончил Станфордский университет (1929). В 1929-1960 рабо-
тал в лабораториях Бэлл-Телефон (в 1957-1960 – руководитель отдела прикладной фи-
зики твердого тела), в 1960-1971 – профессор Станфордского университета.
Работы посвящены физике твердого тела, физике полупроводников, твердотельной
электронике. Исследовал процессы в фотоэлементах, транзисторах, диодах, шумы в
электронных лампах и резисторах, контактную эрозию. В 1948 совместно с У. Шокли
обнаружил эффект поля, имевший важное значение для изобретения транзистора. Со-
вместно с Шокли и Дж. Хейнсом выполнил подробные исследования эффекта усиления
и контролируемой инжекции носителей заряда в полупроводниках, с Дж. Бардиным
изучил большое количество образцов кремния с различным содержанием фосфора и
серы, рассмотрел механизм рассеяния на донорах и акцепторах (1949). В 1954 сконст-
руировал первые солнечные батареи из последовательно соеди-
ненных кремниевых p-n-переходов.
ЗИНЕР Кларенс Мелвин (р. 1.XII 1905) – американский фи-
зик, член Национальной АН (1959). Р. в Индианаполисе. Окончил
Станфордский университет (1926), в 1929 получил степень док-
тора физики в Гарвардском ун-те. В 1930-1932 работал в Прин-
стонском университете, 1932-1934 – в Бристольском. 1935-1937 –
университете Дж. Вашингтона, 1937-1940 – Нью-Йоркс-ком го-
родском колледже, 1940-1942 – Вашингтонском. В 1945-1951 –
профессор Чикагского университета, в 1951-1956 – зам. дирек-
62
тора исследовательских лабораторий «Вестингауз электрикал корпорейшн», в 1956-
1962 – директор, в 1962-1965 – научный директор. С 1968 – профессор Технического
университета Карнеги в Питтсбурге.
Исследования в области физики твердого тела. Известен «эффектом Зинера» в физи-
ке полупроводников и «зинеровскими диодами» или диодами с лавинным пробоем.
ШОКЛИ Уильям Брэдфорд (р. 13.11.1910) – американский
физик, член Национальной АН (1951). Родился в Лондоне.
Окончил Калифорнийский технологический ин-т (1932). В
1936-1955 работал в лабораториях Бэлл-Телефон. В 1955-1958 –
директор лаборатории полупроводников «Бекман Инструментс
Инкорпорейшн», в 1958-1960 – президент «Шокли Транзистор
Корпорейшн», в 1960-1963 – директор «Шокли Транзистор»,
1963-1975 – профессор Станфордского университета.
Работы в области физики твердого тела и физики полупро-
водников (энергетические уровни в твердых телах, теория дис-
локации и границы зерен, эксперименты и теория ферромагнитных доменов, физика
транзисторов, теория вакуумных ламп). Открыл «эффект поля», имевший важное зна-
чение для изобретения транзистора (1948). Предложил механизм рекомбинации, осно-
ванный на предположении, что дефекты в кристалле служат своего рода катализатора-
ми для процесса рекомбинации. Экспериментально доказал участие неосновных носи-
телей в процессе переноса в твердых телах, наблюдал дрейф и диффузию дырок. Изо-
брел способ создания диффузионного базового электрода (диффузионный базовый
транзистор). Осуществил подробное исследование эффекта усиления и контролируемой
инжекции носителей тока в полупроводниках и положил начало большой серии работ
по изучению свойств германия и кремния. В 1949 совместно с Дж. Хейнсом осущест-
вил эксперимeнт, позволивший непосредственно определить подвижность и время
жизни неосновных носителей заряда в германии (опыт Хейнса-Шокли), с Г. Сулом от-
крыл влияние магнитного поля на концентрацию дырок и электронов. В 1949 предска-
зал возможность осуществления триода с р–n-переходом, вывел формулу для плотно-
сти полного тока в p–n-переходе (уравнение Шокли), исходя из своей теории p–n-
перехода, предложил p–n–p-транзистор. Предсказал (1951) эффект насыщения в полу-
проводниках, предложил метод определения эффективной массы.
Нобелевская премия (1956).
АЛФЁРОВ Жорес Иванович (р.15.03.1930) – русский
физик, академик (1979), лауреат Нобелевской премии. Родился
в Витебске. Окончил Ленинградский электротехнический ин-
ститут (1952). С 1952 работает в Физико-техническом институ-
те АН
СССР (с 1973 – зав. лабораторией) и с 1972 – также
профессор Ленинградского электротехнического института.
Работы
в области физики полупроводников, полупровод-
никовой и квантовой электроники, технической физики. При-
нимал участие в создании первых отечественных транзисторов,
фотодиодов, мощных германиевых выпрямителей. Открыл яв-
ление сверхинжекции в гетероструктурах и показал, что в по-
лупроводниковых гетероструктурах можно принципиально по-
новому управлять электронными и световыми потоками. Создал «идеальные» полупро-
водниковые гетероструктуры. Исследованиями Алфёрова фактически создано новое
направление – гетеропереходы в полупроводниках.
63
В 1972 за фундаментальные исследования гетеропереходов в полупроводниках и
создание новых приборов на их основе удостоен совместно с другими Ленинской пре-
мии. В 2001 ему присуждена Нобелевская премия.
7.3 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы являются активными полупроводниковыми при-
борами, в которых выходным током управляют с помощью электрического
поля. Полевые транзисторы называют также униполярными, так как элек-
трический ток через транзистор возникает за счет перемещения только ос-
новных носителей.
Полевые транзисторы бывают двух типов – с управляющим переходом
и с изолированным затвором.
Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом схематически по-
казан на рис. 7.15.
Рис. 7.15
На условном графическом обозначении (рис. 7.16) стрелка указывает
направление от слоя
p к слою n.
Удельное сопротивление затвора
(слоя n) намного меньше удельного со-
противления канала (слоя р), поэтому
обедненная подвижными носителями
область p-n-перехода, имеющая
большое удельное сопротивление, рас-
положена в основном в слое р.
В случае изменения в рассмотрен-
ном транзисторе типов проводимости слоев полупроводника на противо-
положные получится полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и
каналом n-типа (рис. 7.16 ,б).
Рис. 9.16
а
б
p
n
o
o
o
контакты ющиеНевыпрямля
(
)
З Затвор
()
И Исток
()
С Сток
Канал
з
i
и
i
с
i
Область p-n-перехода
металл-полупроводник
64
Если подать положительное напряжение между затвором и истоком
транзистора с каналом р-типа, то оно сместит p-n-переход в обратном на-
правлении. С увеличением обратного напряжения на p-n-переходе он рас-
ширяется за счет канала из-за различия удельных сопротивлений слоев. С
увеличением ширины p-n-перехода уменьшается толщина канала, в силу
чего его сопротивление увеличивается, а ток между истоком и стоком
уменьшается. Это явление позволяет управлять током приложенным на-
пряжением и соответствующим ему электрическим полем. Если напряже-
ние u
зи
увеличивать до уровня напряжения отсечки U
зи отс
, то канал пол-
ностью перекроется областью p-n-перехода.
В нормальном режиме p-n-переход должен находиться под обратным
или нулевым напряжением. При этом в рабочем режиме ток затвора при-
мерно равен нулю (i
з
≅ 0), а ток стока i
c
примерно равен току истока i
и
.
На ширину p-n-
перехода и толщину
канала прямое влия-
ние может оказывать
напряжение между
истоком и стоком u
ис
.
Если включить
закоротку между ис-
током и затвором и
подать положитель-
ное напряжение u
ис
,
то u
из
=0 (рис. 7.17).
Положительное на-
пряжение u
ис
через
закоротку окажется поданным на промежуток затвор-сток. Тогда u
зс
= u
ис
и
p-n-переход будет находиться под обратным напряжением.
Обратное напряжение в различных областях p-n-перехода имеет раз-
личное значение. Вблизи истока это напряжение близко к нулю, а в облас-
тях, примыкающих к стоку, напряжение равно значению u
ис
. В результате
p-n-переход шире в тех областях, которые примыкают непосредственно к
стоку. Считают, что напряжение в канале от истока к стоку нарастает ли-
нейно.
При u
ис
= U
зи отс
канал вблизи стока полностью перекрывается. Если и
далее увеличивать напряжение u
ис
, то зона
перекрытия канала будет расширяться (рис.
7.18)
Для полевого транзистора, как и для би-
полярного, выделяют три схемы включения –
это схемы с общим затвором (ОЗ), общим ис-
p
n
o
o
o
И
З
С
ис
u
Рис. 7.17
p
n
Рис. 7.18
65
током (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используются схемы с
общим истоком (рис. 7.19).
Выходной характеристикой
называют зависимость вида
)uf(i
исc
=
при const,u
зи
=
где f – некоторая функция.
Общий вид выходных характе-
ристик показан на рис. 7.20.
Рассмотрим характеристи-
ку, соответствующую условию
u
зи
= 0. В линейной области ха-
рактеристика почти линейна.
Крутизна характеристики оп-
ределяется сопротивлением
канала. Транзистор, работающий в этой области, является линейным
управляемым сопротивлением.
При дальнейшем увеличении напряжения u
ис
канал в области стока пе-
рекрывается. Увеличение напряжения приводит к незначительному росту
тока i
c
по причине увеличения перекрытия канала и его сопротивления.
Ток стока в области насыщения при u
зи
=0 и определенном напряжении
u
ис
называют начальным током стока I
с нач
. Дальнейшее увеличение на-
пряжения u
ис
вызывает пробой p-n-перехода и быстрый рост тока.
И
З
С
си
u
из
u
и
i
c
i
з
i
Рис. 7.19
пробоя
Область
область
Линейная
насыщенияОбласть
отсечкиОбласть
ис
u
0
c
i
0=
зи
u
Рис. 7.20
66
При других значениях напряжения u
зи
можно отметить, что чем больше
заданное напряжение
u
зи
, тем тоньше канал до подачи напряжения u
ис
и
тем ниже располагается характеристика.
Полевые транзисторы с изолированным затвором характеризуются тем,
что затвор отделен от полупроводника слоем диэлектрика, например
двуокисью кремния. Эти транзисторы обозначают как МОП (металл-
окисел-полупроводник) и МДП (металл-диэлектрик-полупроводник).
МДП-транзисторы делятся на два типа. В транзисторах со встроенным
(собственным) каналом (транзистор обедненного типа) и до подачи
напряжения на затвор имеется канал, соединяющий исток и сток. В
транзисторах с индуцированным каналом (транзистор обогащенного типа)
указанный выше канал отсутствует.
МДП-транзистор со встроенным каналом (рис. 7.21,
а) может иметь ка-
нал как с проводимостью
р-типа, так и с проводимостью n-типа (условные
графические обозначения приведены на рис. 7.21,
б, в).
Рис. 7.21
Транзистор с каналом
р-типа (рис.7.21, а) может работать в режимах
обеднения и обогащения.
Режиму обеднения соответствует положительное напряжение
u
зи
. При
увеличении этого напряжения концентрация дырок в канале уменьшается
(так как потенциал затвора больше потенциала истока), что приводит к
уменьшению тока стока.
Если напряжение
u
зи
больше напряжения отсечки (u
зи
> U
зи отс
), то ка-
нал не существует и ток между истоком и стоком равен нулю.
ooo
n
p
p
o
(
)
С Сток
(
)
З Затвор
()
И Исток
С
(
)
П Подложка
Канал
Изолятор
П
П
И
ЗЗ
в)
И
С
а)
б)
67
Режиму обогащения соответствует отрицательное напряжение u
зи
. При
повышении этого напряжения проводимость канала увеличивается и
возрастает ток стока.
На ток стока влияет не только напряжение
u
зи
, но и напряжение между
подложкой и истоком
u
пи
. Но управление по затвору всегда предпочти-
тельнее, так как входные токи намного меньше.
Подложка образует с истоком, стоком и каналом
p-n-переход. Напря-
жение на этом переходе не должно смещать его в прямом направлении. На
практике подложку подключают к истоку или к точке схемы, имеющей по-
тенциал, больший потенциала истока.
МДП-транзистор с индуцированным (наведенным) каналом
p-типа по-
казан на рис. 7.22,
а. Транзисторы могут иметь также канал n-типа. Услов-
ные графические обозначения транзисторов различного типа показаны на
рис. 7.22,
б, в.
Рис. 7.22
При напряжении
u
зи
= 0 канал отсутствует и ток стока равен нулю.
Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому
соответствуют отрицательное напряжение
u
зи
и напряжение u
из
> 0.
При выполнении неравенства
u
из
>
U
из порог
, где U
из порог
– пороговое
напряжение, между истоком и стоком возникает проводящий канал
р-
типа. Канал
р-типа образуется из-за увеличения концентрация дырок под
затвором и уменьшения концентрации электронов, в силу чего концентра-
ция дырок оказывается больше концентрации электронов. Изменение типа
проводимости называют инверсией типа проводимости, а слой полупро-
водника (канал), в котором это явление имеет место, называют инверсным.
Непосредственно под инверсным слоем располагается слой, обедненный
подвижными носителями заряда. Инверсный слой значительно тоньше
обедненного (в 10 и более раз).
С
П
З
И
а)
ooo
n
p
p
o
б)
в)
68
На основе принципа полевого транзистора может быть выполнена
ячейка памяти для одного бита информации. На рис. 7.23 показана струк-
тура полевого транзистора с изолированным затвором (флэш-память).
Устройства флэш-памяти применяются как быстродействующие про-
граммируемые постоянные запоминающие устройства с электрической
записью и стиранием информации. Это энергонезависимые устройства,
так как информация сохраняется при отключении питания. Ячейка памяти
обеспечивает не менее 100 000 циклов записи-стирания.
Слои полупроводника n
+
характеризуются повышенной концентрацией
атомов-доноров. Изоляция затворов на рис. 7.23 не показана. Структура
ячейки подобна структуре МДП-транзистора с индуцированным каналом
n-типа.
Рис. 7.23
Плавающий затвор гальванически не связан с электродами прибора, и
его потенциал определяется величиной заряда на нем.
В процессе записи информации в ячейку памяти электроны из истока
туннелируют через тонкий изолирующий слой окисла кремния и накапли-
ваются на плавающем затворе. Отрицательный заряд электронов на пла-
вающем затворе увеличивает пороговое напряжение
U
зи порог
. Поэтому при
последующем обращении к транзистору такой ячейки он будет восприни-
маться как выключенный.
В процессе стирания информации электроны переходят за счет тунне-
лирования с плавающего затвора в область истока. Транзистор без заряда
на плавающем затворе находится во включенном состоянии.
7.4 ТИРИСТОРЫ
Тиристором называют полупроводниковый прибор ключевого дейст-
вия, основу которого составляет четырехслойная структура (рис. 7.24,
а),
способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
затвор йУправляющи
П
И
З
С
p
+n
o
+
n
o
o
o
затвор Плавающий
69
Физические процессы в структуре тиристора удобно рассматривать,
представив ее в виде двух совмещенных транзисторных структур. Первая из
них,
n
1
-p
2
-n
2
, представляет собой транзистор n-p-n-типа, а вторая − p
1
-n
1
-p
2
–
транзистор
p-n-p-типа. Крайние области p
1
и n
2
называют эмиттерами, а
примыкающие к ним переходы – эмиттерными. Центральный переход
n
1
-p
2
называется коллекторным. Между эмиттерными и коллекторными перехо-
дами находятся базовые области
p
1
и n
2.
Внешние выводы называют соот-
ветственно катодом (К), анодом (А) и управляющим электродом (У).
Рис. 7.24
Если напряжение питания меньше напряжения переключения U
пер
и
после подключения источника питания импульс управления на тиристор
не подавался, то тиристор будет находиться в закрытом состоянии. При
этом
р
1
-n
1
-переход и p
2
-n
2
-переход будут смещены в прямом направлении,
n
1
p
2
n
2
p
1
n
1
p
2
i
a
i
y
А
У
К
а)
б)
У
в)
70
а n
1
-p
2
-переход – в обратном направлении. Ток тиристора будет малым
(
i
a
≅ 0).
Если напряжение питания
u
пит
>U
пер
или после подключения источника
питания был подан импульс управления необходимой величины, то тири-
стор откроется, так как все три перехода будут смещены в прямом направ-
лении.
Для объяснения принципа работы тиристора обратимся к условному
изображению структуры тиристора (рис. 7.24,
б). Включение тиристора
произойдет и при напряжении между анодом и катодом
u
пит
= U
пер
и i
у
=0,
однако такой способ включения не рекомендуется. Как следует из рис.
7.24,
б, в тиристорной структуре имеется положительная обратная связь,
благодаря которой при смещении в прямом направлении управляющего
n
1
-
p
2
-перехода (за счет подачи импульса тока управления) возникает не-
управляемое лавинообразное увеличение анодного тока.
Выключение тиристора происходит тогда, когда ток анода по каким-
либо причинам станет меньше удерживающего (
i
а
< I
уд
).
Рис. 7.25
Вольтамперная характеристика тиристора показана на рис. 7.25. При
обратной полярности напряжения источника питания тиристор по своим
свойствам не отличается от обычного диода (участок 3). В открытом со-
стоянии тиристор аналогичен открытому диоду (участок 1). Закрытому со-
стоянию соответствует участок 2.
i
a
U
пит
U
пер
I
уд
1
2
3