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

Подождите немного. Документ загружается.

увеличение напряжения

u и уменьшение напряжения

2к

u . Одновре-

менно уменьшаются токи базы и коллектора транзистора Т

, уменьшается

напряжение

и увеличивается напряжение

1к

. Это вызывает увели-

чение напряжения

дифвых

. При некотором значении напряжения

дифвх

транзистор Т

войдет в режим насыщения, а транзистор Т

– в режим от-

сечки.

Если полярность напряжения

дифвх

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-

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.

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

контакты ющиеНевыпрямля

(

)

З Затвор

()

И Исток

()

С Сток

Канал

Область p-n-перехода

металл-полупроводник

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

≅ 0), а ток стока i

примерно равен току истока i

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

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-

ис

Рис. 7.17

Рис. 7.18

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

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

по причине увеличения перекрытия канала и его сопротивления.

Ток стока в области насыщения при u

зи

=0 и определенном напряжении

ис

называют начальным током стока I

с нач

. Дальнейшее увеличение на-

пряжения u

ис

вызывает пробой p-n-перехода и быстрый рост тока.

си

из

Рис. 7.19

пробоя

Область

область

Линейная

насыщенияОбласть

отсечкиОбласть

ис

зи

Рис. 7.20

При других значениях напряжения u

зи

можно отметить, что чем больше

заданное напряжение

зи

, тем тоньше канал до подачи напряжения u

ис

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

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

зи

больше напряжения отсечки (u

зи

> U

зи отс

), то ка-

нал не существует и ток между истоком и стоком равен нулю.

ooo

(

)

С Сток

(

)

З Затвор

()

И Исток

(

)

П Подложка

Канал

Изолятор

ЗЗ

в)

а)

б)

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

зи

, но и напряжение между

подложкой и истоком

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

зи

= 0 канал отсутствует и ток стока равен нулю.

Транзистор может работать только в режиме обогащения, которому

соответствуют отрицательное напряжение

зи

и напряжение u

из

> 0.

При выполнении неравенства

из

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).

а)

ooo

б)

в)

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

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

затвор Плавающий

Физические процессы в структуре тиристора удобно рассматривать,

представив ее в виде двух совмещенных транзисторных структур. Первая из

них,

-p

-n

, представляет собой транзистор n-p-n-типа, а вторая − p

-n

-p

–

транзистор

p-n-p-типа. Крайние области p

и n

называют эмиттерами, а

примыкающие к ним переходы – эмиттерными. Центральный переход

-p

называется коллекторным. Между эмиттерными и коллекторными перехо-

дами находятся базовые области

и n

Внешние выводы называют соот-

ветственно катодом (К), анодом (А) и управляющим электродом (У).

Рис. 7.24

Если напряжение питания меньше напряжения переключения U

пер

после подключения источника питания импульс управления на тиристор

не подавался, то тиристор будет находиться в закрытом состоянии. При

этом

-n

-переход и p

-n

-переход будут смещены в прямом направлении,

а)

б)

в)

а n

-p

-переход – в обратном направлении. Ток тиристора будет малым

(

≅ 0).

Если напряжение питания

пит

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

пит

= U

пер

и i

=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

-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

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.

пит

пер

уд