Материал: Електронно-дірковий перехід

Тунельний діод це напівпровідниковий діод, на прямій гілці ВАХ якого є ділянка з негативним диференціальним опором. ВАХ приладу та умовне позначення наведено на рис.2.6.

Рис. 2.6. ВАХ тунельного діода та умовне позначення

Наявність ділянки А В на рисунку пояснюється тим, що при дуже малих товщина запірного слою ( 10 нм і менше) спостерігається тунельний перехід зарядів із валентної зони в зону провідності.

Основними параметрами тунельного діода є:

струм піка Іп , що складає від десятих долей до сотен mA ;

струм впадини Ів;

відношення струму піка до струму впадини Іп / Ів = ( 5…20);

напруга пика Uп, від 50 до 150 mВ;

напруга впадини Uв, від 250 до 500 mВ;

напруга раствора Uр;

ємність тунельного діода С0.

Тунельні діоди, як швидкодіючі напівпровідникові прилади, застосовуються в генераторах високочастотних коливань та швидкодіючих імпульсних перемикачах.Схема генератора на тунельному діоді наведена на рис.2.7.

Обернені діоди являють собою різновид тунельних і характеризуються тим, що замість ділянки з негативним диференціальним опором У них на вольт-амперній характеристиці є практично горизонтальна Ділянка (рис. 1.13, б). У цих діодах пряму вітку характеристики можна вважати зворотною. Обернений діод має значно меншу пряму напругу, ніж звичайні діоди, і може бути застосований для випрямлення прямих напруг. Значення зворотних напруг також малі.

Умовні позначення тунельного та оберненого діодів показані відповідно на рис. 1.13, б, г.

Варикап це напівпровідниковий діод, дія якого засновується на використанні залежності бар'єрної ємності p-n-переходу від значення прикладеної зворотної напруги. Це дозволяє застосовувати варикап як елемент з електрично керованою ємністю. Основною характеристикою варикапа є вольт-фарадна характеристика СВ= f ( Uзв

Керуюча напруга на варикап подається через високоомний резистор R. Це вилучає шунтування ємності варикапа малим внутрішнім опором джерела керуючої напруги. Змінюючи значення UK, змінюють зворотну напругу на варі капі і відповідно його ємність. Паралельно варикапу вмикається коливальний LС-контур, настроювання якого регулюють за допомогою варикапа. Роздільний конденсатор Ср вмикають для того, щоб не було шунтування варикапа малим опором індуктивності для постійної напруги.

Основними параметрами варикапа є:

ємність варикапа СВ, яка замірюється між виводами варикапа при заданій зворотній напрузі;

коефіцієнт перекриття по ємності Кс, який дорівнює відношенню ємності варикапа при двох заданих значеннях зворотної напруги (Кс= 2…20).

температурний коефіцієнт ємності .

Завдяки можливості змінювати ємність за допомогою напруги варикапи використовуються для автоматичного або ручного настроювання високочастотних коливальних контурів та керування частотою генераторів гармонічних коливань.

Слід виділити особливу різновидність варикапів, які спеціально призначені для параметричного підсилення коливань і перетворювання несучої частоти. ЦІ прилади називають варакторами або параметричними діодами.

Для роботи в високочастотних та імпульсних пристроях призначені відповідно високочастотні та імпульсні діоди, що мають малу ємність ( <1пФ) та мінімальну тривалість перехідних процессів при вмиканні та вимиканні. Параметри високочастотних діодів таки самі як у випрямних, але їх застосовують при меншому електричному навантаженні. У швидкодіючих імпульсних колах широко застосовуються діоди Шотки.

Діоди Шотки побудовані на основі структури метал напівпровідник. Як напівпровідник в них частіше використовується кремній ( або арсенід галію ), як метал молібден, алюміній, яки наносяться методом вакуумного випаровування. Такий електричній перехід відрізняється меншим прямим спадом напруги через меншу висоту потенційного бар'єра для основних носіїв, а пряма гілка ВАХ ближче до реальной. Високочастотні діоди Шотки мають площу переходу за меншу 20-30 мкм2, ємність не більшу 1 пФ і дуже малий опір бази. Відсутність інжекції неосновних носіїв заряду, а значить і накопичування їх в базі, суттєво підвищує їх швидкодії. Тому тривалість перемикання у них долі наносекунди, а гранична частота десятки гігагерц. Це надає перевагу діодам Шотки при використанні у колах з високою частотою. Потужні діоди Шотки мають велику площу переходу, струми в них досягають десятків ампер, зворотні напруги 500 В. Завдяки меншій напрузі ( 0,3 В замість 0,7 В ) потужні металонапівпровідникові діоди забезпечують більш високий ККД випрямлячів.

Маркування напівпровідникових діодів передбачає шість символів.

Перший символ -- літера (для приладів загального застосування) або цифра (для приладів спеціального призначення), що вказує вихідний напівпровідниковий матеріал, з якого виготовлений діод: Г (1) -- германій, К (2) -- кремній; А (3) -- арсенід галію.

Другий символ -- літера, яка позначає підклас діода: Д -- випрямні, високочастотні (універсальні) і імпульсні діоди; В -- варикапи; С -- стабілітрони і стабістори; Л -- світлодіоди.

Третій символ -- цифра, що вказує призначення діода (у стабілітрона -- потужність розсіяння): наприклад, 1,2 -- випрямні, 3 -- магнітодіоди, 4 -- універсальні і т. п.

Четвертий і п'ятий символи -- двозначне число, що вказує порядковий номер розробки (у стабілітронів -- номінальна напруга стабілізації).

Шостий символ -- літера, що означає параметричну групу приладу (у стабілітронів -- послідовність розробки).

Приклади маркування діодів:

ГД412А -- германієвий (Г), діод (Д), універсальний (4), номер розробки 12, група А; КС196В -- кремнієвий (К), стабілітрон (С), потужність розсіяння не більше 0,3 Вт (1), номінальна напруга стабілізації 9,6 В (96), третя розробка (В).

Для напівпровідникових діодів з малими розмірами корпусу використовується кольорове маркування у вигляді міток, що наносять на корпус приладу.

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

Конструкція, схеми вмикання та режими роботи биполярних транзисторів

Биполярними транзисторами ( БТ ) називають напівпровідникові прилади з двома взаємодіючими p-n-переходами, трьома ( або чотирьома ) виводами і здатний посилювати потужність електричного сигналу.

У біполярному транзисторі використовуються водночас два типи носіїв заряду -- електрони і дірки (звідси і назва -- біполярний).

Конструктивно БТ являють собою пластину германію, або кремнію, або іншого напівпровідника, в якому відтворені три області з різною електропровідністю. Залежно від порядку чергування типу областей розрізняють транзистори типу n-p-n (рис. 1) і p-n-p (рис. 3.2).

Одну з крайніх областей яку використовують в режимі інжекції, називають емітером, а p-n-переход, що примикає до емітера, - емітерним. Проміжна область, в яку інжектуються неосновні носії, називають базою. Другу крайню область - колектором, а перехід - колекторним. Концентрація домішок у базі завжди значно менша, ніж у колекторі та емітері. Найважливішою умовою роботи БТ є дуже мала ширина базової області (одиниці, мкм), а площа колекторного переходу завжди більше площі емітерного переходу. Область емітера повинна володіти більш високою електропровідністю, ніж база та колектор.

Транзистор як активний напівпровідниковий прилад ( здатній підсилювати потужність) використовують таким чином, що один із його електродів є вхідним, а другий - вихідним. Третій електрод є загальним відносно входу та виходу.

Залежно від того, який з трьох електродів транзистора є спільним для вхідного і вихідного кіл, як це показано на рис. 3.2, розрізняють три схеми вмикання транзисторів: із спільною базою (СБ), із спільним емітером (СЕ) і спільним колектором (СК).

Рис. 3.2. Схеми вмикання БТ

Залежно від стану емітерного і колекторного переходів (відкритий чи закритий) розрізняють такі чотири режими роботи БТ.

Активний режим - на емітерний перехід подана пряма напруга, а на колекторний - зворотна.

Інверсний режим - до колекторного переходу подана пряма напруга, а до емітерного - зворотна.

Насичення - обидва переходи знаходяться під прямою напругою.

Режим відсічки - до обох переходів підводять зворотні напруги.

Режими відсічки й насичення використовують в імпульсних і цифрових пристроях. Активний режим БТ є основним у підсилювачах потужності й генераторах коливань. Інверсний режим роботи БТ призводить до значного зменшення коефіцієнта передачи струму емітера і тому на практиці застосовується дуже рідко.

Принцип роботи біполярного транзистора в активному режимі

Розглянемо фізичні процеси в БТ типу p-n-p в активному режимі при його вмиканні за схемою із СБ (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Потоки дірок і електронів у БТ типу p-n-p в активному режимі

В активному режимі емітерний перехід (ЕП) зміщений в прямому напрямку, а колекторний (КП) - у зворотному. Концентрація домішок в базі значно менша ніж в емітері, а тому інжекція дірок з емітера в базу значно перевищує інжекцію електронів в зворотному напрямку. Інжекція носіїв обумовлює проходження через емітерний перехід дифузійних струмів.

Таким чином струм емітера ІЕ дорівнює сумі діркової ІЕр та електронної ІЕn складової: ІЕ = ІЕр +ІЕn.

Електронна складова струму ІЕn обумовлена рухом електронів із бази в емітер і замикається у вхідному колі через джерело напруги UЕБ. Вона не бере участі в утворенні струму в електричному колі колектора.

Більшість дірок, які є неосновними носіями бази, завдяки дрейфу досягають зони колектору, де вони є основними носіями, і, потрапляючи під дію прискорюючого поля колекторного переходу, утворюють керовану частину струму колектора - ІКр.

Значення струму колектора ІКр пропорційне струму емітера ІЕ :

ІКр = аІЕ,

де а - інтегральний (статичний) коефіцієнт передачі струму емітера в схемі з СБ, який досягає значення 0,95- 0,99 і більше, не перевищуючи, однак, одиниці.

Можливість керувати вихідним струмом транзистора змінюючи вхідний струм, є важливою властивістю БТ як активного елемента електронних схем.

Крім керованої частини колекторного струму ІКр в електроді колектора протікає некерована - зворотний (тепловий) струм колекторного переходу - ІКБ0. Напрямок зворотного струму колектора ІКБ0 збігається з напрямком керованої частини колекторного струму і тому вихідний струм транзистора дорівнює:

ІК = аІЕ + ІКБ0.

Згідно з першим законом Кірхгофа, між струмами електродів БТ завжди дійсні співвідношення: ІЕ = ІК + ІБ ,

де ІБ = ІБрек - ІКБ0 + ІЕn - струм бази.

Оскільки коефіцієнт передачі струму а < 1, схема зі СБ не забезпечує посилення за струмом.

Однак тому, що в коло колектора можна вмикати резистори з великими опорами і зворотна напруга, прикладена до колекторного переходу, значно більше напруги прямозміщеного емітерного переходу, посилення у транзисторі за напругою і за потужністю може бути значним.

Рис. 3.4. Потоки електронів і дірок у транзисторі типу n-р-n

Подібні процеси протікають і в транзисторі типу n-p-n (рис. 3.4), але в ньому міняються ролями електрони й дірки, а також змінюються полярності напруг і напрямки струмів.