12.1. Елементи напівпровідникової техніки

12.1.1. Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на явищі однобічної провідності межі поділу двох напівпровідників з різними типами електропровідності: електронної (електропровідність и-типу) і діркової (елект­ропровідність р-типу). Область електропровідності и-типу характеризується тим, що проходження струму тут відбувається за рахунок переносу негативно заряджених електронів, надлишкова кількість яких створюється шляхом уве­дення до монокристалу напівпровідника донорних домішок, наприклад сурми, миш'яку, фосфору. В області електропровідності р-типу проходження струму зумовлене переносом позитивно заряджених "дірок" (дірка - це атом, у якого не вистачає одного електрона і який має позитивний заряд, що за абсолютною ве­личиною дорівнює заряду електрона). Дірки отримують шляхом уведення до монокристалу напівпровідника акцепторних домішок, наприклад індію, бору, алюмінію.

Крім цього у домішкових напівпровідниках завжди поряд з основними носіями, концентрація яких велика, існують також неосновні носії: дірки в на­півпровідниках и-типу та електрони в напівпровідниках р-типу. У напівпровід­никах без домішок кількість електронів завжди дорівнює кількості дірок.

При безпосередньому контактуванні двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову електропровідність, отримується так званий електронно-дірковий перехід (р-п перехід), основною властивістю якого є зале­жність величини його опору від полярності прикладеної напруги. Для приєд­нання до зовнішнього кола в р-п зонах напівпровідника створюють омічні кон­такти з виводами.

Розглянемо на прикладі двошарового кристала кремнію процеси, що відбу­ваються в р-п переході при впливі на нього зовнішньої напруги. Якщо до р-області прикласти позитивний потенціал, а до и-області - негативний, то основні носії струму будуть рухатися в приграничному шарі назустріч один одному (рис. 12.1,а). У результаті опір р-п переходу зменшується і через границю поділу проходить прямий струм /пр, обмежений практично тільки опором навантаження RH. Зовнішня напруга ипр такої полярності називається прямою або провідною.

При зміні полярності прикладеної напруги (рис. 12.1,б) дірки на р-області й електрони на и-області напівпровідника будуть віддалятися від межі розділу, що призводить до збільшення опору р-п переходу, а потік основних носіїв зменшується до нуля. Через p-и перехід проходить незначний струм, створений неосновними но­сіями, для яких прикладена різниця потенціалів є прискорювальною. Зовнішня на­пруга такої полярності називається зворотною извор або замикаючою, а зумовле­ний нею невеликий струм - зворотним струмом /звор.

Таким чином, значення і напрям струму, що проходить через р-n перехід двошарової напівпровідникової структури, залежать від значення і знака зовнішньої напруги, тобто р-п перехід має випрямляючі (вентильні) властивості.

Залежність струму Л, що проходить через р-и перехід, від прикладеної до нього напруги U називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) переходу. Ця ха­рактеристика має дві гілки (рис. 12.1,в): одна розташована в першому квадранті і від­повідає провідному напрямку в р-и переході (прямому струму в ньому), друга - у тре­тьому квадранті і характеризує замикаючі властивості переходу.

12.1.2. Некеровані діоди. У пристроях промислової електроніки викорис­товують кремнієві, германієві і селенові некеровані діоди, або вентилі.

Кремнієві діоди. Розглянемо будову і ВАХ кремнієвого діода (рис. 12.2). Вихі­дним матеріалом цих діодів є тонкі пластинки, вирізані з монокристалу кремнію з елек­тронним типом електропровідності, у яких сплавленням з алюмінієм або дифузією у кремній атомів алюмінію або бору створено шар з електропровідністю р-типу.

Кремнієвий диск з р-п переходом припаюють між молібденовими пласти­нками (рис. 12.2,а), які мають приблизно такий же коефіцієнт лінійного розши­рення, як і кремній, і гарну теплопровідність. Електрод, що приєднується до шару напівпровідника з електропровідністю и-типу, є катодом K, а електрод, що приєднується до шару з електропровідністю p-типу - анодом А. Отримана в такий спосіб двошарова монокристалічна р-и структура міститься в нерозбір-ному герметичному металоскляному або керамічному корпусі, який захищає її від зовнішніх впливів (вологи, бруду, механічних ушкоджень).

Нижня частина корпуса - це шес-

A

K

б

тигранна гайка що закінчується шпи-
лькою з різьбленням для вгвинчування p
вентиля до охолоджувача. Така конс-
трукція корпусу діода забезпечує гар-
ний відвід тепла від р-и переходу до
навколишнього середовища і служить
зовнішним виводом катода. Зовнішнім
виводом анода є гнучкий мідний про- Рис. 12.2 - Кремнієвий діод: а - будова,
від з наконечником, ізольований від          б - умовне позначення

корпуса ізолятором.

На рис. 12.3 зображені ВАХ кремнієвого діода на номінальний струм 200 А. Пряма гілка має дві характерні ділянки: на першій ділянці, що майже співпадає з віс­сю абсцис, вентиль має великий опір, із зростанням прямої напруги струм зростає не­значно; на другій ділянці при збільшенні ипр > Ц опір вентиля різко зменшується, а прямий струм Іпр зростає до значень, зумовлених опором навантаження.

На зворотній гілці розрізняють три характерних ділянки: перша ділянка ОА порівняно невелика, вентиль має ще малу провідність і через перехід проходить не­великий струм Ізвор, вимірюваний міліамперами; на другій ділянці АБ при значному збільшенні зворотної напруги струм Ізвор досягає насичення і зростає незначно; тре­тя ділянка БВ характерна тим, що при певних значеннях зворотної напруги струм Ізвор різко зростає і наступає пробій р-п переходу. Величина напруги Цп, при якій зворотна гілка різко вигибається, називається пробивною напругою.

Для нормальної роботи вентиля припустиму (номінальну) зворотну на­пругу Цзворн беруть удвічі меншою порівняно з пробивною напругою Цп.

Германієві діоди порівняно з кремнієвими мають менше пряме падіння напруги, а також менші значення допустимих зворотних напруг (500 - 600 В порівняно з 700 - 1500 В у кремнієвих діодів). Зворотний струм цих діодів на порядок більший, ніж у кремнієвих.

Селенові діоди допускають значно менші щільності прямого струму 50­60 мА/см і менші значення зворотної напруги 40-50 В, ніж германієві і кремні­єві, що допускають щільності прямого струму 40-80 А/см і значення зворотної напруги 400-1200 В.

Для підвищення значення извор,доп широко використовують послідовне з'єд­нання селенових елементів в одному випрямному стовпчику, при цьому не потрібне застосування подільників напруги, як для германієвих і кремнієвих діодів. Характе­рною рисою селенових випрямлячів є більша перевантажувальна здатність (оскіль­ки вони мають значну теплову інерцію) порівняно з германієвими і кремнієвими, а також менша чутливість до короткочасних перенапруг.

Відзначені властивості селенових діодів є стимулом до застосування їх у випрямлячах на низькі напруги і великі струми: зарядні пристрої, гальванічні й електролітичні установки та ін.

ВАХ напівпровідникових діодів залежать від температури р-п переходу. Із зростанням температури у всіх типів діодів має місце зниження прямого па­діння напруги за тих же прямих струмів, значне збільшення зворотного струму, що супроводжується невеликим збільшенням пробивної напруги у кремнієвих і селенових діодів.

12.1.3. Керовані діоди - тиристори. Основним елементом керованих діодів або, як їх частіше називають, тиристорів є кремнієвий диск з електронним типом електропровідності, у якому спеціальними технологічними методами створюється чотиришарова напівпровідникова структура, де чергуються шари з різними типами електропровідності (р-п-р-п). У результаті отримують монокристалічну структуру з трьома р-п переходами Пі - П2 - П3, ввімкнутими послідовно (рис. 12.4,а).

Напівпровідникова структура тиристора монтується в металоскляний або в керамічний корпус, основа якого має шпильку з різьбленням і є зовнішнім виво­дом анода, а катодом - гнучкий мідний вивід з наконечником. Керуючий електрод виводять убік катода (рис. 12.4,в) або розміщують у металокерамічному таблетко вому корпусі округлої форми, що герметизують холодним зварюванням.

Таблетковий корпус діода за допомогою притискного пристрою з'єднується з охолоджувачами з алюмінієвих сплавів, забезпечуючи електричні і термічні контактні з'єднання структури корпуса й охолоджувачів, які мають розвинену поверхню. Струмо-відвід від анода і катода тиристора здійснюється безпосередньо з охолоджувачів за до­помогою мідних шин, вивід від керуючого електрода розташований збоку.

При вмиканні тиристора до електричного кола з регульованим джерелом постій­ного струму (рис. 12.5), полярність якого можна змінювати, зв'язок між струмом, що проходить через тиристор у прямому і зворотному напрямках, і напругою між анодом і катодом відбиває статична ВАХ (рис. 12.6). Якщо коло керуючого електрода тиристора не підключено до джерела ик а напруга між анодом і катодом не перевищує припусти­мого значення напруги перемикання ипер, то незалежно від полярності прикладеної на­пруги идж між анодом і катодом струм практично не протікає.

Подпись:
Дійсно, якщо на анод тиристора подається негативний потенціал, а на ка­тод - позитивний, то до середнього переходу П2 (рис. 12.5) буде прикладена пряма напруга ипр, а до переходів П1 і П3, що з'єднані послідовно, зворотна на-

пруга ипер. Тиристор буде замкненим. Через нього і у зовнішньому колі про­ходить невеликий зворотний струм Ізвор, що відповідає зворотній гілці ВАХ тиристора. Якщо ж до анода і ка­тода тиристора прикласти потенціали з протилежною полярністю, то до пере­ходу П2 буде прикладена зворотна на­пруга, що знову визначає закритий стан тиристора.

Перехід тиристора із закритого

Рис.12.5 - Схема для зняття характери- стану у відкритий може бути здійсне-

стик тиристора

ний двома способами:

1) подачею на анод тиристора прямої напруги, що перевищує напругу переми-

кання ипер (рис. 12.6), при цьому різко зменшується його опір (тиристор відкривається) і збільшується струм, значення якого обмежується опором зовнішнього кола. Однак таке відкривання по аноду (напругою) для тиристорів не допускається;

2) подачею на керуючий електрод позитивного імпульсу напруги ик при прямій напрузі на аноді тиристора. Під дією ик через перехід П3 буде проходи­ти невеликий струм /к, що нейтралізує дію закритого переходу П2, і тиристор відкривається при меншому значенні ипер. У напрямку від анода до катода ти­ристора буде проходити прямий струм Іпр, значення якого практично обмежу­ється тільки опором зовнішнього кола Ян, оскільки падіння напруги у відкрито­му тиристорі досить мале і не перевищує 0,5 - 1,2 В.

Такий процес відкривання тиристора відбувається дуже швидко (не більше

15 - 20 мкс). Із зростанням Ік знижується напруга перемикання ипер тиристора і від-

критому стану приладу відповідає ВАХ звичайного некерованого діода. Якщо зміни­ти полярність напруги, прикладеної між анодом і катодом тиристора, то раніше від­

критий перехід П2 протягом 25 - 250 мкс (залежно від потужності тиристора) віднов­лює свої замикаючі властивості і тиристор знову готовий до роботи.

При живленні тиристора від джерела постійного струму його замикаючі властивості можна відновити тільки шляхом розриву анодного кола або за до­помогою спеціальних пристроїв короткочасно створити на аноді негативну на­пругу. При живленні від джерела змінної напруги тиристор закривається під час негативної напівхвилі напруги.

12.1.4. Напівпровідникові тріоди - транзистори є електронними прила­дами, заснованими на властивостях двох розташованих досить близько один від одного електронно-діркових /?-и-переходів. Наявність трьох шарів з різною провідністю спричиняє на межах їхнього розділу два /?-«-переходи, що характе­ризуються динамічною рівновагою.

Транзистори поділяють на дві групи - біполярні й уніполярні. До біполяр­них належать транзистори, струм у яких зумовлений носіями двох типів (електро­нами й дірками). В уніполярних (їх ще називають польовими) транзисторах струм зумовлений носіями тільки одного знака (або електронами або дірками). Будову і принцип роботи транзистора розглянемо на прикладі біполярних транзисторів.

Біполярний транзистор являє собою тришарову структуру типу п-р-п (рис. 12.7) або типу р-п-р. На рис. 12.8,а і б наведені умовні зображення цих транзисторів. Транзистор називається біполярним тому, що фізичні процеси в ньому пов'язані з рухом носіїв зарядів обох знаків (вільних дірок і електронів).

Середній шар транзистора називається базою Б, один крайній шар - коле­ктором К, а інший крайній шар - емітером Е. Кожний шар має вивід, за допо­могою якого транзистор вмикається у коло.

Емітер n-тип

База

Колектор

Ле Е

Можливі три варіанти схеми вмикання транзистора (табл. 12.1): зі спіль­ним емітером (СЕ), спільною базою (СБ) і спільним колектором (СК).

Таблиця 12.1 - Схеми вмикання транзисторів

зі спільним емітером

зі спільним базою

зі спільним колектором


Подпись:

о

Ік leux

Нормальний активний режим, у якому перехід емітер-база включений в прямому напрямку, а перехід колектор-база - у зворотному.

Інверсний активний режим, в якому перехід емітер-база увімкнений у зворотному напрямку, а перехід колектор-база - у прямому.

Режим відсічення, в якому обидва переходи включені у зворотному напрямку.

4.         Режим насичення, у якому обидва переходи включені в прямому напрямку.
Режим насичення і режим відсічення використовують в цифрових і імпу-
льсних пристроях.

У схемах, де транзистор застосовують для посилення сигналів, основним є його активний режим роботи. При підключенні позитивного полюса джерела по­стійної ЕРС ЕЕ = -Ueb до бази потенційний бар'єр р-п переходу (п-р-п транзистор на рис. 12.7) між базою й емітером знижується. Вільні електрони дифундують (інжектуються) з емітера до бази, створюючи струм ІЕ в колі емітера. Якщо між колектором і базою включене джерело постійної ЕРС ЕК = иКБ негативним полю­сом до бази, то збільшується потенційний бар'єр р-п переходу між базою і колек­тором. Більша частина електронів, інжектованих з емітера до бази, втягується си­льним електричним полем з напруженістю ЕКБ цього р-п переходу, створюючи струм ІК у колі колектора. Помітимо, що електричне поле в переході колектор-база існує і при розімкненій гілці з джерелом ЕРС Ек. Тому струм колектора від зна­чення напруги иКБ > 0 залежить мало. Незначна частина вільних електронів, інже­ктованих з емітера до бази, утворює струм ІБ у колі бази.

Зв'язок між струмами колекторного й емітерного кіл транзистора харак­теризується коефіцієнтом передачі струму

а = іК/іЕ. (12.1)

Кількість рекомбінуючих у базі основних носіїв заряду емітера визначає струм бази: іБ = іЕ - іК. При розгляді підсилювальних властивостей транзисторів для змінних сигналів схеми їхнього включення розглядають без джерел жив­лення, оскільки порівняно з іншими опорами внутрішні опори джерел живлен­ня досить малі. Найбільш часто використовують схему зі СЕ, за допомогою якої здійснюють посилення за струмом, напругою, потужністю. Для цієї схеми кое­фіцієнти підсилення визначаються з виразів:

Включення транзистора за схемою зі СБ застосовується звичайно на більш високих частотах, однак ця схема характеризується коефіцієнтом підси­лення за струмом меншим за одиницю k < 1. При цьому вихідна напруга ивих буде у фазі із вхідною напругою ивх.

Для схеми транзистора зі СК коефіцієнти підсилення за струмом, напру­гою й потужністю знаходять з виразів:

Вихідна напруга для схеми зі СК перебуває у фазі з вхідною.

Розглядаючи основні підсилювальні схеми, виходять з того, що робота транзистора відбувається на лінійних ділянках його характеристик, що відпові­дає малим вхідним сигналам, і при розрахунку коефіцієнтів підсилення транзи-сторно-резисторних підсилювачів, з огляду на умови роботи на середніх часто­тах, впливом вхідних, перехідних і вихідних ємностей зневажують.

Основними характеристиками транзисторів є статичні вхідна й вихідна характеристики, вигляд яких залежить від схеми включення транзистора.

Як приклад розглянемо ці характеристики для схеми зі СЕ.

Під вхідною характеристикою транзистора розуміють залежність вхідно­го струму від вхідної напруги при постійній вихідній напрузі. Для схеми зі СЕ це Іб(иб) при ик = const.

Під вихідною характеристикою розуміють залежність вихідного струму від вихідної напруги при постійному вхідному струмі. Для схеми зі СЕ це Ік(ик) при Іб = const.

Статичні характеристики біполярного транзистора показані на рис. 12.Q. Ділянка робочих режимів транзистора на його характеристиках обмежена мак­симально допустимими значеннями струму І^щ^, напруги итпіах і потужності розсіювання Ррозтах ~ икеІк, а також нелінійними викривленнями при малих значеннях струму колектора.

Основна позитивна якість біполярних транзисторів - висока швидкодія при досить великих струмах колектора. Наявність зовнішніх тепловідводів до­зволяє біполярним транзисторам працювати при потужності розсіювання до

50 Вт і струмах до 10 А. їхній основний недолік - невеликий опір вхідного кола при увімкненні за схемою зі СЕ (1 - 10 кОм).

Подпись: 10
а
ік, мА 100


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я