Электроника. Ч.1: Письменные лекции

Министерство образования Российской Федерации

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

О. Г. АНТОНОВ, Л. А. КРЕСТНИКОВ

Э Л Е К Т Р О Н И К А ч. 1 ПИСЬМЕННЫЕ ЛЕКЦИИ Утверждены редакционно – издательским советом университета в качестве письменных лекций

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2003

УДК 621. 385 (07) Антонов О. Г. , Крестников Л. А. Электроника ч. 1: Письменные лекции − СПб.: СЗТУ, 2003. − 61 с., ил. В письменных лекциях в краткой форме изложен учебный материал основных разделов дисциплины «Электроника ч. 1». Письменные лекции ориентированы на студентов факультета радиоэлектроники специальности 200700 − («радиотехника»), направление 654200 (инженер), а также на студентов направления 552500 (бакалавр). Материал письменных лекций составлен авторами на основании программы дисциплины «Электроника ч. 1» , разработанной в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта по высшему профессиональному образованию по специальности 200700 – «радиотехника».

Р е ц е н з е н т ы: кафедра радиотехники СЗТУ (зав. каф. Г. И. Худяков, д-р техн. наук, проф.); Л. А. Решетов, канд. техн. наук, доц. СПб Госуниверситета аэрокосмического приборостроения.

Н а у ч н ы й р е д а к т о р: Г. И. Худяков, д-р техн. наук, проф.

 Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Электроника ч. 1» согласно учебному плану специальности 200700 читается студентам 3-го курса СЗТУ факультета радиоэлектроники в 5ом семестре. В этой дисциплине студенты изучают современное состояние и принципы работы полупроводниковых и электровакуумных приборов, применяемых в современной радиоэлектронике. При этом упор делается на изучение физических принципов работы этих элементов, т. к. вопросы схемотехники изучаются в специальных курсах. Цель преподавания дисциплины «Электроника ч. 1» - это подготовка студентов к решению задач, связанных с рациональным выбором электронных приборов и режимов их работы в радиотехнических устройствах и системах. Качественная подготовка специалистов должна способствовать дальнейшему прогрессу в использовании физических принципов для построения электронных приборов, обеспечивающих преобразование энергии и информации в системах научного и промышленного назначения нового поколения, являющихся основой интенсивного развития промышленности. В результате изучения дисциплины «Электроника ч. 1» студент должен знать физические принципы построения и характеристики основных типов электронных приборов, наиболее благоприятные режимы их работы; уметь производить выбор электронных приборов при проектировании устройств и систем, проводить испытания приборов иметь представление о путях дальнейшего развития электроники и возможных областях применения электронных приборов. Изучение дисциплины «Электроника ч. 1» базируется на знаниях, полученных студентами при изучении математики, физики и информатики. 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1. Общие сведения об электронных приборах Еще в прошлом веке был открыт ряд физических явлений, природа которых обусловлена взаимодействием свободных электронов с электромагнитным полем и веществом. Такие явления получили название электронных. К ним относятся: испускание электронов накаленным телом−термоэлектронная эмиссия; зависимость электрической проводимости цепи, состоящей из накаленного и ненакаленного электродов, разделенных вакуумным промежутком, от направления тока и взаимный обмен энергией между переменным потоком электронов в вакуумном промежутке и электромагнитным полем, созданным в этом промежутке. К этим явлениям относится также наличие двух типов электропроводности полупроводников (электронной и дырочной) в зависимости от преобладания того или другого вида носителей заряда (электронов или дырок), а также 3

существование на границе электронного и дырочного полупроводников переходного слоя, обладающего электрической проводимостью, зависящей от направления тока. Перечисленные и многие другие электронные явления хорошо изучены и нашли практическое применение. Возникла и получила значительное развитие специальная область техники − электроника, в задачу которой входит разработка устройств, основанных на использовании электронных явлений — электронных приборов, и определение оптимальных способов их применения. Сформировалась отдельная отрасль промышленности−электронная промышленность, выпускающая электронные приборы. Однако следует отметить, что электронные приборы относятся к изделиям, которые не имеют самостоятельного независимого применения. Их используют в качестве простейших составных частей аппаратуры, не подлежащих сборке, разборке и ремонту в процессе производства и эксплуатации, поэтому они называются элементами радиоэлектронной аппаратуры. Функции, выполняемые элементами радиоэлектронной аппаратуры, чрезвычайно многообразны, однако в зависимости от основного назначения можно выделить две основные задачи, решаемые ими: 1) преобразование энергии; 2) преобразование сигналов. Примером первой задачи является преобразование энергии солнечного света в электрическую, которое может осуществляться с помощью полупроводниковых диодов (солнечные батареи). Полупроводниковые диоды, тиристоры и мощные транзисторы могут служить для преобразования переменного тока в постоянный в источниках питания или, наоборот, постоянного тока в переменный. Во всех случаях важную роль играет к. п. д., т. е. минимум потерь энергии при преобразовании. Более распространено другое применение электронных приборов − для преобразования сигналов. При этом мгновенные значения переменного тока или напряжения либо мгновенные значения их амплитуды, фазы, частоты используют в качестве сигналов, несущих информацию, подлежащую передаче, приему, хранению, распределению или обработке. Задача электронного прибора заключается в выделении сигнала на фоне шумов, усилении сигнала, преобразовании тех или иных параметров сигнала, логической обработке групп сигналов. Во всех этих случаях помимо затрачиваемой на обработку сигнала мощности важное значение имеет минимальная потеря информации, минимальное искажение сигнала. 1.2. Физические основы полупроводниковой электроники Виды полупроводников. К полупроводникам относятся вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. Значения удельной электрической проводимости этих трех классов веществ приведены в табл. 1.1. 4

Таблица 1.1 Класс вещества Удельная электрическая Удельное электрическое сопропроводимость, См/см тивление, Ом ⋅ см 4 Проводники 10 <10-4 Полупроводники 104 − 10-10 10-4 − 1010 Диэлектрики <10-10 >1010 Основным признаком, выделяющим полупроводники как особый класс веществ, является сильное влияние температуры и концентрации примесей на их электрическую проводимость. Так, например, даже при сравнительно небольшом повышении температуры проводимость полупроводников резко возрастает (до 5…6% на 1°С). Проводимость же металлов с ростом температуры не увеличивается, а падает очень незначительно: Изменение составляет десятые доли процента на 1°С. Введение примеси в полупроводник в количестве 10-710-9 % уже существенно увеличивает его проводимость. У большинства полупроводников сильное изменение электрической проводимости возникает под действием света, ионизирующих излучений и других энергетических воздействий. Таким образом, полупроводник − это вещество, удельная проводимость которого существенно зависит от внешних факторов. Полупроводники представляют собой наиболее многочисленный класс веществ. К ним относятся химические элементы: бор, углерод, кремний, фосфор, сера, германий, мышьяк, селен, серое олово, теллур, йод, химические соединения CuCI, CaAs, GeSi, Cu0, PbS и др., большинство минералов − природных химических соединений, число которых доходит до 2000, и многие органические вещества. Рис. 1.1 В электронике находит применение лишь ограниченное число полупроводниковых веществ. На первом месте среди них стоят германий, кремний, арсенид галлия, используемые в качестве основы при изготовлении полупроводниковых приборов. Бор, фосфор, мышьяк и некоторые другие вещества используют в качестве примесей. Атомы полупроводников (кремния, германия), обладающие четырьмя валентными электронами, образуют кристаллическую решетку со структурой типа алмаза, в которой каждый атом имеет по четыре ближайших соседних атома (рис. 1.1). Атомы кристаллической решетки связаны между собой ковалентной (гомеополярной) связью, при которой каждый валентный электрон принадлежит одновременно двум соседним атомам. Объемную кристаллическую решетку полупроводника, например кремния, упрощенно изображают плоской (рис. 1.2). Ковалентная связь, образованная парой электронов между каждой парой соседних атомов кремния, показана 5

двумя отрезками прямых, соединяющих атомы. При температуре абсолютного нуля все валентные электроны в кремнии связаны. При повышении температуры часть валентных электронов приобретает тепловую энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи, т.е. для отрыва от пары атомов кремния. Оторвавшийся электрон способен свободно перемещаться по кристаллу, т.е. становится свободным носителем заряда. На рис. 1.2, а показано условное изображение кристаллической решетки, а на рис. 1.2, б – энергетическая диаграмма полупроводника с собственной электропроводностью . В результате образования свободных носителей заряда кристалл кремния приобретает свойство электропроводности. Разорванную ковалентную связь называют дыркой. Недостаток электрона в одной из связей означает, что атом (или пара атомов) кремния имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона q. Следовательно, дырка обладает зарядом + q. Разорванная ковалентная связь может быть заполнена валентным электроном одного из соседних атомов кремния. На месте этого электрона вновь образуется разорванная связь — дырка. Такой процесс может повторяться, а это означает, что дырка способна перемещаться по кристаллу, т.е. является свободным носителем заа) б) ряда, имеющим в отличие от элекРис. 1. 2 трона положительный заряд. Таким образом, разрыв одной ковалентной связи приводит к появлению пары свободных носителей заряда − электрона и дырки − электронно-дырочной пары. Образование свободных носителей заряда под действием тепловой энергии называют термической генерацией (термогенерацией) носителей. С ростом температуры концентрация электронно-дырочных пар в полупроводнике увеличивается и, следовательно, увеличивается его электропроводность. Свободные электронно-дырочные пары могут образовываться также под действием других источников энергии, способных разрушить ковалентную связь, например, при облучении. У проводников — металлов — валентная зона заполнена частично, электроны занимают нижнюю часть зоны, а верхние уровни валентной зоны не заполнены. Под действием слабого внешнего электрического поля валентные электроны приобретают дополнительную энергию—кинетическую, заполняя в валентной зоне незанятые более высокие уровни энергии. Это означает, что электроны под действием электрического поля приобретают скорость и участвуют в перенесении электрического заряда, т.е. протекает электрический ток. Возможна и другая зонная структура проводника, при которой валентная зона целиком заполнена валентными электронами, но валентная зона и зона прово6

димости перекрываются, т.е. запрещенная зона отсутствует. В этом случае электроны под действием электрического поля могут приобретать дополнительную кинетическую энергию, занимая свободные уровни энергии в зоне проводимости. Валентные электроны в металле принадлежат одновременно всем атомам кристалла и являются свободными носителями заряда. Если валентная зона заполнена целиком (все уровни энергии в ней заполнены электронами) и ширина запрещенной зоны не равна нулю, то валентные электроны не могут приобретать дополнительную кинетическую энергию и не являются свободными. Если же валентному электрону сообщить энергию, способную преодолеть запрещенную зону εз, то он переходит из валентной зоны на один из незанятых уровней зоны проводимости и становится свободным носителем заряда. Одновременно в валентной зоне появляется один свободный уровень, соответствующий дырке, что позволяет электронам валентной зоны перемещаться. Переход электрона из валентной зоны в зону проводимости может произойти под действием тепловой энергии или какого-либо другого источника энергии. Если ширина запрещенной зоны относительно велика (более 3 эВ), то тепловой энергии электронов недостаточно, чтобы перейти им из валентной зоны в зону проводимости. Свободных носителей заряда в таких материалах нет и их относят к диэлектрикам. В полупроводниках, используемых для приборов и микросхем, ширина запрещенной зоны составляет 0,1 … 3 эВ; например в кремнии — 1,12 эВ. Носители заряда в полупроводниках. Чистый, беспримесный полупроводник называют собственным, а свободные электронно-дырочные пары в нем — собственными носителями заряда. Этими носителями обусловлена собственная электропроводность чистого полупроводника. При температуре абсолютного нуля термогенерация электроннодырочных пар отсутствует и концентрация свободных носителей заряда равна нулю. С ростом температуры тепловая энергия кристаллической решетки повышается и происходит рост концентрации собственных носителей — электронов пi и дырок рi по экспоненциальному закону: ni=pi≈ ехр [-q εз/ (2kT)] , где k= 1,38 •10-23 Дж/К - постоянная Больцмана, T-абсолютная температура. При увеличении температуры растет также и электропроводность чистого полупроводника — эта особенность отличает полупроводники от металлов, электропроводность которых слабо меняется при изменении температуры. При комнатной температуре для кремния n~1010 см-3, что приблизительно в 1013 раз меньше, чем для металлов. Материалом для полупроводниковых приборов и микросхем служат примесные полупроводники, электрические свойства которых определяются специальными примесями в них. Для легирования (введения малых количеств примеси) кремния и германия используют трех- и пятивалентные элементы, атомы которых замещают атомы полупроводника в кристаллической решетке. Перенос носителей заряда в полупроводниках. В кристалле полупроводника свободные носители заряда совершают хаотическое тепловое движе7

ние, испытывая соударения (рассеяние) с колеблющимися атомами кристаллической решетки (тепловые колебания), ионами примесных атомов и другими дефектами решетки. Равновесные и неравновесные носители заряда. Полный ток в полупроводниках. До сих пор рассматривался полупроводник в равновесных условиях, т.е. при отсутствии внешних воздействий (освещения, сильного электрического поля и др.). Носители заряда в полупроводнике в равновесных условиях называются равновесными; их концентрация полностью определяется температурой, шириной запрещенной зоны εз и концентрациями примесей. В полупроводнике могут существовать и неравновесные, избыточные носители заряда, создаваемые каким-либо внешним источником энергии, например, облучением, при котором происходит дополнительный переход валентных электронов в зону проводимости (т.е. "отрыв" валентных электронов от атомов кремния) и появляются новые избыточные электронно-дырочные пары. Избыточные электронно-дырочные пары могут исчезать при рекомбинации (рис. 1.3, а) —переходе избыточных свободных электронов из зоны провоРис. 1.3 димости в валентную зону на избыточный свободный уровень (захват избыточного электрона атомом кремния) . Если в некоторой части полупроводника имеются неравновесные носители, появляется диффузионный поток этих носителей в близлежащую область, где их нет или концентрация их мала. При движении этих носителей происходит и перенос заряда, т.е. проходит электрический ток в полупроводнике. Электрический ток, возникающий при диффузии носителей заряда в полупроводнике, называют диффузионным. Полный ток в полупроводнике в общем случае складывается из дрейфового и диффузионного. 1.3. Особенности р-п-перехода в полупроводниках Структура р-п-перехода. P-п-переходом называют границу между областями полупроводника р- и n-типа., которая обладает выпрямительными свойствами.

8

Чтобы понять структуру p-n-перехода, рассмотрим сначала две отдельные области полупроводников р- и n-типа (рис. 1.4, а) . Кружками со знаком плюс в n-области показаны атомы донорной примеси, например фосфора. Каждый донорный атом имеет положительный заряд, так как пятый валентный электрон его покинул, и он остался с одиночным положительным зарядом. Свободные электроны изображены со знаком минус. В целом объем n-области электрически нейтрален, не заряжен, так как число фиксированных положительных зарядов (ионов атомов фосфора) в нем компенсируется таким же числом отрицательно заряженных подвижных электронов. Атомы акцепторов, например, бора в кремнии p-типа, показаны кружками со знаком минус, означающим отрицательный заряд атома вследствие захвата электрона. Свободные положительно заряженные дырки показаны знаком плюс. Объем области p-типа также электрически нейтрален, так как число Рис. 1.4 акцепторов равно числу дырок. При соединении этих двух областей (рис. 1.4, б) появляется диффузионный поток свободных электронов из n-области в p-область и, казалось бы, все электроны должны рекомбинировать с дырками р-области. Однако, в действительности этого не происходит потому, что, как только часть электронов покидает приграничную n-область, в ней появляется слой положительного пространственного заряда, образованного нескомпенсированными положительно заряженными атомами доноров. При подаче на р-область напряжения U, положительного по отношению к n-области, высота потенциального барьера φ уменьшается на U. При этом толщина слоя пространственного заряда уменьшается, появляются потоки основных носителей через слой пространственного заряда, его проводимость увеличивается и возникает электрический ток в цепи. Такие напряжение и ток называют прямыми. В р-области электроны, перешедшие из n-области, являются неравновесными избыточными неосновными носителями заряда. При постоянном прямом напряжении U концентрация их у границы слоя пространственного заряда поддерживается на постоянном уровне, зависящем от U. Введение избыточных неосновных носителей при прохождении прямого тока через р-n-переход называют инжекцией. По мере удаления от границы пространственного заряда концентрация инжектированных электронов убывает вследствие рекомбинации с дырками — основными носителями в р -области, р-п- переход при прямом напряжении инжектирует носители обоих типов — электроны в р-область, дырки — в n-область. В несимметрично легированном р-п-переходе происходит ин9

жекция преимущественно в сторону слабо легированной области, например, pп+-переход (знак "+" означает сильное легирование) является хорошим инжектором электронов в р-область. Если на р-область подается напряжение U, отрицательное по отношению к n-области, потенциальный барьер φк возрастает на U, а толщина слоя пространственного заряда увеличивается. Проводимость слоя пространственного заряда из-за почти полного отсутствия свободных носителей в нем остается низкой и через р-п-переход проходит незначительный ток. Такие напряжение и ток называют обратными. Обедненный носителями заряда слой пространственного заряда обладает электрической емкостью, так как он подобен диэлектрику, заключенному между двумя проводящими обкладками, роль которых выполняют n- и р-области, примыкающие к слою пространственного заряда. Емкость конденсатора пропорциональна относительной диэлектрической постоянной диэлектрика (в данном случае — полупроводника, например кремния), площади его обкладок (площади р-п-перехода) и обратно пропорциональна толщине диэлектрика (толщине области пространственного заряда ОПЗ). Поскольку толщина слоя пространственного заряда зависит от напряжения U, емкость р-п-перехода также зависит от U: При изменении U от прямого к обратному емкость падает. Вольтамперная характеристика р-n-перехода. Вольтамперная характеристика р-n-перехода (рис. 1.5) приблизительно описывается соотношением: I = Iнас {exp [U/(mUт] − 1}, где I — ток через p-п-переход, Iнас — теоретический обратный ток (ток насыщения), U— внешнее напряжение на р-ппереходе, Uт— термический потенциал, равный 25,5 мВ при комнатной температуре (296 °К), m = 1…2. Положительным значениям соответствует прямая ветвь вольтамперной характеристики с высокой проводимостью, отрицательным — обратная ветвь с низкой проводимостью. Дифференциальное сопротивление rд р-п-перехода в прямой ветви вольтамперной характеристики (т.е. сопротивление, измеренное в режиме малого сигнала при заданном постоянном прямом токе Iпр) почти не зависит от конструкции р-п-перехода, а определяется только током и обратно пропорционально ему: rд = mUт/ Iпр . При обратных напряжениях Uобр менее (0,1…0,15)В экспоненциальный член в соотношении для I становится меньше единицы и обратный ток Iобр = − Iнас, т.е. не зависит от Uобр. Эта формула справедлива, как правило, для германиевых р-n-переходов, но неверна для кремниевых . 10

1.4. Вопросы для самоконтроля 1. Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков? 2. Что такое собственный и примесный полупроводники? 3. Каковы отличия полупроводников п- и р-типов электропроводности? 4. Какова концентрация носителей заряда в примесном полупроводнике? 5. Что такое равновесные и неравновесные носители заряда в полупроводнике? 6. Каким параметром характеризуют рекомбинацию неравновесных носителей заряда? 7. Что такое р-n-переход? 8. Какова зависимость тока, проходящего через р-n-переход, от напряжения? 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 2.1. Общие сведения Устройство диода. Полупроводниковым диодом называется двухэлектродный прибор, основу которого составляет р-п-структура, состоящая из областей р-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом. Одна из областей р-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда , чем другая область, называемая базой. База и эмиттер с помощью электродов Э, образующих омические переходы, соединяются с металлическими выводами В, посредством которых диод включается в электричеРис. 2.1 скую цепь. Основным структурным элементом полупроводникового диода, определяющим его функциональные свойства, является р-п-переход — тонкий промежуточный слой между р-n-областями, свойства которого были рассмотрены ранее. Прогрессивной разновидностью полупроводниковых диодов являютсяпланарно-эпитаксиальные диоды (рис.2.1). В этих приборах базу изготовляют путем наращивания на подложке 4 из низкоомного кремния тонкого слоя 3 высокоомного полупроводника, повторяющего структуру подложки. Этот слой, называемый эпитаксиальным, покрывают плотной защитной пленкой 2 двуокиси кремния Si02 толщиной до 1 мкм. В пленке протравливают окно, через которое путем диффузии бора или алюминия создается p-n-переход 1, выход которого на поверхность оказывается сразу же надежно защищенным пленкой окис11

окисла. Статические вольтамперные характеристики диода. Статическая вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. 2.2. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода. Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком — по напряжению по сравнению с прямой ветвью. В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, что является следствием ряда причин, не учтенных при теоретическом анализе процессов в электроннодырочном переходе. В области больших прямых токов вследствие значительного

Рис. 2.2 падения напряжения на распределенном сопротивлении базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электроннодырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной. Уравнение вольтамперной характеристики в этой области можно записать в виде I=I0 expχ(U-rбI),где rб— электрическое сопротивление базы, электродов и выводов диода; χ = 1/ϕк. При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоРис. 2.3 янным, равным току экстракции Iо, а медленно увеличивается. Одной из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей заряда в переходе, не учтенная ранее. Составляющую обратного тока через переход, за12

висящую от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода Iт. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают. Этот эффект особенно заметен в кремниевых диодах, имеющих малый ток экстракции Iо
13

2. 2 . Виды пробоя в диодах Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое — за счет термической ионизации атомов. Электрический пробой. Обычно длина свободного пробега электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. Поскольку скорость электронов, определяющая их энергию, зависит от напряженности электрического поля: Vn=μnE. Для ударной ионизации необходима определенная величина этой напряженности. В германиевом переходе она составляет 80 … 120 кВ/см. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда. Величина напряжения пробоя Uл зависит от рода материала, его удельного сопротивления ρ и типа перехода. Когда приложенное напряжение U приближается к напряжению пробоя Uл, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой. Влияние электрического поля на пробой диода заключается в том, что, воздействуя на атомы кристаллической решетки, оно повышает энергию валентных электронов и облегчает их переброс в зону проводимости. При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см) возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона (туннельный эффект). Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя — туннельный и лавинный. Вольт-амперная характеристика диода при электрическом пробое соответствует кривой а на рис. 2.4. Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению с ее значением в объеме. В неблагоприятном случае напряжение пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействия окружающей среды. Тепловой пробой. Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающим устойчивость теплового режима перехода. В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определя14

ется обратным напряжением Uобр и обратным током Iобр:Pподв=UобрIобр . Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода Тп возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в р-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д. Вольтамперная характеристика диода в режиме теплового пробоя соответствует кривой Б на рис. 2.3. Она имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем резко увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток. 2. 3. Емкости диода Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами, т. е. способностью накапливать и соответственно отдавать заряд при увеличении или уменьшении приложенного напряжения. Накопление заряда происходит в переходе и в базе диода, в соответствии с этим различают две составляющие емкости диода Сд — барьерную Cб и диффузионную Сдф. При этом Сд=Сб+Сдф. Барьерная емкость. Барьерной емкостью (емкостью перехода) называют отношение приращения заряда на переходе dQД к вызвавшему его приращению напряжения du:

eN ε Д Д =П . Cб= 2(ϕ к + u ) du

dQ

Барьерная емкость пропорциональна площади перехода П и возрастает при увеличении концентрации примесей. Кроме того, она зависит от напряжения перехода, т. е. является нелинейной емкостью. Обозначим начальное значение барьерной емкости (при u=0) через Со=П записать в виде

eεN Д

. Тогда общее выражение можно

2ϕ к C0 Cб= . (1 + u / ϕ k )1/ 2

(*)

График зависимости Cб/C0=f(U) для диода с резким переходом представлен на рис. 2.4 ,б . Из рисунка видно, что при увеличении обратного напряжения емкость перехода падает. Упрощенно эту зависимость можно пояснить следующим образом. Полупроводниковая р-n-структура представляет собой как бы электрический конденсатор, обкладками которого являются р- и nобласти, а диэлектриком — электронно-дырочный переход, практически не имеющий подвижных зарядов. При увеличении обратного напряжения толщина 15

перехода возрастает, обкладки конденсатора как бы раздвигаются и емкость его падает. Соотношение (*) справедливо только для структур с резким переходом. В общем случае зависимость емкости от приложенного напряжения может быть записана в виде Сб=С0(1+u/φk)-ν , где ν лежит в пределах от 1/2 до 1/3 в зависимости от концентрационного профиля перехода. Значения С0 в тонких переходах могут доходить до 300—600 пФ, а изменение емкости при изменении напряжения может быть десятикратным. Диффузионная емкость. При переходе в область прямых напряжений возрастает не только барьерная емкость диода, но и емкость, обусловленная накоплением неравновесного заряда в р- и n-областях структуры. В несимметричной р+-n-структуре неравновесный заряд, как указывалось, накапливается в базе. Связанная с накоплением неравновесного заряда емкость диода называется диффузионной, она характеризует изменение неравновесного заряда в базе dQН при изменении напряжения диода на величину du. Эта емкость существенно отличается от обычной электрической емкости тела, характеризующей накопление равновесных зарядов. Диффузионная емкость характеризует накопление неравновесного заряда, при этом разноименные заряды накапливаются в одном и том же объеме, так как одновременно с инжекцией дырок из эмиттерного перехода в базу поступают электроны из вывода базы, чем обеспечивается сохранение электрической нейтральности тела базы. Вследствие процесса рекомбинации накопленный заряд, а следовательно, и диффузионная емкость быстро уменьшаются во времени. Скорость спада зависит от времени жизни неравновесных носителей заряда и толщины базы. Схема замещения. При анализе и синтезе различных электронных ycтpoйств, содержащих полупроводниковые диоды, может быть использована модель полупроводникового диода, состоящая из резисторов и конденсаторов. Принципиальная схема этой модели носит название схемы замещения или эквивалентной схемы полупроводникового диода (рис. 2.5, а). На рис. 2.5, б элементы модели диода условно сопоставлены с областями его физической структуры.

Рис. 2.5 Обозначения на рисунке: СД — емкость диода, равная сумме барьерной и 16

диффузионной емкостей, зависящая от режима; Rп — интегральное сопротивление перехода, величину которого определяют с помощью статической вольтамперной характеристики диода: Rn=U/I;, rб—распределенное электрическое сопротивление базы диода, его электродов и выводов. Иногда схему замещения рис. 2.5, а дополняют емкостью между выводами диода Св, емкостями Свх, Свых (на рисунке показаны пунктиром) и индуктивностью выводов Lв. 2.4. Типы полупроводниковых диодов и их применение В основе применения полупроводниковых диодов лежит ряд их свойств, таких, как асимметрия вольтамперной характеристики, обратный пробой электронно-дырочного перехода и т. д. В зависимости от вида используемого свойства, т. е. от назначения, различают шесть основных функциональных типов электропреобразовательных полупроводниковых диодов: выпрямительные (силовые) диоды, высокочастотные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы (варакторы), туннельные диоды. 2.4.1. Выпрямительные диоды Резкую асимметрию вольтамперной характеристики р-n-перехода широко используют для выпрямления переменного тока низкой частоты. Приборы, предназначенные для этой цели, называются выпрямительными диодами, они являются одним из наиболее распространенных типов полупроводниковых диодов. Простейшая схема выпрямителя на полупроводниковом диоде показана на рис. 2.6. Переменное напряжение сети, повышенное с помощью трансформатора до необходимой величины UТ, подается через диод Д на конденсатор большой емкости СФ, выполняющий функции фильтра — накопителя заряда. Периодически напряжение трансформатора становится прямым, тогда через диод проходят импульсы тока, подзаряжающие конденсатор. Остальную часть периода конденсатор разряжается через нагрузку RН, включенную параллельно ему. Так как емкость конденсатора Сф выбирают достаточно большой, то напряжение UС на нем изменяется мало, напряжение нагрузки Uвыпр=Uс оказывается практически постоянным и через нее проходит почти постоянный ток: Iвыпр=Uвыпр/Rн Из рассмотрения вытекает, что возможности полупроводникового диода как выпрямителя характеризуются величинами максимально допустимого анодного тока, определяющего максимальный выпрямленный ток (ток нагрузки), и максимально допустимого обратного напряжения, определяющего максимальное выпрямленное напряжение. 17

В выпрямительных диодах электронно-дырочный переход имеет большую площадь, обеспечивающую получение выпрямленных токов требуемой величины. В настоящее время наиболее распространены выпрямительные диоды сплавного типа. Для изготовления выпрямительных диодов широко используют кремний, имеющий более высокую допустимую температуру и более низкую цену по сравнению с германием. Однако в мощных низковольтных выпрямителях в ряде случаев выгоднее германиевые диоды, так как они имеют меньшее прямое падение напряжения, чем кремниевые ( рис. 2.6). Мощные диоды с целью отвода тепла монтируют на специальных радиаторах, изготовленных из металла, обладающего хорошей теплопроводностью; для увеличения рассеиваемой мощности используют воздушное и жидкостное охлаждение. Допустимый выпрямленный ток и допустимое обратное напряжение диода зависят от температуры окружающей среды. При повышенной температуре возрастает опасность теплового пробоя , поэтому подводимое напряжение и выпрямленный ток должны быть снижены по сравнению с номинальными. 2.4.2. Высокочастотные диоды Под названием «высокочастотные диоды» объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочастотных сигналов, а именно: детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания; смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания; модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др. Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах. Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивлениями электронно-дырочного перехода (Rn), а также р- и n-областей полупроводника (rб), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления rб свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью Рис. 2.7 исчезает. Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшить его емкость Сд и сопротивление базы rб . Для уменьшения емкости р-n-перехода в высокочастотных диодах часто 18

применяют точечную конструкцию (рис. 2.7, а). Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. База припаяна к выводу свинцовооловянным припоем, обеспечивающим омический контакт. С другой стороны к базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20—30 мкм. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (порядка десятых долей пикофарады). Электродная система с целью защиты от воздействия окружающей среды заключена в герметичный стеклянный корпус; выводы электродов сделаны из ковара, имеющего такой же температурный коэффициент расширения, что и стекло. Предельная частота точечных диодов благодаря малой емкости перехода составляет 300-600 МГц. Изготовляют также диоды на частоты порядка десятков гигагерц. У них емкость перехода еще меньше, что достигается специальной заточкой иглы с использованием прижимного контакта без электроформовки. Предусмотрено максимальное уменьшение индуктивности выводов. Однако допустимое обратное напряжение у таких диодов не превышает 3…5 В; низкой получается допустимая мощность рассеяния. Особенностью вольтамперной характеристики точечного диода является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви, плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода. На высоких частотах применяют также так называемые микросплавные диоды, имеющие малую площадь перехода. Диоды с микросплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей стабильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов. К этому типу приборов относится диод Д223, имеющий Iвыпр=50мА, Uобр до 150 В, fпред=20МГц. 2.4.3. Импульсные диоды Полупроводниковые диоды широко используют в качестве ключа, т. е. устройства, имеющего два состояния: «открыто», когда сопротивление прибора очень мало, и «закрыто», когда его сопротивление очень велико. Время перехода диода из одного состояния в другое должно быть по возможности небольшим, так как этим определяется быстродействие аппаратуры. Предназначенные для этой цели диоды называют импульсными или ключевыми. Заряд переключения. Для работы в режиме переключения существенное 19

значение имеет величина заряда, который должен быть выведен из базы для перевода диода в закрытое состояние. Этот заряд называют зарядом переключения. Очевидно, заряд переключения Qп всегда меньше накопленного заряда Qн, так как за время, пока он выводится из диода, часть носителей успевает рекомбинировать. Чем больше отношение обратного тока I2 к прямому току I1, тем больше относительное значение заряда переключения Qп/Qн. Для исследования процесса переключения диода используем схему, приведенную на рис. 2.8. На диод поступают импульсы прямого тока I1≈E1/R1, после окончания прямого импульса через резистор R2 подается лишь обратное напряжение источника E2, стремящееся запереть диод. Ток i(t) и напряжение u(t) диода наблюдают с помощью двухлучевого осциллографа, подключенного к диоду и резистору r небольшого сопротивления, служащему для линейного преобразования измеряемого тока в напряжение. Параметры импульсных диодов. Импульсные диоды характеризуются величиной прямого и обратного токов, для которых в технических условиях устанавливаются максимально допустимые значения. Величина прямого тока

а)

б) . Рис.2.9

диода в импульсном режиме значительно выше, чем в непрерывном . Быстродействие диода как ключа определяют два параметра — время установления прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления (ГОСТ 20004—74). Время установления прямого напряжения tуст — это интервал времени от момента подачи импульса прямого тока на диод до момента достижения заданного значения прямого напряжения . Процесс установления прямого напряжения согласно тому же ГОСТу характеризуют также пиковым значением прямого напряжения диода, возникающего на нем при включении в прямом направлении и заданной величине импульса прямого тока (рис. 2.9,а). Его называют импульсным прямым напряжением диода и обозначают Uпр.и. Время восстановления обратного сопротивления tвос — это интервал времени от момента прохождения тока через нуль после переключения диода с заданного прямого тока на заданное обратное напряжение до момента достижения обратным током заданного низкого значения Iвоc (рис. 2.9,б). 20

По времени восстановления импульсные диоды подразделяют на три группы: высокого быстродействия (tвос<10 нс), среднего быстродействия (10 нс< tвос<100 нс) и низкого быстродействия (tвос >100 нс). Для диодов высокого быстродействия Iвоc =0,1I1 , а для диодов среднего быстродействия Iвоc =0,01I1. Типы импульсных диодов. Сплавные диоды имеют значительное время восстановления ( Iвоc >0,5 мкс). Точечные диоды, обладая малыми емкостью перехода (0,5 пФ) и зарядом переключения (100— 200 пКл), имеют время восстановления менее 0,1 мкс, однако у них небольшие величины прямого тока (не более 20—50 мА) и допустимого обратного напряжения (не более 20 В). Значительно большей скоростью переключения, большей величиной прямого тока, стабильностью параметров и малым их разбросом отличаются меза-диоды. В этих диодах, изготовленных методом диффузии, для уменьшения площади перехода производят травление кристалла, в результате получается показанная на рис. 2. 10 меза-структура (от исп. mesa—стол), имеющая диаметр шейки 70—200 мкм. Меза- диоды имеют время восстановления tвоc = 10—50 нс при прямом токе I1 до 500 мА и обратном напряжении Uобр до 100 В. Возможности дальнейшего увеличения скорости переключения открываются при использовании токов, создаваемых основными носителями заряда, прохождение которых не связано с накоплением заряда, ограничивающего Рис.2.10 быстродействие прибора. Для этой цели, в частности, может быть использован участок лавинного пробоя диода на обратной ветви его вольт-амперной характеристики. Высокая скорость развития лавинного разряда позволяет повысить быстродействие диода в 10 … 100 раз и получить время переключения порядка 0,01 пс. 2.4.4. Полупроводниковые стабилитроны Режим электрического пробоя р-п-перехода находит практическое применение для стабилизации напряжения. Такие диоды носят название полупроводниковых стабилитронов. Их изготовляют из кремния, обеспечивающего получение необходимой вольтамперной характеристики. Германиевые диоды для стабилизации напряжения непригодны, так как пробой у них легко приобретает форму теплового и характеристика в этом режиме имеет неустойчивый падающий участок. Вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона показана на рис. 2.11. В точке А, где пробой является достаточно устойчивым, ток обычно имеет величину порядка 50…100 мкА. После точки А ток резко возрастает и допустимая величина его Imax ограничивается лишь мощностью рассеяния Рmax: Imax = Рmax /Uст . Допустимая рассеиваемая мощность Ртах определяется тепловым сопротивлением диода RТ, допустимой температурой перехода Тпmax и температурой 21

окружающей

среды

Pmax = ( Tn max − T0 ) / RT .

Т0

в

соответствии

с

соотношением:

В современных стабилитронах максимальный ток колеблется в пределах от нескольких десятков миллиампер до нескольких ампер. Превышение максимального тока приводит к выходу диода из строя. Рабочее напряжение стабилитрона, являющееся напряжением пробоя р-nперехода, зависит от концентрации примесей в р-n-структуре и лежит в пределах 4 … 200 В. Напряжение стабилитрона в рабочем Рис. 2.12 Рис. 2.12 режиме мало зависит от тока, что является основой применения этих приборов. На рабочем участке характеристики (от Imin до Imax) зависимость напряжения от тока характеризует дифференциальное сопротивление стабилитрона (см. рис. 2.11): Ri= dU = ∆U ст

Рис. Рис.2.11 2.11

dI

∆I ст

Оно составляет несколько десятков и даже единиц Ом, причем меньшая величина соответствует стабилитронам, имеющим рабочее напряжение 7…15 В и большой рабочий ток. При использовании стабилитрона для стабилизации напряжения его включают параллельно нагрузке R (рис. 2.12). В неразветвленную часть цепи включают ограничительный резистор, сопротивление r которого должно быть значительно больше дифференциального сопротивления стабилитрона Ri (чем больше отношение r/Ri, тем лучше стабилизация напряжения). Если напряжение питания во время работы может изменяться самопроизвольно в обе стороны относительно некоторого значения E0, то рабочую точку на характеристике стабилитрона выбирают посередине рабочего участка. Для компенсации температурного дрейфа напряжения прибегают к включению последовательно со стабилитроном термозависимого резистора R (Т), имеющего обратный темпераРис. 2.12 турный коэффициент (см. рис. 2.12). Для стабилитронов с положительным TKU для этой цели обычно используют .

22

р-n-переходы, включенные в прямом направлении. Подобные приборы с успехом применяют в качестве эталонных источников напряжения даже в переносной аппаратуре. 2.4.5. Варикапы Общие сведения. Варикап — это полупроводниковый диод, применяемый в качестве электрического конденсатора, управляемого напряжением. В варикапе используется зависимость емкости перехода от обратного напряжения. Схема включения варикапа показана на рис. 2.13, а. Обратное напряжение на варикап подается через разделительный высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование емкости варикапа малым внутренним сопротивлением источника питания. Изменяя величину обратного напряжения Uобр , можно регулировать емкость варикапа. Параллельно варикапу включают колебательный LC-контур, настройку которого регулируют с помощью варикапа. Для уменьшения влияния переменного напряжения колебательного контура на емкость варикапа часто применяют встречнопоследовательное включение идентичных варикапов (рис.2.13, б). Переменное напряжение поступает на варикапы в противофазе, поэтому вызываемые этим напряжением изменения емкости варикапов ΔС и —ΔС взаимно компенсируются, а результирующая емкость варикапов остается неизменной. Качество варикапа определяется: емкостью и пределами ее возможного регулирования с помощью приложенного обратного напряжения; добротностью и частотным диапазоном; температурной стабильностью емкости и Рис. 2.13 добротности. Применение варикапов. Благодаря возможности изменения емкости с помощью напряжения варикапы находят применение для настройки высокочастотных колебательных контуров и управления частотой генераторов гармонических колебаний. 2.4.6. Туннельные диоды В 1958 г. японским ученым Есаки было обнаружено, что p-n-структуры, имеющие очень большую концентрацию примесей (порядка 1019—1020 см-3), обладают аномальными характеристиками, показанными на рис. 2.14. В отличие от обычных диодов они хорошо проводят ток не только в прямом, но и в обратном направлении, а на прямой ветви их характеристики существует падающий участок. Аномальный ход характеристик сильно легированных р-nструктур обусловливается, как было установлено, туннельным эффектом, поэтому диоды подобного типа получили название туннельных.Как известно из 23

курса физики, частица, имеющая энергию, недостаточную для прохождения через потенциальный барьер, может все же пройти через него , если с другой стороны этого барьера имеется такой же свободный энергетический уровень, какой занимала частица перед барьером. Это явление называется туннельным эффектом Параметрами туннельного диода являются ток Imax в точке максимума (от нескольких миллиампер до нескольких ампер) и отношение максимального тока Imax к минимальному току Imin, (не превышающее пяти). Отрицательная дифференциальная проводимость диода (крутизна) S=dI/dU в центре падающего участка характеристики может достигать сотен миллиампер на вольт.

Рис. 2.14 Наличие отрицательной проводимости у туннельного диода указывает на возможность использования этого прибора для генерирования и усиления колебаний, преобразования сигналов и переключения. На рис. 2.14, а показана схема включения туннельного диода как усилителя, а на рис. 2.14, б — характеристика, поясняющая принцип ее работы. Благодаря отрицательному наклону вольт-амперной характеристики диода небольшое переменное напряжение Uвх приводит к появлению значительного переменного напряжения на нагрузке Uвых. Заметим, что, если сопротивление нагрузки R' имеет бо́льшую величину, чем отрицательное сопротивление диода, то рассмотренная схема превращается из усилительной в ключевую, так как точки устойчивого равновесия .А и Б у нее будут находиться на пересечении характеристики нагрузки с восходящими ветвями характеристики диода, а точка 0 является точкой неустойчивого равновесия. Напряжение питания ЕД должно быть при этом увеличено до Е′Д. В связи с тем что ток в туннельном диоде создается основными носителями, прохождение которых не связано с накоплением неравновесного заряда, прибор обладает чрезвычайно малой инерционностью. Предельная частота туннельного диода ограничивается лишь емкостью перехода, распределенным сопротивлением базы и индуктивностью выводов и может достигать сотен гигагерц. Отличительными особенностями туннельного диода являются также малое потребление мощности, устойчивость к радиационному излучению, малые габариты и масса. Влияние температуры на характеристику диода сравни24

тельно невелико. Эти качества туннельного диода обусловили его применение в радиоэлектронике. Однако существенным недостатком устройств на туннельных диодах является сильная электрическая связь между выходом и входом, что затрудняет во многих случаях использование туннельных диодов. Обращенные диоды. У диодов, имеющих концентрацию примеси в менее легированной области порядка 1018 см-3 в характеристике почти исчезает падающий участок, и она приобретает вид, показанный на рис. 2.15. При этом уровень Ферми находится у края валентной зоны и туннельный ток может проходить только при обратных напряжениях. Проводящему направлению у этих диодов соответствует обратная ветвь вольтамперной характеристики, а запирающему — прямая. Обращенные диоды Рис. 2.15 из арсенида галлия характеризуются следующими значениями параметров: максимальный ток в проводящем направлении Imax=З мА при напряжении U1<0,15 В, ток в запирающем направлении Imin=0,05…0,15 мА при напряжении U2<0,9 В. Поскольку ток в этих приборах создается основными носителями заряда, обращенные диоды могут работать на более высоких частотах, чем обычные полупроводниковые диоды. «Горизонтальный»участок характеристики на прямой ветви может быть использован для стабилизации тока в цепи. 2.4.7. Металлополупроводниковые диоды Общие сведения. Все рассмотренные ранее полупроводниковые диоды имеют в качестве основного структурного элемента, определяющего их свойства и возможности, электронно-дырочный переход. Так, несимметричность вольтамперной характеристики электронно-дырочного перехода используют в выпрямительных, высокочастотных и импульсных диодах, барьерную емкость перехода — в варикапах и варакторах, явление пробоя перехода — в стабилитронах и т. д. Однако, ряд подобных эффектов, например, несимметрия вольтамперной характеристики и наличие барьерной емкости, присущ также переходам «металл — полупроводник», выполненным с учетом определенных требований. В то же время такие металлополупроводниковые переходы обладают полезными отличительными свойствами. По этой причине в последние годы ведется разработка диодов, у которых основным структурным элементом, определяющим функциональные свойства прибора, является т-р- или m-n25

переход (буквой т обозначен металл, буквами р и п— соответственно полупроводник р-типа и n-типа). При изучении явлений в электронно-дырочных переходах приходилось сталкиваться с переходами т-р- и т-п-типов, обладающими электрическим сопротивлением, величина которого не зависит от направления тока (омические переходы). Для получения подобных переходов металл, наносимый в качестве электрода на поверхность электронного полупроводника, должен иметь работу выхода, меньшую работы выхода полупроводника (еφm<еφn); для электрода, наносимого на поверхность дырочного полупроводника, требуется металл с большей работой выхода (eφm>eφp). В этом случае в полупроводнике на границе с металлом образуется обогащенный основными носителями заряда слой, обеспечивающий высокую проводимость перехода независимо от направления тока. Если же взять для электрода металл с противоположным соотношением работ выхода (еφт>еφn или еφт<еφр), то на границе с электродом образуется обедненный основными носителями заряда слой полупроводника, обладающий несимметричной характеристикой, как у электронно-дырочного перехода. Подобные металлополупроводниковые переходы называют выпрямляющими. Типы металлополупроводниковых диодов. В последние годы была освоена технология получения переходов «металл — полупроводник» со стабильными свойствами, что привело к появлению различных типов металлополупроводниковых диодов (диодов Шоттки), обладающих рядом преимуществ. В качестве полупроводника в них обычно используется кремний, в качестве металла — молибден, алюминий, наносимые методом вакуумного испарения. Высокочастотные и импульсные диоды Шоттки имеют площадь перехода менее 20—30 мкм2 емкость — не более 1 пФ, очень малое распределенное сопротивление базы rб. Отсутствие инжекции неосновных носителей заряда и связанного с ними накопления неравновесного заряда в базе существенно повышает быстродействие импульсных металлополупроводниковых диодов. Поэтому время переключения у них составляет доли наносекунды, а предельная частота — десятки гигагерц. Мощные металлополупроводниковые диоды имеют большую площадь перехода, токи у них достигают десятков ампер, обратные напряжения - 500 В. Благодаря меньшему прямому напряжению (0,3В вместо 0,7 В у диодов р-птипа) мощные металлополупроводниковые диоды обеспечивают более высокий к. п. д., особенно у низковольтных выпрямителей. 2.5. Вопросы для самоконтроля 1. Как устроен полупроводниковый диод? 2. Как выглядит статическая вольтамперная характеристика диода? 3. Как влияет температура на вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов? 4. Каковы разновидности типов полупроводниковых диодов? 26

5. Что такое выпрямительный диод? 6. Каковы особенности высокочастотных диодов? 7. Как характеризуется быстродействие импульсного диода? 8. Для чего применяется и как устроен стабилитрон? 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 3.1. Общие сведения о биполярных транзисторах Устройство и принцип действия транзистора. Биполярным транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, имеющий два взаимодействующих электронно-дырочных перехода (рис. 3.1). В транзисторе чередуются по типу электропроводности три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типов р-п-р и п-р-п, принцип действия их одинаков. Одну из крайних областей транзисторной структуры легируют сильнее; ее используют обычно в режиме инжекции и называют эмиттером. Промежуточную область называют базой, а другую крайнюю область — коллектором. Основным назначением коллектора является экстракция носителей заряда из базовой области, поэтому размеры у него больше, чем у эмиттера. Электроннодырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным, а между коллектором и базой — коллекторным. Показанные на рис. 3.1 жирными линиями электроды создают омический контакт эмиттерной, базовой и коллекторной областей с соответствующими выводами.На эмиттер для обеспечения режима инжекции подается прямое напряжение UЭБ, а на коллектор, работающий в режиме экстракции,— обратное напряжение UКБ. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора носит название схемы с общей базой. Способы включения с общим эмиттером и с общим коллектором будут рассмотрены отдельно. Толщина базы w в транзисторе значительно меньше диффузионной длины дырок, благодаря этому основная часть дырок, инжектируемых эмиттером, пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают эмиттерному то27

ку Iэ: в его цепи ток, величина которого пропорциональна Iк=αIэ.Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более. Кроме того, в цепи коллектора протекает собственный обратный ток коллекторного перехода, имеющий небольшую величину. Его обозначают IКБО. Индекс «К» указывает, что это собственный обратный ток коллекторного перехода, индекс «Б» означает, что транзистор включен по схеме с общей базой, индекс «0» указывает, что ток измеряется при разомкнутой цепи эмиттера (обрыв). Как и в полупроводниковом диоде, собственный обратный ток коллекторного перехода имеет три составляющие: ток экстракции Iк0, термоток перехода Iкт и ток поверхностной проводимости перехода Iку: IКБО= Iк0+ Iкт+ Iку .Полный ток коллектора: Iк=αIэ+ IКБО. Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера. Изменение тока коллектора при изменении эмиттерного тока происходит с очень малой инерцией, если база достаточно тонкая. Это позволяет использовать транзистор не только на низких, но и на высоких частотах. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, может быть значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке R, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление током в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Эти качества в сочетании с малыми габаритами, высокой надежностью, долговечностью и экономичностью обусловили широкое применение транзисторов в современной электронной технике. 3.2. Распределение потенциала в биполярном транзисторе Будем рассматривать одномерную модель, т. е. транзистор, имеющий плоскопараллельные электроды большой протяженности, когда краевыми эффектами можно пренебречь. Концентрацию примесей в базе, эмиттере и коллекторе будем считать постоянной, что типично для сплавных транзисторов. В виду того, что концентрация примесей в эмиттерной, базовой и коллекторной областях транзистора велика, можно пренебречь сопротивлением этих областей по сравнению с сопротивлением эмиттерного и коллекторного переходов и 28

считать, что напряжения, приложенные к транзистору, действуют непосредственно на переходах, а в остальных областях поле отсутствует. Распределение потенциала в транзисторе при этом будет иметь вид, показанный на рис. 3.2. Рассматривается случай, когда к эмиттеру приложено прямое напряжение UЭБ , а к коллектору — обратное UКБ Потенциал базы принят равным нулю. 3.3. Статические характеристики биполярного транзистора Схема с общей базой. В транзисторах в качестве одной из независимых переменных обычно выбирают ток эмиттера, легче поддающийся регулированию, чем напряжение. Из характеристик наибольшее распространение получили входные и выходные характеристики транзистора. Входные характеристики. Входные характеристики транзисторов в схеме с общей базой Iэ=f(UЭБ) при UКБ=const . При большом обратном напряжении коллектора ток мало зависит от коллекторного напряжения. На рис. 3.3, а показаны реальные входные характеристики германиевого транзистора. Они соответствуют теоретической зависимости, подтверждается и вывод о слабом влиянии коллекторного напряжения на ток эмиттера. Начальная область входных характеристик, построенная в соответствии с теоретической зависимостью, показана на рис. 3.3, а крупным масштабом (в окружности). Отмечены токи I11 и I12, а также эмиттерный ток закрытого транзистора IЭотс=I11+I12 ,протекающий в его цепи при обратных напряжениях эмиттера и коллектора. Реальные характеристики транзистора в начальной области несколько отличаются от теоретических. Обратный ток эмиттера при короткозамкнутом коллекторе, обозначаемый IЭБК, отличается от тока экстракции I11 и наличием еще двух составляющих: термотока Iэт и тока поверхностной проводимости Iэу: IЭБк=I11+IЭт+IЭу. Обратный ток эмиттера при обратном напряжении коллектора: IЭБU= I11- I12 +IЭт+IЭу =IЭБК -I12 . Входные характеристики кремниевого транзистора показаны на pиc. 3.3,б Они смещены от нуля в сторону прямых напряжений; как и у кремниевого диода, смещение равно 0,6—0,7 В. По отношению к входным характеристикам германиевого транзистора смещение составляет ~0,4 В.

29

Выходные характеристики. Теоретические выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой Iк=f(Uкб) при Iэ=const. Они представлены на рис.3.4,а. Вправо по горизонтальной оси принято откладывать рабочее, т. е. обратное, напряжение коллектора (отрицательное для транзисторов типа р-п-р и положительное для транзисторов типа п-р-п). Значения протекающего при этом тока коллектора откладывают по вертикальной оси вверх. Такой выбор осей координат выгоден тем, что область характеристик, соответствующая рабочим режимам, располагается при этом в первом квадранте, что удобно для расчетов. Если ток эмиттера равен нулю, то зависимость Iк=f(Uкб) представляет собой характеристику электронно-дырочного перехода: в цепи коллектора протекаетнебольшой собственный обратный ток Iк0. При UЭБ=O собственный обратный ток коллектора IкБк=I22+Iкт+IКу. При прямом напряжении коллектора ток изменяет направление и резко возрастает-открывается коллекторный переход (в целях наглядности на рис.3.4 , а для Рис. 3.4 положительных напряжений взят более крупный масштаб). Если же в цепи эмиттера создан некоторый ток I` э, то уже при нулевом напряжении коллектора в его цепи протекает ток IК=αI'э, обусловленный инжекцией дырок из эмиттера. Поскольку этот ток вызывается градиентом концентрации дырок в базе, для его поддержания коллекторного напряжения не требуется. При подаче на коллектор обратного напряжения ток его несколько возрастает за счет появления собственного тока коллекторного перехода IкБо и некоторого увеличения коэффициента переноса v, вызванного уменьшением толщины базы. При подаче на коллектор прямого напряжения появляется прямой ток коллекторного перехода. Так как он течет навстречу току инжекции αI'э, то результирующий ток в цепи коллектора с ростом прямого напряжения до величины Uко быстро уменьшается до нуля, затем при дальнейшем повышении прямого напряжения коллектора приобретает обратное направление и начинает быстро возрастать. Если увеличить ток эмиттера до значения I′′э, то характеристика Iк=f(Uкб) сместится пропорционально вверх на величину α (I′′э —I'э) и т. д.

30

На рис. 3.4, б представлены реальные выходные характеристики транзистора МП14; они имеют такой же вид, как и теоретические, с учетом поправок на термоток перехода и ток его поверхностной проводимости . Коэффициент передачи тока эмиттера. Как показывает опыт, коэффициент передачи тока α зависит от величины тока эмиттера (рис. 3.5).

Рис.3.5

С ростом тока эмиттера увеличивается напряженность внутреннего поля базы, движение дырок на коллектор становится более направленным, в результате уменьшаются рекомбинационные потери на поверхности базы, возрастает коэффициент переноса v, а следовательно, и α. При дальнейшем увеличении тока эмиттера снижается коэффициент инжекции и растут потери на объемную рекомбинацию, поэтому коэффициент передачи тока α начинает уменьшаться. В целом зависимость коэффициента передачи тока α от тока эмиттера в маломощных транзисторах незначительна, в чем можно убедиться, обратив внимание на масштаб по вертикальной оси (рис. 3.5). В транзисторах, работающих при высокой плотности тока, наблюдается значительное падение напряжения вдоль базы, обусловленное током базы; в результате напряжение в точках эмиттерного перехода, удаленных от вывода базы, оказывается заметно меньшим, чем в близлежащих. 3.4. Предельные режимы биполярного транзистора Рабочий диапазон температур .Для нормальной работы транзистора необходимо, чтобы в каждой из его областей — эмиттерной, базовой и коллекторной — преобладала электропроводность одного типа — дырочная или электронная. При повышении температуры транзистора это соотношение электропроводностей может нарушиться и тогда он теряет работоспособность. Максимальная рабочая температура определяется энергией ионизации атомов основного вещества и концентрацией примесей.

31

С ростом температуры увеличивается количество ионизированных атомов основного вещества, концентрация неосновных носителей заряда приближается к концентрации основных носителей и работоспособность транзистора нарушается. Чем выше энергия ионизации основного вещества и больше концентрация примеси, тем выше максимальная рабочая температура транзистора. Расчет и экспериментальные исследования показывают, что максимальная рабочая температура германиевых транзисторов может лежать в пределах 70…100°С, а для транзисторов из кремния, имеющего большую ширину запрещенной зоны, чем германий, максимальная рабочая температура может составлять 125…200°С. Минимальная температура, при которой транзистор еще может работать, определяется энергией ионизации примесей и их концентрацией. Так как энергия ионизации примесей очень невелика (0,05…0,01 эВ), то минимальная рабочая температура транзистора теоретически составляет около —200°С. Фактически нижний предел температуры ограничивается термоустойчивостью корпуса и допустимыми изменениями параметров, поэтому его величина обычно равна (60 …70)°С. Необходимо иметь в виду, что изменение температуры транзистора в пределах рабочего диапазона также существенно сказывается на его рабочих свойствах, что может вызвать температурную нестабильность параметров транзисторной аппаратуры. Поэтому при проектировании и эксплуатации следует учитывать влияние температуры на характеристики и параметры транзисторов. Максимально допустимая непрерывно рассеиваемая мощность транзистора определяется теплом, выделяемым в нем. При прохождении тока через транзистор тепло выделяется в основном в коллекторном переходе, обладающем наибольшим электрическим сопротивлением по сравнением с другими областями транзисторной структуры, поэтому наибольшую температуру во время работы транзистора имеет его коллекторный переход. Отвод тепла от перехода в транзисторе, так же как и в полупроводниковом диоде, происходит главным образом за счет теплопроводности, и мощность рассеяния транзистора определяется следующим соотношением: Pк=

TП − T0 RT + RT 0

Здесь ТП — температура коллекторного перехода транзистора; Т0

— температура окружающей среды; RT — тепловое сопротивление транзистора, определяющее передачу тепла от коллекторного перехода к корпусу транзистора и зависящее от теплопроводности материалов, из которых изготовлен транзистор, и его конструкции; RT0 — тепловое сопротивление теплоотвода, определяющее передачу тепла от корпуса транзистора в окружающую среду и зависящее от конструкции теплоотвода, теплопроводности материала, из которого он изготовлен, и качества теплового контакта корпуса транзистора с теплоотводом.

32

Максимальная мощность рассеяния транзистора определяется максимально допустимой температурой его коллекторного перехода ТПmax и температурой окружающей среды Т0. При пренебрежимо малом тепловом сопротивлении теплоотвода RT0
Pкmax=

TП max − T0 . Максимально допустимая температура RT

коллекторного перехода составляет 70…100°С для германиевых и 125…200°С для кремниевых транзисторов. Для конкретных типов приборов она указывается в справочниках. 3.5. Предельные импульсные параметры транзистора Импульсный нагрев. При прохождении через транзистор с включенным в цепь коллектора резистором нагрузки R периодических прямоугольных импульсов тока Iк длительностью t1 с частотой следования F (рис.3.6, а) напряжение коллектора изменяется, как показано на рис.3.6,б, от Eк до Uкн=Eк-RIк , а в транзисторе выделяется в течение импульса мощность Pки=UкнIк+UэбIэ, идущая на нагрев транзистора. Мощностью, выделяющейся в течение паузы, обычно можно пренебречь. При этом температура коллекторного перехода изменяется, как показано на в) Рис. 3.6

рис.3.6,в. В течение импульса тока температура перехода повышается, а в течение паузы переход охлаждается. Если длительность импульса достаточно мала по сравнению с временем установления теплового режима, то температура перехода в течение импульса может не достигнуть установившегося значения, следовательно, она зависит от длительности импульса тока t1. Температура, до которой охлаждается транзистор в течение паузы, зависит от длительности паузы t2.Таким образом, для описания тепловых свойств транзистора в импульсном режиме недостаточно одного параметра — теплового сопротивления— и соотношение Pк=

TП − T0 в импульсном режиме теряет смысл. RT + RT 0

3.6. Дифференциальные параметры транзисторов Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений, называют дифференциальными параметрами транзистора. Для того чтобы ввести дифференциальные параметры, транзистор представляют в общем виде как устройство, на входе которого действуют напряжение U1 и ток I1, а на выходе — напряжение U2 и ток I2 (рис. 3.7). Такую модель, называемую четырехполюсником, широко применяют при исследованиях и разработках.

33

В зависимости от схемы включения — транзистора величинам U1, I1, U2, I2 соответствуют те или иные реальные токи и напряжения. В отношении выбора независимых и зависимых переменных возможны шесть вариантов, наибольшее практическое применение находят три системы: h-, Y-, Z-параметров. Система h-параметров В качестве независимых переменных в этой системе выбирают входной ток I1 и выходное напряжение U2: U1=f(I1, U2), I2=f(I1, U2). Тогда dU1=

∂U 1 ∂U 1 dI 1 + dU 2 , ∂I 1 ∂U 2

dI2=

∂I 2 ∂I dI 1 + 2 dU 2 ∂I1 ∂U 2

.

Зададим приращения независимых переменных dI1 и dU2 в виде малых гармонических колебаний с комплексными амплитудами I&1 и U&2 . При этом приращения зависимых переменных dU1 и dI2 будут представлять собой также гармонические колебания, обозначим их комплексные амплитуды U&1 и I&2 . Частные производные перед независимыми переменными для случая гармонических колебаний обозначают символами h11, h12, h21, h22. Тогда уравнения приобретают такой вид: U&1 = h11 I&1 + h12U&2 , I&2 = h21 I&1 + h22U&22 . Отсюда вытекают смысл и наименование h-параметров: U&

h11= &1 I1

U& I&2 = 0

—входное

сопротивление транзистора при коротком замыкании на выходе для переменной составляющей тока;

Рис. 3.7 h12= &1 U2

U&2 =0

—коэффициент обратной связи по напряжению при

ра-

зомкнутом входе для переменной составляющей тока (отношение переменных напряжений на входе и выходе, вызывающих одинаковый по величине и противоположный по направлению входной ток); I&

h21= &2 U& =0 I1 2

—дифференциальный коэффициент передачи тока

(отношение переменной составляющей выходного тока к вызвавшей его переменной составляющей входного тока) I&

h22= &2 U2

I& 1 =0

—выходная проводимость транзистора при разомк-

нутом входе для переменной составляющей тока (холостой ход входной цепи). Система h-параметров носит название смешанной (гибридной) системы, так как ее параметры имеют различную размерность.

34

Величина параметров транзистора зависит от способа его включения, поэтому как в данной системе, так и в других в обозначении параметра с помощью третьего индекса б, э, к отмечают схему включения. Для схемы с общим эмиттером, являющейся основной, третий индекс иногда опускают. Систему h-параметров обычно используют на низких частотах, когда пренебрежимо малы емкостные составляющие токов. Необходимые для измерения параметров режимы короткого замыкания и холостого хода для переменной составляющей тока могут быть осуществлены на этих частотах сравнительно просто. Поэтому в технических условиях и справочниках по транзисторам низкочастотные параметры обычно приводятся в системе h. Низкочастотные значения h-параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик. Параметры h22 и h21 определяют по выходным характеристикам транзистора . Должна быть задана или выбрана рабочая точка . Система Y-параметров. Токи в этой системе считают функциями напряжений: I 1= f (U 1,U 2), I 2= f (U 1,U 2). Тогда:

∂I 2 dU 2 . ∂U 2 Приращения независимых переменных dU 1 и dU 2 можно рассматривать dI 1 =

∂ I1 ∂ I1 dU 1 + , ∂U 1 ∂U 2

dI 2 =

как малые переменные напряжения высокой частоты с комплексными амплитудами U&1 и U&2 . В этом случае приращения dI 1 и dI 2 будут представлять собой также гармонические колебания с комплексными амплитудами I&1 , I&2 , а частные производные перед приращениями независимых переменных - комплексные проводимости. Обозначим их соответственно Y 11 , Y 12 , Y 21, Y 22 . В результате можно записать:

I&1 = Y11U&1+Y12U&2 , I&2 = Y21U&1 + Y22U&2 . Здесь:

I&1 U&=0 − входная проводимость транзистора; U&1 2 I& = 1 − проводимость обратной передачи транзистора; U&2 U&1 = 0

Y11 = Y12

Y21=

I&2 U&1

U&2 = 0

Y22=

I&2 U&2

U&1 = 0

− проводимость прямой передачи транзистора; − выходная проводимость транзистора.

Все Y-параметры определяются в режиме короткого замыкания для переменной составляющей тока на противоположной стороне четырехполюсника: на входе для Y22 и Y12, а на выходе для Y11 и Y21.

35

Система Y-параметров используется для описания высокочастотных свойств транзисторов, т. к. режим измерения этих параметров на высокой частоте реализовать сравнительно просто. Система Z – параметров. Независимыми переменными в этой системе будут токи I1, I2 и по аналогии с Y-параметрами можно записать систему уравнений: U&1=Z11I&1+Z12I&2 , U&2=Z21I&1+Z22I&2 . В этой системе соответственно через Z11, Z12, Z21, Z22 обозначены входное сопротивление транзистора, сопротивление обратной передачи, сопротивление прямой передачи и выходное сопротивление транзистора. Все Z-параметры определяются в режиме разомкнутой цепи (холостого хода) для переменной составляющей тока на противоположной стороне четы& рехполюсника: на входе ( I& 1 ) для Z22 и Z12, на выходе ( I 2= 0 ) для Z11 и Z21. Недостатком этих параметров является сложность реализации режима холостого хода при их измерении. Поэтому система Z- параметров имеет сравнительно ограниченное применение. 3.7. Вопросы для самоконтроля 1. Каково устройство биполярного транзистора? 2. Приведите схему распределения потенциала в этом приборе. 3.Что такое статическая характеристика биполярного транзистора? 4.Как выглядят входные характеристики биполярного транзистора? 5.Приведите пример выходных характеристик этого транзистора. 6. Что такое коэффициент передачи тока эмиттера? 7. Что такое предельные режимы работы биполярного транзистора? 8. Каковы предельные импульсные параметры биполярного транзистора? 9. Для чего применяются дифференциальные параметры? 10.Когда используются Y-параметры? 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ 4.1. Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом Полевые транзисторы представляют собой полупроводниковые приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом основных носителей заряда под действием продольного электрического поля. Управление током в полевых транзисторах осуществляется путем изменения электропроводности токопроводящего участка полупроводника поперечным электрическим полем. Это поле создается напряжением, приложенным к управляющему электроду. В настоящее время промышленностью выпускаются два типа полевых транзисторов: с управляющим р-п-переходом и с изолированным затвором структуры металл-диэлектрик-полупроводник, называемые кратко МДПтранзисторами.

36

Полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом могут быть изготовлены на основе кристалла полупроводника п- или p-типа. Упрощенная структура кристалла полевого транзистора с управляющим p-n-переходом, изготовленного на основе полупроводника n-типа, показана на рис. 4.1. Транзистор состоит из области n-типа и двух областей p-типа. Области p-типа соединяются вместе и образуют управляющий электрод, называемый затвором (З). На границах раздела полупроводников п- и р-типа образуются запирающие слои, обладающие высоким сопротивлением. Часть полупроводниковой области nтипа, заключенную между р-nпереходами, называют каналом (К). Если к каналу подсоединить внешний источник постоянного тока, в канале создается продольное электрическое поле, под действием которого электроны в канале перемещаются в сторону положительного полюса источника напряжения. Рис. 4.1 Полупроводниковая область, от которой начинают движение основные носители заряда в канале, называется истоком (И), а область, к которой эти носители движутся, - стоком (С). Движение основных носителей заряда в канале за счет напряжения на стоке относительно истока Uс.и обусловливает прохождение тока в канале и в цепи стока Iс. На затвор относительно истока подается напряжение Uз.и, смещающее рn-переходы затвор-канал в обратном направлении. При увеличении напряжения источника Uз.и смещающее обратное напряжение на р-n-переходах увеличивается, запирающие слои расширяются, уменьшая сечение канала. При этом электропроводность канала и проходящий через него ток уменьшаются. Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, проходящим через канал полевого транзистора. При некотором напряжении на затворе может произойти смыкание областей объемного заряда, т.е. канал перекрывается. Напряжение на затворе (при Uс.и = 0), при котором канал перекрывается, называется напряжением отсечки и обозначается Uз.и.отс. Таким образом, ширина канала, определяющая его сопротивление, и ток стока Iс зависят от напряжений Uз.и и Uс.и.

37

Входное сопротивление полевого транзистора велико, поскольку управляющий р-nпереход включается в обратном направлении. Поэтому в цепи затвора проходит небольшой ток затвора Iз. Большое входное сопротивление поРис. 4.2 левых транзисторов является существенным преимуществом по сравнению с биполярными. На рис. 4.2, а дано условное графическое изображение и схема включения полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, а на рис.2,б- с каналом p-типа. 4.2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим р-n-переходом Семейство стоковых (выходных) характеристик полевого транзистора, выражающих зависимость Iс =f(Uс.и) при Uз.и = const. изображено на рис. 4.3. Рассмотрим стоковую характеристику, снятую при UЗИ = 0. Увеличение напряжения UСИ сопровождается уменьшением площади сечения канала и увеличением его сопротивления, что приводит к замедлению роста тока Iс. При некотором напряжении на стоке, обозначаемом UСИ. ПЕР и называемом напряжением перекрытия, канал в области стока почти перекрывается. Ток стока, при котором перекрывается канал, называют начальным и обозначают IС.НАЧ.

Рис. 4.3

38

Если к затвору полевого транзистора приложить напряжение Uз.и, смещающее p-n-переход в обратном направлении, то перекрытие канала наступит при меньшем значении напряжения Uс.и. Это объясняется тем, что к р-ппереходу между затвором и стоком прикладывается обратное напряжение, равное │Uз.и│+│ Uс.и│.Полного перекрытия канала путем увеличения напряжения Uс.и получить нельзя, поскольку само перекрытие является следствием прохождения тока стока. В результате автоматически устанавливается некоторая малая ширина канала. Область стоковых характеристик, соответствующая напряжениям 0< UСИ< U′. называется крутой или омической. Последнее название связано с тем, что дифференциальное сопротивление канала полевого транзистора в данной области определяется напряжением на затворе. Вследствие этого полевые транзисторы широко используются в качестве переменных резисторов, управляемых электрическим способом. Участки стоковых характеристик, снятые при UСИ>U′СИ.ПЕР соответствуют перекрытию канала (или насыщению). При напряжении UСИ, большем напряжеРис. 4.4 ния перекрытия, увеличиваются длина перекрытой части канала и его сопротивление (рис. 4). Если бы длина перекрытой части канала линейно зависела от напряжения UСИ, то с ростом напряжения UСИ пропорционально увеличивалось бы сопротивление канала, а проходящий через него ток стока оставался постоянным. На самом деле длина перекрытой части канала зависит от напряжения UСИ так же, как глубина проникновения области объемного заряда в канал. Длина перекрытой части канала и его сопротивление пропорциональны U СИ и увеличиваются с ростом напряжения UСИ более медленно. Поэтому в области перекрытия канала увеличение напряжения UСИ сопровождается небольшим возрастанием тока стока. При некотором напряжении UСИ наблюдается резкое увеличение тока стока, свидетельствующее о пробое р-п-перехода. Такой пробой имеет электрический характер и всегда происходит между затвором и стоком, поскольку напряжение между этими электродами максимальное. Если электрический пробой является кратковременным и не успевает развиться тепловой пробой, то после уменьшения напряжения на стоке или затворе свойства р-n-перехода и полевого транзистора восстанавливаются. Начальный ток стока IС.НАЧ и напряжение отсечки UЗИ.ОТС определяются размерами и физическими параметрами полупроводникового кристалла (под39

вижностью основных носителей, диэлектрической проницаемостью), а также законом распределения примесей в канале. 4.3.Характеристика управления полевого транзистора Статическая вольтамперная характеристика передачи, называемая также стоко-затворной, проходной или характеристикой управления полевого транзистора, отображает зависимость IС = f(UЗ.И) при UСИ=const в режиме перекрытия канала. Она может быть получена экспериментально или путем перестроения стоковых характеристик, как показано на рис. 4.5. Вид характеристики показывает, что при увеличении напряжения UЗИ, смещающего р-n-переход в обратном направлении, ток стока уменьшается, а при UЗИ =UЗИ.НОМ ток стока становится равным нулю. Характеристика Рис. 4.5 передачи полевого транзистора может быть использована для определения напряжения отсечки. Однако вследствие того, что при приближении к напряжению отсечки ток Iс мал и за счет обратного тока p-n-перехода никогда не становится точно равным нулю, такой способ определения напряжения отсечки оказывается приблизительным. Входные характеристики. Входные, или затворные, характеристики полевых транзисторов выражают графическую зависимость IЗ =f(UЗИ) при UСИ=const. На рис. 4.6 показана входная характеристика полевого транзистора с управляющим р-n-переходом и каналом n-типа. При рабочих напряжениях на затворе р-n-переход затвор-канал смещается в обратном направлении и входной ток транзистора незначителен (для транзисторов малой мощности измеряется единицами и долями микроампера). Рис. 4.6 При прямом смещении на затворе р-nпереход затвор-канал отпирается и входной ток резко увеличивается. Изменение напряжения UСИ влияет на распределение поля в канале. Однако связанные с этим изменения тока обратно смещенного перехода малы и практически не учитываются. Поэтому зависимо-

40

сти IЗ =f(UЗИ) при различных напряжениях UСИ мало отличаются друг от друга, вследствие чего представляются одной характеристикой. 4.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором В полевых транзисторах с изолированным затвором затвор изготавливается в виде металлической пластины, изолированной пленкой диэлектрика от полупроводника. Роль канала в таких транзисторах выполняет тонкий поверхностный слой кристалла с измененным типом электропроводности. В зависимости от способа изменения типа электропроводности на поверхности кристалла различают транзисторы с индуцированным и встроенным каналами. Такие приборы называют МДП-транзисторами, подчеркивая, что они имеют структуру металл-диэлектрик—полупроводник. В транзисторах, изготовленных на основе кремния, в качестве диэлектрика обычно используется диоксид кремния SiO2, поэтому такие МДП-транзисторы часто называют МОПтранзисторами. 4.4.1. МДП-транзисторы с индуцированным каналом Устройство и принцип действия. Упрощенная структура МДП-транзистора с индуцированным каналом ртипа показана на рис. 4.7, а. В полупроводнике n-типа, называемом подложкой, методом диффузии образованы Рис. 4.7 две р+-области, не имеющие между собой электрического соединения. Одна из них называется стоком, другая — истоком. Эти области отделены друг от друга двумя включенными встречно p-n-переходами, образованными на границах р- и n-областей. Поэтому, если между стоком и истоком включить источник постоянного напряжения UСИ, то в цепи пойдет очень малый ток, обусловленный обратным током p-nпереходов.На рис. 4.7 представлена структура кристалла полупроводника МДП-транзистора с индуцированным каналом р-типа. Из-за этого в приповерхностном Рис.4.8 слое образуются свободные уровни — дырки. При некотором значении внешнего напряжения на затворе концентрация дырок в этом слое может оказаться больше, чем концентрация электронов. Произойдет инверсия типа электропроводности. Слой с инверсной дырочной электропроводностью, отделенный от полупроводника п-типа областью, обедненной свободными носителями 41

заряда, соединяет p+-области стока и истока, т. е. служит каналом. Если между стоком и истоком включить внешний источник напряжения UСИ, то при некотором значении напряжения на затворе, которое называется пороговым (UСИ.ПОР), в цепи сток-исток пойдет электрический ток. В канале транзистора этот ток обусловлен движением дырок. Так как дырки должны двигаться от истока к стоку, источник внешнего напряжения UСИ следует подключать отрицательным полюсом к стоку, а положительным - к истоку (см. рис. 4.7, б). Из-за падения напряжения на канале при прохождении по нему тока электрическое поле вблизи истока оказывается больше, чем вблизи стока, вследствие чего канал у истока шире, чем у стока. При увеличении отрицательного напряжения на затворе глубина проникновения инверсного слоя в полупроводник будет увеличиваться. Это приведет к увеличению электропроводности канала и к росту тока стока. Режим работы полевого транзистора, при котором увеличение абсолютного значения напряжения на затворе приводит к увеличению тока стока, называется режимом обогащения. Следовательно, МДП-транзисторы с индуцированным каналом могут работать только в режиме обогащения и поэтому называются полевыми транзисторами обогащенного типа. Если на затвор МДП-транзистора с рассмотренной структурой подать положительное напряжение, произойдет приток электронов к поверхности полупроводника, р-области стока и истока окажутся разделенными областью с электропроводностью n-типа и ток стока уменьшится до очень малого значения, определяемого обратным током включенных встречно р-n-переходов. 4.4.2. Статические характеристики МДП-транзисторов с индуцированным каналом. На рис. 4.8 показаны статические выходные (стоковые) характеристики МДП-транзистора с индуцированным каналам р-типа. Эти характеристики снимаются при напряжениях на затворе, превышающих пороговое напряжение. Если бы с ростом напряжения UСИ ширина индуцированного канала не изменялась, его сопротивление оставалось бы постоянным, а зависимость IС =f(UСИ) - линейной. Но при увеличении тока стока увеличивается падение напряжения на сопротивлении канала, вследствие чего он вблизи стока сужается. Когда ток стока достигает определенного значения, канал вблизи стока также почти перекрывается и происходит ограничение тока стока, как в транзисторах с управляющим p-n-переходом. При увеличении отрицательного напряжения на затворе стоковые характеристики смещаются вверх. Это обусловлено увеличением ширины канала и его электропроводности. 4.4.3. Ключевой режим МДП-транзистора По сравнению с биполярными транзисторами у МДП-транзисторов необходимо отметить высокое быстродействие, обусловленное отсутствием в канале неравновесных носителей заряда и малыми величинами входной и выходной емкостей (время переключения 1 … 0,4 нс). Высокое быстродействие сочетается с достаточно большими токами переключения (до 10 А за 15 нс). 42

Следует отметить также низкое сопротивление открытого канала, дающего возможность коммутировать сигналы в низкоомных цепях, а также возможность параллельного включения транзисторов для увеличения переключаемой мощности. 4.5. Вопросы для самоконтроля 1. Какие транзисторы называются полевыми? 2. Из каких основных элементов состоит полевой транзистор? 3. Какие существуют способы изоляции канала от затвора? 4. Как устроен полевой транзистор с p-n-затвором? 5. Начертите вольтамперную характеристику полевого транзистора с p-n – затвором. 6. Каково устройство транзистора типа МДП? 7. В чем особенность МДП-транзисторов с индуцированным каналом? 8. Каковы особенности ключевого режима МДП-транзисторов? 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ 5.1. Устройство и принцип действия диода Устройство двухэлектродной лампы, или высоковакуумного диода, показано на рис. 5.1. В герметичный баллон, в котором создан высокий вакуум, помещены два электрода — катод и анод. Катод в простейшем виде представляет собой тонкую металлическую нить, нагреваемую электрическим током. При высокой температуре электроны в металле имеют значительную энергию теплового движения, поэтому часть их, преодолевая силы притяжения к металлу, вылетает из него — возникает термоэлектронная эмиссия. При положительном относительно катода потенциале анода Uа в междуэлектродном пространстве лампы создается электрическое поле, ускоряющее движение электронов, эмиттируемых катодом, к аноду. В цепи .анода возникает электрический ток Iа, называемый анодным. При отрицательном потенциале анода электрическое поле тормозит испускаемые электроны и возвращает их обратно на катод. В результате анодный ток оказывается равным нулю. Таким образом, характерным свойством диода является односторонняя проводимость, что широко используют для выпрямления переменного тока и 43

преобразования высокочастотных колебаний. Баллон лампы, внутри которого помещаются электроды и создается вакуум, делают из стекла или керамики, иногда из металла. Выводы катода и анода, проходящие сквозь стекло баллона, должны быть герметично спаяны со стеклом, чтобы не нарушался вакуум в лампе. (Вакуум — разреженное состояние газа. Высокий вакуум — разрежение, при котором длина свободного пробега частиц (в данном случае электронов) превышает размеры баллона.) Поэтому их выполняют из металлов и сплавов (молибден, ковар, платинит), имеющих такой же коэффициент температурного расширения, что и стекло. При практическом применении лампы выводы оберегают от чрезмерных механических усилий и перегрева, так как это может привести к появлению микротрещин, нарушению герметичности спая и попаданию воздуха в лампу, в результате чего она быстро выходит из строя. В конце процесса откачки производят активирование катода. Затем внутри лампы распыляют путем индукционного нагрева газопоглотитель (геттер), который служит для поддержания высокого вакуума в отпаянной лампе. В качестве активного вещества в газопоглотителе чаще всего используют барий, который, испаряясь, связывает часть оставшегося в баллоне лампы воздуха и дополнительно улучшает вакуум. Параметры катода. Качество термоэлектронного катода определяется рядом параметров, важнейшими из которых являются предельный катодный ток и эффективность. Катодным током называется электронный ток, идущий от катода к другим электродам лампы (в диоде он равен току анода); предельную величину катодного тока в условиях эксплуатации в целях обеспечения высокой долговечности катода берут значительно меньше тока эмиссии. Эффективность катода Н характеризуют отношением предельного катодного тока Iкmах к мощности, затрачиваемой на накал катода:Н = Iкmах/UнIн. Способы накала катодов. Катоды электронных ламп по способу накала подразделяют на прямонакальные и подогревные. В простейшем случае прямонакальный катод − это металлическая нить, закрепленная концами в массивных держателях, б) по которым к катоду подводится ток накала (рис.5.2, а). Пружинки, удерживающие нить в точках изгиба, обеспечивают натяжение в) нити при удлинении в результате нагрева. a) Наиболее развитой поверх.Рис.5.2 ностью при высокой механической прочности обладают сетчатые катоды, у которых эмиттирующая поверхность сплетена из металлических нитей (рис.2, б). 44

Вследствие малой тепловой инерции прямонакальные катоды маломощных ламп допускают нагрев лишь постоянным током. При питании переменным током температура нити катода изменяется, что вызывает пульсацию тока эмиссии и тока анода. Пульсация тока анода обусловлена также тем, что в рассматриваемом случае потенциал катода оказывается переменным относительно анода. Подогревные катоды (рис.2, в) появились в 1921 г. Нагрев эмиттера Э, нанесенного на гильзу катода Г, осуществляют вольфрамовым подогревателем П, накаливаемым до высокой температуры электрическим током. Подогреватель электрически изолирован от гильзы катода слоем алунда, представляющим собой окись алюминия и отличающимся хорошими изоляционными качествами при высокой температуре. Обладая большой массой, подогревные катоды имеют значительную тепловую инерцию. Электрическая изоляция эмнттирующей поверхности от подогревателя обеспечивает эквипотенциальность эмиттера и отсутствие нежелательной составляющей переменного напряжения накала в анодной цепи. При бифилярной намотке подогревателя оказывается незначительным и магнитное поле накала, которое может вызывать пульсацию анодного тока. Благодаря сказанному подогревные катоды пригодны для нагрева переменным током. Однако эффективность их вследствие непроизводительных потерь тепла с неэмиттирующих участков катода в несколько раз ниже, чем прямонакальных катодов, изготовленных из такого же материала. Из-за тепловой инерции подогревные катоды имеют время разогрева от 5 с до нескольких минут. Катоды из чистых металлов.Из уравнения термоэлектронной эмиссии следует, что для получения достаточно большого тока металл необходимо сильно нагреть. Однако при этом материал катода интенсивно испаряется и долговечность катода снижается. Поэтому лишь немногие металлы и сплавы пригодны для изготовления катодов. В первую очередь к ним относится вольфрам. Вольфрамовые катоды до недавнего времени широко применяли в мощных высоковольтных лампах, в настоящее время они почти полностью вытеснены пленочными и полупроводниковыми катодами, имеющими высокую эффективность. Пленочные катоды. Эмиссионная способность металла может быть существенно увеличена путем нанесения на его поверхность тонкой пленки металла, имеющего меньшую работу выхода. Такие катоды называют пленочными. Примером является карбидированный катод из вольфрама с примесью окиси тория (0,5— 2%). Поверхностный слой катода состоит из карбида вольфрама, покрытого тонкой пленкой атомов тория, диффундирующих при активировании на поверхность из Рис.5. 3 толщи катода (рис. 5. 3). 45

Слой карбида вольфрама повышает стойкость и долговечность катода, так как на поверхности этого слоя атомы тория держатся прочнее, чем на поверхности чистого вольфрама. Атомы тория, отдав свои валентные электроны атомам вольфрама, имеющего большую работу выхода, чем торий, располагаются на поверхности катода в виде положительных ионов. Между слоем ионов и поверхностью катода создается ускоряющее электрическое поле. Поэтому работа выхода электронов у такого катода меньше, чем у чистого тория, а эффективность значительно выше, чем у вольфрамового катода. Карбидированный катод при рабочей температуре 1950—2000 К имеет эффективность до 50—70 мА/Вт и плотность тока эмиссии до 1,5 А/см2. Активированный слой карбидированного катода достаточно стоек и не разрушается под действием ионной бомбардировки при напряжениях анода до 10—15 кВ. Однако карбидированный вольфрам более хрупок, чем чистый; он имеет склонность покрываться трещинами при многократном нагреве и охлаждении вследствие различия коэффициентов расширения вольфрама и карбида вольфрама. Ресурс карбидированного катода доходит до нескольких тысяч часов. Он определяется не перегоранием нити катода, а истощением активного слоя на его поверхности. При нормальных условиях испаряющиеся с поверхности катода атомы тория непрерывно замещаются атомами, диффундирующими из толщи катода, где имеется некоторый запас тория. При длительной работе эта диффузия ослабевает, так как изменяется кристаллическая структура вольфрама: кристаллы становятся крупнее и число путей для диффундирующих атомов уменьшается. Снижается запас тория в толще катода. В результате пополнение испаряющихся с поверхности катода атомов тория замедляется, размеры активного слоя уменьшаются и эмиссия катода ухудшается. Другой, часто более важной, причиной выхода катода из строя является испарение с его поверхности карбида вольфрама, также приводящее к снижению эмиссионной способности. Полупроводниковые катоды. Из полупроводниковых катодов наибольшее распространение получил оксидный катод. Оксид, представляющий собой смесь окислов бария и стронция, а иногда и кальция, в виде пористого белого покрытия толщиной w=20—100 мкм наносят на никелевое или вольфрамовое основание-керн (рис.5. 4). В кристаллической решетке оксида, состоящей из двухвалентных положительных ионов металла и отрицательных ионов ки46

слорода, равномерно распределены атомы чистого бария, которые образуются во время активирования катода за счет термической диссоциации, электролиза и химического взаимодействия окиси бария с керном и его присадками. В значительном количестве атомы бария находятся на поверхности оксида и в приповерхностном слое. На эмиссию оксидного катода оказывает сильное влияние ускоряющее поле анода, проникающее в оксидный слой и уменьшающее работу выхода электронов. В отдельных точках катода из-за большой шероховатости поверхности напряженность электрического поля значительно выше среднего значения. Проникая внутрь пор оксидного покрытия, электрическое поле дополнительно увеличивает ток эмиссии из этих пор. Вследствие значительного электрического сопротивления оксидного слоя и его низкой теплопроводности наблюдается подогрев оксидного слоя током эмиссии, а при больших токах — даже перегрев, сопровождающийся самопроизвольным ростом тока и в конечном счете выходом катода из строя. В связи с изложенным для оксидного катода обычно указывают допустимую плотность катодного тока (от 20 до 90 мА/см2). Эффективность оксидного катода составляет 4…40 мА/Вт. Аноды. Анод может иметь во время работы высокую температуру вследствие разогрева за счет электронной бомбардировки. Анод, нагретый до некоторой температуры, сам излучает мощность в окружающее пространство в соответствии с уравнением Стефана — Больцмана: Pизл = ξ σ T 4 ∏ изл . Здесь ξ− коэффициент лучеиспускания анода; σ=5,67⋅10-12 – постоянная Стефана – Больцмана; Πизл – излучающая поверхность анода. В установившемся режиме мощность, выделяемая на аноде электронами, и мощность, теряемая анодом за счет лучеиспускания, должны быть равны между собой. Максимально допустимая рассеиваемая мощность. Максимально допустимая температура анода определяется началом интенсивного газоотделения. Для уменьшения газоотделения анод при откачке лампы обезгаживают путем интенсивного прогрева и электронной бомбардировки. Во время работы лампы нагрев анода должен быть меньше, чем во время откачки. Кроме того, температура анода должна быть ниже температуры катода во избежание перегрева последнего. Поэтому в лампах с оксидным катодом максимальная температура анода независимо от того, из какого материала он сделан, не должна превышать 600… 650 °К. В лампах с вольфрамовым или карбидированным катодом она может быть значительно выше Конструкции анодов. Аноды электронных ламп изготовляют из никеля или молибдена, иногда из тантала и графита. С целью повышения мощности, рассеиваемой анодом, прибегают к увеличению поверхности охлаждения, для чего анод снабжают радиаторами. Используют также чернение анода, что увеличивает коэффициент лучеиспускания, а следовательно, и рассеиваемую мощность в 2…3 раза. С этой же целью 47

анод покрывают цирконием, который не только повышает коэффициент лучеиспускания, но и эффективно поглощает остаточные газы, улучшая вакуум в лампе. Аноды с лучистым охлаждением имеют удельную рассеиваемую мощность не более 8…9 Вт/см2 поэтому для приемлемых при эксплуатации размеров лампы максимальная рассеиваемая мощность таких анодов не превышает 500 Вт. При необходимости иметь большую рассеиваемую мощность применяют аноды с принудительным воздушным или жидкостным охлаждением . Закон степени трех вторых. В диоде связь между анодными током и напряжением нелинейная, что обусловлено влиянием объемного заряда на электрическое поле в диоде. Эта зависимость может быть описана выражением:

I a = 2 ,33 ⋅10 −6

Πa 3/ 2 U a , где Πа – площадь анода; dак – расстояние между 2 d ak

катодом и анодом. Приведенная зависимость носит название закон степени трех вторых и справедлива для диодов с любой конфигурацией электродов [1]. Динамические свойства диода. При высокой частоте переменного анодного напряжения уменьшается выпрямленный ток диода и возникает фазовый сдвиг между током и напряжением. Эффективность работы диода на высокой частоте снижается из-за инерционности электронного потока, междуэлектродной емкости и индуктивности выводов. Теоретическая и реальные анодные характеристики диода. На рис. 5.5 изображены реальные анодные характеристики диода 2Д2С, снятые при двух различных напряжениях накала. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая характеристика, рассчитанная по геометрическим размерам лампы. Сравнение показывает, что реальные характеристики идут более полого, расходящимся пучком; переход в режим насыщения у реального диода происходит плавно. Одной из причин указанных различий теоретических и реальных характеристик диода является неравномерное распределение температуры по катоду. Концы катода, закрепленные в массивных траверсах, имеют более низкую температуру, чем средняя часть катода. Поэтому эффективная поверхность анода оказывается меньше геометрической и реальная характеристика идет более полого, чем теоретическая. При увеличении напряжения накала длина охлажденных концов катода уменьшается, эффективная Рис. 5.5 поверхность анода становится больше и анодная характеристика располагается круче. Неравномерное распределение температуры по катоду частично обусловливает и плавный переход в режим насыщения, так как при повышении анодного напряжения режим насыщения возникает сначала на концах катода, где тем48

пература, а следовательно, и эмиссия меньше, а затем на более накаленной средней части катода. 5.2. Триоды, тетроды и пентоды Устройство и принцип действия триода. Трехэлектродная лампа, или триод, представляет собой высоко вакуумный электронный прибор, у которого между анодом и катодом помещен имеющий вид спирали либо решетки электрод, называемый сеткой (рис. 5.6). Основная схема включения триода показана на рис. 5.7. Анод имеет положительный относительно катода потенциал, а сетка — отрицательный или положительный. Результирующее поле у катода в этой лампе слагается из ускоряющего поля анода, тормозящего или ускоряющего поля сетки. Как и в диоде, у катода под действием объемного заряда образуется минимум потенциала, определяющий катодный ток . Но этот минимум зависит также от напряжения сетки. При отрицательном напряжении сетки ее поле тормозит вылетающие из катода электроны, объемный заряд у катода возрастает и минимум потенциала увеличивается, благодаря чему уменьшается поток электронов, проходящих через этот минимум на анод. Возможность управления анодным током путем изменения напряжения сетки является основной особенностью триода. Важное преимущество триода заключается в том, что управление током в этой лампе происходит практически безынерционно вплоть до очень высоких частот. Последнее объясняется тем, что электроны, имеющие малую массу, приобретают под действием электрического поля в лампе большую скорость и преодолевают междуэлектродное пространство за очень короткое время, благодаря чему изменения тока почти без задержки следуют за изменениями сеточного напряжения. Мощность, затрачиваемая в сеточной цепи на управление анодным током, обычно значительно меньше мощности переменной составляющей тока в анодной цепи, следовательно, триод обладает способностью усиливать колебания. Тетроды. Большая емкость анод – сетка существенно ограничивает частотный диапазон усиления триода. Уменьшить эту емкость можно экранированием электростатического поля анода дополнительной сеткой, помещенной между анодом и управляющей сеткой. 49

Динатронный эффект. Рассмотрим выходную характеристику тетрода Ia=f(Ua) и характеристику тока экранирующей сетки Ic2=f(Ua) (рис. 5. 8). При небольших анодных напряжениях увеличение анодного напряжения приводит к быстрому увеличению анодного тока, но при этом возрастает энергия электронов, что приводит к возникновению вторичной эмиссии из анода. Электроны, выбитые из анода, устремляются на экранирующую сетку, которая имеет более высокий потенциал (сотни вольт). Результирующий анодный ток, определяемый разностью приходящих на анод и уходящих с анода электронов, уменьшается, а ток экранирующей сетки соответственно возрастает. При повышении анодного напряжения кинетическая энергия первичных электронов возрастает, количество выбиваемых из анода вторичных электронов увеличивается, и ток анода начинает падать. Когда анодное напряжение приблизится по величине к напряжению экранирующей сетки, переход вторичных электронов на экранирующую сетку прекращается, а анодный ток возрастает. Вторичная эмиссия электронов носит название динатронного эффекта. В тетроде этот эффект приводит к появлению падающего участка АБ на анодной характеристике. Этот эффект может привести к искажениям сигнала, а также к самопроизвольной генерации колебаний. Пентоды. Динатронный эффект можно подавить, создав перед анодом с помощью специальной сетки Сз (рис. 5.9, а) электрическое поле, тормозящее вторичные электроны и препятствующее их переходу на экранирующую сетку C2.

Сетка С3 называется защитной пли aнmидинатронной. Лампа с защитной сеткой имеет пять электродов, поэтому ее называют пентодом. На рис. 5.9,б показано распределение потенциала в пентоде . На рис. 5.9 показано распределение потенциала в пентоде. Защитную сетку обычно соединяют с катодом, поэтому в сечении 1, проходящем через виток защитной сетки, создается мини50

мум, в котором потенциал равен нулю. В сечении 2, проходящем посередине между витками, минимум имеет положительный потенциал и поэтому не представляет серьезного препятствия для первичного электронного потока, движущегося на анод с большой скоростью, определяемой потенциалом экранирующей сетки Uс2. В то же время вторичные электроны, вылетающие из анода с относительно небольшими скоростями, не могут преодолеть этот минимум потенциала, так как их начальная скорость недостаточна, и возвращаются на анод. В результате динатронный эффект в пентоде не возникает и на его характеристике отсутствует падающий участок, приводящий к искажениям и неустойчивой работе лампы. Коэффициент усиления µ связан с внутренним сопротивлением Ri через крутизну S : µ = SRi . В лампах с густой экранирующей сеткой статический коэффициент усиления µ определяется в основном процессами токораспределения. 5.3. Вопросы для самоконтроля 1.Какова конструкция и принцип действия лампового диода? 2.Чем определяется качество термоэлектронного катода? 3.Какие существуют способы накала катодов? 4.Какие материалы используются для изготовления катодов? 5.Для чего применяются пленочные катоды? 6.Каковы преимущества оксидного катода? 7.Чем определяется тепловой режим анода? 8.Каковы конструктивные особенности анодов? 9.Какова конструкция триода? 10.Что такое динатронный эффект, как он устраняется? 6. ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА 6.1. Особенности СВЧ и оптического диапазонов К диапазону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц, т. е. дециметровые, сантиметровые и миллиметровые длины волн. Оптический диапазон (3⋅1011…3⋅1016 Гц) включает субмиллиметровые и инфракрасные волны, волны видимого и ультрафиолетового излучений. Видимое излучение занимает относительно узкую область спектра оптического излучения и ограничено длинами волн от 0,78 до 0,38 мкм. Часто субмиллиметровые волны (от 300 до 3000 ГГц или λ=1…0,1 мм) считают также входящими в диапазон СВЧ (децимиллиметровые волны — ГОСТ 24375—80). Для развития техники связи характерна тенденция использования все более и более высоких частот. Объем передаваемой информации удваивается примерно каждые 6…7 лет, поэтому системы связи должны непрерывно совершенствоваться; увеличивается число каналов. Емкость системы связи растет 51

с увеличением используемой частоты, поэтому каналы связи в СВЧ и оптическом диапазонах обладают большой информационной емкостью. Телевизионное вещание ведется в настоящее время в метровом и дециметровом диапазонах волн. Дециметровый диапазон позволяет разместить большое число каналов, уменьшить взаимное влияние близко расположенных передатчиков вследствие повышенного затухания дециметровых волн и получить высокое качество принимаемого изображения за счет незначительного влияния индустриальных помех. Диапазон миллиметровых волн позволяет создавать многоканальные волноводные линии связи с очень широкой полосой частот, в которой можно разместить несколько сотен тысяч телефонных каналов. Миллиметровые волны найдут применение в совершенно новой области космической связи — передаче сигналов со спутника на спутник в линии международной связи, содержащей несколько спутников. 6.2. Биполярные транзисторы СВЧ Граничная частота. Частотные свойства транзисторов зависят от граничной частоты f гр , которая связана с временем задержки сигнала τ от эмиттера до коллектора: fгр = 1/2πτ. Время задержки τ = τ э.п + τб + τк.п +τк , где τ э.п − время зарядки емкости эмиттерного перехода; τб – время пролета носителей заряда через базовую область; τк.п –время задержки в коллекторном переходе; τк – время заряда емкости коллекторного перехода. При уменьшении ширины базовой области до 0,1 мкм можно снизить величину τб до единиц пикосекунд [3]. В этом случае на граничную частоту будут влиять в основном τ э.п и τк.п, которые равны примерно 10 пс. Дальнейшее увеличение граничной частоты требует сужения коллекторного перехода, что приводит к падению выходной мощности и опасности пробоя. Можно показать, что граничная частота и пробивное напряжение связаны соотношением: fгрUпроб ≤ 200 ГГц ⋅ В. [3]. Основными параметрами для этих транзисторов будут рабочая частота, коэффициент усиления по мощности, выходная мощность, КПД и коэффициент шума. При этом коэффициент шума важен только для маломощных (малошумящих) транзисторов, а КПД – для мощных СВЧ транзисторов. На граничной частоте fгр , при которой коэффициент передачи по току в схеме с общим эмиттером равен единице, имеется еще значительное усиление по мощности. Поэтому дополнительно используется характеристическая частота fmax – максимальная частота генерации, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице: f max = α 0 f гр 8πrБ′ Cк , где r′Б – объемное сопротивление базы; Cк – емкость коллекторного перехода; α0 – коэффициент передачи тока эмиттера (h21Б).

52

6.3. Полевые транзисторы СВЧ Устройство полевого транзистора в СВЧ диапазоне показано на рис. 6. 1. Затвор представляет собой барьер Шотки, изготовленный на эпитаксиальной пленке из арсенида галлия n-типа. Пленка выращивается на полуизолирующей подложке из того же материала. Затвор, расположенный между истоком и стоком, имеет обычно конфигурацию замкнутого кольца или квадрата. Характерные размеры: ширина затвора 0,2 … 2 мм, длина затвора 0,5 … 2 мкм, толщина эпитаксиальной пленки 0,15 … 0,5 мкм. Омические контакты истока и стока получаются путем использования сплавов золота и серебра с легирующими добавками. Барьер Шотки получают нанесением металлов (платина, хром, никель, молибден и др. или сплавов). Применение арсенида галлия с высокой подвижностью электронов, уменьшение длины затвора до 1 мкм, позволяет резко улучшить частотные свойства полевых транзисторов. Для транзисторов с малой длиной канала частота fmax, на которой коэффициент усиления по мощности равен единице, определяется минимально возможным значением времени пролета τmin: fmax=1/2πτmin. Значение τmin соответствует максимальной скорости носителей − скорости насыщения vн , поэтому при длине канала L τmin =L/vн, т. е. fmax=vн/2πL. Следовательно, GaAs, имеющий большее значение скорости, чем у кремния и германия, является предпочтительным материалом для изготовления полевых транзисторов. Особенностью полевых транзисторов является большое различие сопротивлений источника сигнала, необходимых для получения максимального коэффициента усиления и минимального коэффициента шума. На рис. 6. 2 сравниваются коэффициенты усиления Ку и шума Кш полевых транзисторов с барьером Шотки (ПТБШ) и биполярных транзисторов с минимальным коэффициентом шума (БТ1) и максимальным коэффициентом 53

усиления (БТ2). Для мощных полевых транзисторов требование низкого уровня шума не существенно. Применение арсенида галлия с большой шириной запрещенной зоны (1,4 эВ) позволяет повысить рабочую температуру вплоть до 350 °С. Мощность полевых транзисторов на арсениде галлия с барьером Шотки уже превышает мощность биполярных транзисторов: 1.6 Вт и КПД 45% на частоте 8 ГГц. Ожидается, что в трехсантиметровом диапазоне мощность этих приборов будет превышать 10 Вт [2]. В последнее время значительный интерес проявляется к охлаждаемым усилителям на полевых транзисторах из арсенида галлия с барьером Шотки. Так как шумы в этих приборах в основном имеют тепловую природу, то охлаждение приводит к существенному уменьшению коэффициента шума. 6.4. Приборы оптического диапазона 6.4.1. Общие сведения об оптоэлектронике Оптоэлектроника — научно-техническое направление, основанное на использовании одновременно как оптических, так и электрических методов передачи, обработки, приема, хранения и отображения информации. Кроме сочетания оптических и электрических процессов, для современной оптоэлектроники характерно стремление к миниатюризации и интеграции элементов на основе твердотельной, главным образом полупроводниковой, технологии, а также усиливающаяся направленность на решение задач информатики. В данной главе освещаются физические принципы работы оптоэлектронных приборов, их типичные характеристики, параметры и области применения. Среди них -, светоизлучающие диоды для видимой и инфракрасной областей спектра, диодные, транзисторные и другие оптопары. 6.4.2. Виды источников излучения и их основные характеристики Различают вакуумные, газоразрядные и полупроводниковые источники излучения.Лампы накаливания могут быть сделаны достаточно миниатюрными, но они обладают сравнительно низким КПД и большой инерционностью. В современной оптоэлектронике используют в основном люминесценцию твердых тел (холодное свечение). При люминесценции энергия, необходимая для излучения, может подводиться к телу любым нетепловым способом (облучением фотонами или электронами, действием электрического поля и т. д.). Обычно люминесценция наблюдается при комнатной и более низкой температуре, при которой тепловое излучение очень мало и все видимое излучение является люминесценцией. Светодиоды являются почти точечными источниками света (площадь излучаемой поверхности не превышает 1 мм2). Электролюминесцентные источники света большой площади могут быть получены с помощью слоев порошко54

образных люминофоров толщиной около 50 мкм или пленок толщиной около 1 мкм. В качестве люминесцирующего вещества обычно используют сульфид цинка (ширина запрещенной зоны 3,7 эВ), позволяющий получать люминесценцию в видимой области при введении ряда примесей, например меди (зеленое излучение), серебра (синее) и марганца (желто-оранжевое). Для того чтобы дырки, образующиеся при ударной ионизации атомов кристаллической решетки, не выходили в металлический электрод и не пропадали с точки зрения получения видимого света, зерна порошка (размером 10 мкм) распределяют в слое твердого диэлектрика, а пленку люминофора изолируют от обоих электродов тонкими слоями диэлектрика. 6.4.3. Устройство и основные параметры оптронов Оптрон - это прибор, содержащий источник и приемник излучения, которые оптически и конструктивно связаны друг с другом. Источниками света могут служить лампы накаливания, неоновые лампы, электролюминесцентные панели, однако в большинстве случаев ими являются светодиоды. В качестве приемника излучения используют фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Средой оптического канала, связывающего излучатель и приемник, могут служить воздух, стекло, пластмасса и другие прозрачные вещества. Элементарный оптрон, содержащий один источник и один приемник излучения, называют также оптопарой. Будучи объединенными в микросхему вместе с одним или несколькими согласующими или усиливающими устройствами, оптроны образуют оптоэлектронную интегральную микросхему. В оптронах происходит двойное преобразование энергии (рис. 6.3). Входной электрический сигнал (характеризующийся силой тока I1 или напряжением U1) преобразуется источником излучения 1 в световой (поток света Ф1), который передается затем по оптическому каналу 2 к фотоприемнику 3. Фотоприемник осуществляет обратное превращение светового сигнала (Ф2)в электрический с параметрами I2, U2. Рис. 6. 3 Среда оптического канала может быть управляемой (например, обладать электрооптическими свойствами), что отражено на рис. 6.3 введением в схему устройства управления 4, которое преобразует световой поток Ф1 в поток Ф2. Для согласования параметров оптронов с другими элементами электронных схем могут использоваться дополнительные входные и выходные устройства. На рис. 6.3 фотоприемник и излучатель электрически не соединены друг с другом. Такие оптроны с успехом могут использоваться в качестве элементов гальванической развязки. Однако введение электрической, а также оптической 55

обратной связи между компонентами оптрона способно существенно расширить его возможности. В этом случае он может быть использован как прибор, позволяющий генерировать и усиливать электрические и оптические сигналы, как запоминающее устройство и т. д. Помимо уже указанных достоинств, оптрон характеризуется: высокой помехозащищенностью (поскольку его оптический канал невосприимчив к воздействию посторонних электромагнитных полей), а также однонаправленностью передачи оптического сигнала; широкой частотной полосой пропускания, в частности способностью преобразовывать и передавать не только импульсные сигналы, но и постоянную составляющую; совместимостью с другими изделиями полупроводниковой микроэлектроники. Время переключения tn = t1 + t2, где t1, t2 — время соответственно нарастания и спада сигнала на выходе оптрона. Время переключения неодинаково у разных типов оптопар, оно зависит также от режимов их работы и может составлять от 10 -9 до 10-1 с. Помимо времени переключения, быстродействие некоторых классов оптронов может быть задано граничной частотой fгр. В зависимости от типа оптрона fгр = 0,005...10 МГц. Параметром, часто используемым на практике, является коэффициент передачи по току (статический) KI = I2/I1. В общем случае, особенно при высоких температурах, когда существен темновой ток Iт фотоприемника, KI =(I2-IT)/I1. Для большинства типов оптопар KI является паспортным параметром, причем он может составлять от 0,5% (диодные оптопары) до 1000% (транзисторные оптопары с составным фототранзистором). Важными характеристиками оптопары являются параметры ее изоляции. Среди этих параметров — максимально допустимое напряжение между входом и выходом (уже упоминавшееся статическое Uиз, а также пиковое, максимально допустимое при работе с переменными сигналами). Кроме того, оптопары характеризуются сопротивлением изоляции Rиз и проходной емкостью Спр (емкостью между входом и выходом оптопары). У большинства типов оптопар Rиз может достигать 1012 0м, что исключает обратную связь фотоприемника и излучателя по постоянному току. В то же время связь по переменному току может оказаться существенной. Действительно, скачок напряжения ΔU2 на выходе оптопары (за время Δt) может привести к тому, что через излучатель оптопары пойдет емкостный ток, который может привести к заметному сигналу на выходе даже при малой проходной емкости. В связи с этим для многих типов оптопар приобретает актуальность задача снижения Спр (обычно Спр имеет порядок 1 пФ), решение которой может быть связано, например, с увеличением длины оптического канала между излучателем и фотоприемником. Резисторные оптопары. В качестве фотоприемников оптопар этого типа используют фоторезисторы на основе CdS и CdSe. При засветке фоторезисторов их сопротивление снижается от RT (темнового) до Rсв (при освещении). Одним из основных параметров резисторных оптопар является отношение этих сопротивлений; значение RТ/Rсв может достигать 104...107. Фоторезисторы обладают, как правило, большой инерционностью. Имен56

но поэтому в фоторезисторных оптопарах в качестве источников излучения широко применяют миниатюрные лампы накаливания, к достоинствам которых следует отнести хорошую воспроизводимость параметров, большой срок службы, малую стоимость. Невысокое быстродействие (время переключения - порядка 10-2 с) ламп накаливания в оптопарах этого типа не является их недостатком, поскольку общее время переключения (до 10-1 с) определяется фотоприемником. Кроме ламп накаливания, в резисторных оптопарах используют светодиоды на основе GaP, спектр излучения которых хорошо согласован со спектрами возбуждения фотопроводимости CdS- и CdSe- фотоприемников. Достоинствами резисторных оптопар, определяющими их широкое применение в различных типах оптоэлектронных схем, являются линейность и симметричность выходной характеристики (независимость от полярности включения фоторезистора), отсутствие фото-ЭДС, высокое значение достижимого напряжения на выходе (до 250 В) и темнового сопротивления (RT = 106...1011 0м). Диодные оптопары. Оптопары этого типа изготавливают на основе кремниевых р-i-n- фотодиодов и арсенид-галлиевых светодиодов. Поскольку у современных диодных оптронов значение коэффициента передачи по току составляет единицы процентов, это означает, что на выходе таких оптопар практически можно получить лишь токи, не превышающие одного-двух миллиампер. Предельно достижимое время переключения tп диодных оптопар может меняться в довольно широком интервале значений (0,1...10 мкс) в зависимости от марки прибора. Но на практике получить подобное быстродействие довольно трудно, так как из-за малости выходного тока их приходится включать на большую нагрузку. В этом случае существенным оказывается уже время перезарядки, определяемое сопротивлением нагрузки Rн и выходной емкостью оптопары С2. Среди выпускаемых диодных оптопар можно выделить, наконец, группу приборов, оптический канал которых выполнен в виде световода длиной 30...100 мм. Эти приборы характеризуются высокой электрической прочностью ( Uиз = 20...50 кВ) и малой проходной емкостью (Спр = 0,01 пФ). Транзисторные оптопары. К транзисторным оптопарам относятся диодно-транзисторные (приемником излучения является фотодиод, один из выводов которого соединен с базой транзистора, введенного в состав оптрона) и транзисторные (приемником излучения служит фототранзистор) оптопары, а также оптроны с составным фототранзистором. Их параметры существенно отличаются друг от друга. Так, оптроны с составным фототранзистором обладают наилучшими передаточными характеристиками по току (в результате внутреннего усиления сигнала kI может достигать 1000%), зато диоднотранзисторные имеют большее быстродействие (tп = 2...4 мкс). При этом оказывается, что для оптопар перечисленных типов отношение kI/tn = D остается постоянным в широком интервале значений входных токов. Параметр D называют добротностью оптрона, его значение зависит от параметров изоляции (в частности, от Uиз). Для транзисторных оптронов Uиз = 1...5 кВ; D = 0,1...1 % . 57

Как и в случае диодных оптопар, материалом фотоприемников чаще всего является кремний; излучателями в таких приборах служат арсенидгаллиевые светодиоды. 6.5. Вопросы для самоконтроля 1.Какая область частот относится к СВЧ? 2.Какая область частот относится к оптическому диапазону? 3.Как определяется граничная частота биполярного транзистора СВЧ? 4Какое соотношение связывает граничную частоту и пробивное напряжение в биполярном транзисторе СВЧ? 5.Как определяется максимальная частота генерации в биполярном транзисторе? 6.Каково устройство полевого транзистора СВЧ? 7.Как получается барьер Шотки в полевом транзисторе СВЧ? 8.Что такое оптоэлектроника? 9.В чем заключается достоинство диодной оптопары? 10.Каково быстродействие диодно-транзисторных оптопар?

ЛИТЕРАТУРА 1. Батушев В. А. Электронные приборы. – М.: Высш. школа, 1980. 2. Дулин В. Н. Электронные приборы. – М.: Энергия, 1977. 3. Андрушко Л. М.,Федоров Н. Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ. – М. : Радио и связь, 1981. 4. Электронные приборы СВЧ. – М. : Высшая школа, 1985. 5. Морозова И. Г. Физика электронных приборов. – М. : Энергоатомиздат, 1980. 6. Денискин Ю. Д., Жигарев А. А., Смирнов Л. Г. Электронные приборы (программированное учебное пособие). – М. : Энергия, 1980. 7. Гершунский Б. С. Основы электроники. – Киев: Высш. школа, 1977. 8. Николаевский И. Ф., Игумнов Д. В. Параметры и предельные режимы работы транзисторов. – М.: Сов. Радио, 1971. 9. Полупроводниковые приборы: транзисторы. Справочник / Под общ. Ред. Н. Н. Горюнова. – М. : Энергоатомиздат, 1985. 10. Мощные полупроводниковые приборы. Транзисторы. Справочник / Под ред. А. В. Голомедова. – М. : Радио и связь, 1985.

58

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Акцепторная примесь 9 Аноды 47 Арсенид галлия 5 Арсенид – галлиевые светодиоды 57

Закон степени трех вторых 48 Запрещенная зона 7 Затвор 37 Затворные характеристики полевого транзистора 40 Защитная сетка 50 Зона проводимости 7

База 27 Биполярные транзисторы 27 Биполярные транзисторы СВЧ 52

Избыточные основные носители 9 Импульсные диоды 19 Изолированный затвор 37 Исток 37

Валентные электроны 7 Варикапы 23 Виды источников излучения 54 Влияние температуры на вольтамперную характеристику 13 Вольтамперная характеристика p-n-перехода 10 Время переключения оптопары 56 Выпрямительные диоды 17 Высокочастотные диоды 18 Входные характеристики 29 Выходные характеристики 30

Канал 37 Канал n-типа 38 Канал p-типа 38 Ключевой режим МДПтранзистора 42 Коллектор 27 Конструкции анодов 47 Коэффициент передачи тока эмиттера 28 Коэффициент усиления 50, 53 Коэффициент шума 51 Кремниевые диоды 21 Крутизна 50

Германий 5 Германиевые диоды 12 Динамические свойства анода 48 Динатронный эффект 50 Диодные оптопары 57 Диодно-транзисторные оптопары 57 Дифференциальное сопротивление p-n-перехода 10 Дифференциальные параметры транзисторов 33 Диод Шотки 26 Добротность оптрона 57 Диффузионный ток 8 Донорная примесь 9 Дрейфовый ток 8 Дырка 6

Люминисценция твердых тел 54 Максимальная частота генерации 55 МДП (МОП)-транзистор 37 МДП-транзистор с индуцированным каналом 41 Меза-структура 21 Металлополупроводниковые диоды 25 Мощность рассеяния транзистора 32 Напряжение отсечки 37 Неравновесные носители заряда 8 Носители заряда в полупроводниках 7

Емкость диода 15 59

Обращенные диоды 25 Оптопара 55 Оптоэлектроника 55 Оптрон 54 Оптрон как элемент гальванической развязки 55 Оптрон с составным фототранзистором 57 Особенности СВЧ и оптического диапазона 50

Распределение потенциала в биполярном транзисторе 28 Режим инжекции 27 Резисторные оптопары 56 Рекомбинация носителей 8 Свободные носители заряда 6 Система h-параметров 34 Система Y-параметров 35 Система Z-параметров 36 Собственные носители заряда 7 Собственный полупроводник 7 Собственная электропроводность 7 Статическая и теоретическая вольтамперная характеристики диода 12 Сток 40 Стоко-затворная характеристика 40 Стоковые характеристики МДПтранзистора с индуцированным каналом 42 Структура p-n перехода 8 Схема с общей базой 27

Параметры изоляции оптопары 56 Параметры импульсных диодов 20 Параметры катода 44 Пентоды 50 Перекрытие канала 39 Перенос носителей заряда 8 Планарно-эпитаксиальный диод 15 Пленочные катоды 45 Подложка 41 Подогревные катоды 45 Полевые транзисторы 36 Полевые транзисторы СВЧ 53 Полевые транзисторы с изолированным затвором 41 Полупроводники 4 Полупроводниковые вещества 5 Полупроводниковые диоды 11 Полупроводниковые катоды 46 Полупроводниковый стабилитрон 21 Потенциальный барьер 9 Предельно допустимая температура диода 13 Предельные импульсные параметры транзистора 33 Предельные режимы биполярного транзистора 31 Приборы оптического диапазона 53 Применение варикапов 23 Примеси в полупроводниках 4 Проводимость полупроводников 4 Пространственный заряд 9 Прямонакальные катоды 44 Равновесные носители заряда 8

Темновой ток 56 Температура коллекторного перехода 32 Тепловое сопротивление 32 Тепловой пробой диода 14 Термогенерация носителей 6 Термоэлектронная эмиссия 3 Тетроды 49 Типы импульсных диодов 21 Туннельные диоды 23 Управляющий p-n-переход 37 Усилительный эффект 28 Устройство вакуумного диода 43 Устройство вакуумного триода 49 Фоторезисторы 56 Электрон 6 Электроника 4 Электропроводность полупроводников 3 60

СОДЕРЖАНИЕ Стр. ПРЕДИСЛОВИЕ ………………………………………………………………… 3 1. ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………… 3 1.1. Общие сведения об электронных приборах ………………………………. 3 1.2. Физические основы полупроводниковой электроники ………………….. 4 1.3. Особенности p-n-перехода в полупроводниках ………………………… 8 1.4. Вопросы для самоконтроля …………………………………………….. 11 2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ ……………………………………… 11 2.1. Общие сведения ……………………………………………………………. 11 2.2. Виды пробоя в диодах ……………………………………………………... 14 2.3. Емкости диода ……………………………………………………………… 15 2.4. Типы полупроводниковых диодов и их применение …………………….. 16 2.4.1. Выпрямительные диоды ………………………………………………….. 17 2.4.2. Высокочастотные диоды …………………………………………………. 18 2.4.3. Импульсные диоды ……………………………………………………….. 18 2.4.4. Полупроводниковые стабилитроны ……………………………………... 21 2.4.5. Варикапы ………………………………………………………………….. 22 2.4.6. Туннельные диоды ……………………………………………………….. 23 2.4.7. Металлополупроводниковые диоды …………………………………….. 25 2.5. Вопросы для самоконтроля ………………………………………………… 26 3. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ …………………………………………… 26 3.1. Общие сведения о биполярных транзисторах …………………………….. 26 3.2. Распределение потенциала в биполярном транзисторе ………………….. 28 3.3. Статические характеристики биполярного транзистора ………………… 29 3.4. Предельные режимы биполярного транзистора ………………………….. 31 3.5. Предельные импульсные параметры транзистора ……………………….. 33 3.6. Дифференциальные параметры транзисторов …………………………… 33 3.7. Вопросы для самоконтроля ………………………………………………... 36 4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ ………………………………………………... 36 4.1. Полевые транзисторы. с управляющим p-n-переходом …………………. 36 4.2. Статические характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом ……………………………………………. 38 4.3. Характеристика управления полевого транзистора ……………………… 40 4.4. Полевые транзисторы с изолированным затвором ………………………. 41 4.4.1. МДП-транзисторы с индуцированным каналом ………………………... 41 4.4.2. Статические характеристики МДП-транзисторов с индуцированным каналом ……………………………………………… 42 4.4.3. Ключевой режим МДП-транзистора …………………………………….. 42 4.5. Вопросы для самоконтроля ………………………………………………… 43 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРОВ ………. 43 5.1. Устройство и принцип действия вакуумного диода ……………………... 43 61

5.2. Триоды, тетроды и пентоды ……………………………………………….. 49 5.3. Вопросы для самоконтроля ………………………………………………… 51 6. ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА …………………….… 51 6.1. Особенности СВЧ и оптического диапазона ……………………………… 51 6.2. Биполярные транзисторы СВЧ …………………………………………….. 52 6.3. Полевые транзисторы СВЧ ………………………………………………… 53 6.4. Приборы оптического диапазона ………………………………………….. 54 6.4.1. Общие сведения об оптоэлектронике ………………………………….... 54 6.4.2. Виды источников излучения и их основные характеристики …………. 54 6.4.3. Устройство и основные параметры оптронов …………………………... 55 6.5. Вопросы для самоконтроля ………………………………………………… 58 ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………………... 58 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ………………………………………………… 59

Олег Гурьевич Антонов Леонид Александрович Крестников ЭЛЕКТРОНИКА Ч. 1 Письменные лекции

Редактор А. В. Алёхина Сводный темплан 2003 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97 Подписано в печать Б.кн.-журн. Тираж

. 05. 2003. П.л. 3, 8 Б.л. 1, 9 Заказ

Формат 60×841/16 РТП РИО СЗТУ.

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издат.-полигр. Ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5