Физические основы работы полупроводниковых приборов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ


Полупроводниковый диод является одной из разновидностей вентиля, т. е. такого элемента, который пропускает ток только в одном направлении. При приложении напряжения в прямом направлении сопротивление идеального вентиля равно нулю, падение напряжения п.» нем отсутствует, ток ограничивается с помощью сопротивления других элементов цепи. При приложении напряжения в обратном направлении сопротивление вентиля бесконечно велико, все действующее в цепи напряжение приложено к вентилю, ток в цепи не подходит.
Рис, 9. Схематическое изображение полупроводникового диода.
Полупроводниковый диод (в дальнейшем — диод) состоит из двух слоев кристалла (рис. 9), в одном из которых за счет введения так называемых донорных примесей имеется излишек свободных электронов в кристаллической решетке атомов (гс-слой), а в другом наблюдается их недостаток, или, как принято говорить, есть излишек «дырок» (р-слой). Излишек дырок образуется за счет введения так называемых акцепторных
Примесей. При этом каждый слой электрически нейтрален, а излишек (или недостаток) электронов рассматривается относительно свободных мест для них в кристаллической решетке основного материала.
В большинстве случаев в качестве основного кристалла используют германий или кремний, т. е. элементы IV группы, в состав атомов которых входят четыре валентных электрона. Тогда в качестве донорных примесей применяют элементы V группы, имеющие по пять валентных электронов в атоме — сурьму, фосфор, мышьяк. В качестве акцепторных примесей применяют элементы III группы, имеющие по три валентных электрона, например индий, галлий и бор.
Атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку основного материала. При этом каждый атом примеси (как и атом основного материала) должен связаться, т. е. иметь общие электроны, с четырьмя соседними атомами основного материала. У донор пых примесей из пяти валентных электронов четыре входят в связь с четырьмя атомами основного полупроводникового кристалла, а один остается свободным. Получается кристалл с свободными электронами, из которого образуется п-слой (в диодах и других полупроводниковых приборах). У акцепторных примесей для связи с четырьмя атомами основного материала одного электрона не хватает, т. е. образуется дырка. Из такого кристалла образуется р-слой.
На границе соприкосновения слоев (рис. 9) при отсутствии внешнего электрического поля часть электронов из п-слоя переходит в р-слой. Из-за этого р-слой получает отрицательный заряд, а n-слой положительный. В прилежащей к границе своев области возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов в р-слой. Близкая к границе слоев зона, в которой действует внутреннее электрическое поле, называется р-н-переходом.
Если приложить к диоду напряжение В прямом направлении, т. е. плюс к р-слою, а минус к n-слою, то электрическое иоле от приложенного напряжения скомпенсирует внутреннее электрическое поле в р-н-переходе. Свободные электроны получат возможность перемещаться в р-слой к притягивающему их положительному электроду. Точно также дырки получат возможность перемещаться в n-й слой к отрицательному электроду.
По диоду пойдет ток в прямом направлении. Вместо уходящих из л-слоя электронов от источника питания поступят новые, поэтому оба слоя будут по-прежнему электрически нейтральными. После отключения источника питания ток через диод прекратится, авр-и л-слоях останутся свободные электроны и дырки в такой же концентрации, что и до прохождения тока.
Если напряжение приложить в обратном направлении, т. е. плюс к ft-слою, то электрическое поле от приложенного напряжения усилит внутреннее поле в р-л-переходе. Отрицательный электрод (присоединенный к р-слою) будет отталкивать от себя свободные электроны n-слоя, прохождение тока в прямом направлении станет невозможным. При этом некоторое количество электронов может перемещаться из р-слоя в n-слой, образуя обратный ТОК /обр. Однако этот ток очень мал, так как свободные электроны в р-слое практически отсутствуют.
При увеличении обратного напряжения Uобр происходит резкое лавинообразное увеличение /0бр за счет ионизации р-слоя под действием электрического поля и повышения температуры. Это явление называется пробоем диода. Напряжение, при котором наступает пробой, называется напряжением пробоя. Вольт-амперная характеристика реального диода Д226 показана на рис. 10. Масштабы для прямых и обратных токов (напряжений) на рисунке различны в связи с разным порядком их величин.
Основными параметрами диодов являются допустимое обратное напряжение Uoбр.max наибольший обратный ток Iобр, допустимый ток в прямом направлении Iдоп, падение напряжения в прямом направлении Uпр
В реле РЧ применены кремниевые диоды Д223 и Д226. Они используются в основном для разделения цепей и образования диодных ключей.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Полупроводниковый стабилитрон представляет собой кремниевый диод с повышенной концентрацией электронов и дырок, поэтому р-л-переход у него получается достаточно узким и при приложении к диоду относительно небольшого обратного напряжения в р-п-переходе получается значительная напряженность электрического поля. Появляется возможность непосредственного перехода электронов из р-слоя в n-слой (электрический

Рис. П. Вольт-амперные характеристики стабилитронов.
я —полная; б — обычно изображаемая часть полной характеристики, являющаяся рабочей.
пробой перехода), это приводит к быстрому увеличению обратного тока при практически постоянном приложенном напряжении. Если ограничивать обратный ток с помощью сопротивлений элементов внешней цепи и не допускать перегрева диода, то он не разрушается. При уменьшении обратного напряжения обратный ток резко снижается.
Обратное напряжение, при котором наступает электрический пробой, остается практически постоянным. Оно используется в качестве стабилизированного напряжения. Если включить стабилитрон в прямом направлении, то он ведет себя как обычный диод. Падение напряжения в прямом направлении составляет 0,5—1 В. Полная характеристика стабилитрона (как диода) и его рабочая характеристика показаны на рис. 11. Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации Uот, т. е. обратное напряжение на стабилитроне при прохождении по нему тока определенной для данного типа стабилитрона величины и температуре 20°С. Напряжение UCT для разных стабилитронов одного типа (при одном и том же токе) бывает различным, отклонения обычно составляют ±10°/о среднего значения U ст.
Важными параметрами стабилитрона являются минимальный Ict.min и максимальный max обратный ток и рассеиваемая мощность. При токе через стабилитрон меньше Ict.min напряжение на нем сильно зависит от тока, т. е. уже не является стабилизированным. При токе больше Iст.max стабилитрон сильно нагревается и может выйти из строя.

Рис. 13. Транзистор р-п-р. I — эмиттерный переход; г —коллекторный переход.
Колебания стабилизированного напряжения, вызванные изменением в допустимых пределах тока через стабилитрон и температуры, составляют обычно 3—5%£/Ст- для используемых в РЧ стабилитронов это доли вольта. Более существенное изменение UCi может произойти при замене стабилитрона.
При использовании стабилитрона для получения стабилизированного напряжения его включают так, как показано на рис. 12. При изменении входного напряжения t/в* примерно пропорционально изменяется ток стабилитрона Iст- Кроме того, /ст изменяется при изменении нагрузки. Увеличение тока по нагрузке Iнатр приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе из-за чего ток по стабилитрону уменьшается. Если колебания входного напряжения и тока нагрузки таковы, что Iст остается в пределах допустимого тока (не меньше минимального и не больше максимального), то напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке остается практически постоянным.
.
В реле РЧ, как и в ряде других полупроводниковых устройств, стабилитроны применяют именно для получения постоянного стабилизированного напряжения. Совместно с балластными резисторами они являются основными элементами блока питания реле.
Для реле РЧ применяют стабилитроны Д815А и Д816А, для которых напряжение стабилизации соответственно составляет примерно 6 и 22 В.
Полупроводниковый триод или транзистор состоит из трех слоев кристалла: р-п-р или п-р-п. В качестве основного кристалла используют германий или кремний. Большее применение имеют транзисторы р-п-р с так называемой прямой проводимостью. Рассмотрим принцип их действия. Схема транзистора изображена на рис.13. Левый р-слой называется эмиттером Э, правый — коллектором К, средний n-слой — базой Б. Концентрация дырок в эмиттере и коллекторе значительно выше, чем концентрация свободных электронов в базе. На границах слоев, как и в полупроводниковом диоде, образуются р-п переходы. Переход на границе эмиттера и базы называется эмиттерным переходом, а на границе коллектора и базы — коллекторным переходом.
Чтобы пропустить через транзистор ток, к слоям нужно приложить напряжение так, как это показано на рис. 13. К эмиттерному переходу приложено напряжение Uаб в прямом направлении (плюс к р-слою). Переход открыт, и дырки поступают из эмиттера в базу, образуя эмиттерный ток Iэ- Часть из них, соответствующая числу свободных электронов в базе, уходит из базы во внешнюю цепь, образуя ток баз Iб. Поскольку концентрация свободных электронов в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, в создании участвует лишь 5—10% общего числа дырок, поступивших в базу нз эмиттера. Остальные дырки иод воздействием электрического поля, созданного коллекторным напряжением Uб,к, через коллекторный переход поступают в коллектор и затем во внешнюю цепь, образуя коллекторный ток /к. Этот ток является обратным для коллекторного перехода. Но переход не разрушается, поскольку ток создается не за счет ионизации слоев, а за счет притока дырок из эмиттера. Этот ток ограничивают таким образом, чтобы транзистор не перегревался. В рассмотренном режиме под действием приложенного напряжения эмиттер-—коллектор Uэк через транзистор проходит ток Iн, транзистор открыт. Ток 1и, т. е. степень открытия транзистора, при прочих равных условиях определяется напряжением эмиттер — база. Полностью открытый транзистор имеет очень небольшое внутреннее. Сопротивление; падение напряжений в используемых транзисторах не превышает 0,2 В.

Рис. 15. Транзистор п-р-п.
J — эмиттерный переход; 2 — коллекторный переход.
Если базу сделать положительнее эмиттера (рис. 14), то эмиттерный и коллекторный переходы окажутся закрытыми. По коллекторному переходу при этом проходит обратный ток Iк,о, составляющий для современных транзисторов единицы и доли микроампер. Несмотря на приложенное, как и в предыдущем случае, напряжение Uэк ток через транзистор (т. е. по цепи эмиттер — коллектор) практически не проходит, транзистор закрыт.

Рис. 14. Подведение напряжений к транзистору р-п-р для его закрытия.
Таким образом, незначительное изменение управляющего напряжения Uэб вызывает изменение тока через транзистор от нуля до максимального значения, переводит транзистор из открытого состояния в закрытое (и наоборот).
Сказанное выше относится и к транзисторам с обратной проводимостью типа п-р-п. Для прохождения через такой транзистор тока к нему следует подвести напряжение так, как показано на рис. 15. В этом случае эмиттер является источником свободных электронов, которые проходя через эмиттерный и коллекторный переходы, создают ток I0, h и Iк- Поскольку направление тока совпадает с перемещением положительных зарядов, считается, что ток через открытый п-р-п транзистор проходит от коллектора к эмиттеру. Противоположное направление токов в транзисторах разной проводимости учитывается в их условных изображениях. На рис. 16 стрелка направлена для транзистора р-п-р от эмиттера к базе, а для п-р-п от базы к эмиттеру.
В реле РЧ транзисторы включены по схеме с общим эмиттером; используют только полностью открытое или полностью закрытое состояние транзисторов, т. е. они работают в ключевом режиме.
Необходимо отметить еще одну особенность транзистора Поскольку эмиттер и коллектор представляют собой слои полупроводника одной и той же проводимости, принципиально возможна работа транзистора с обратной полярностью напряжения эмиттер—коллектор (рис 17) При этом коллектор играет роль эмиттера, и наоборот В таком случае транзистор открыт, если база будет отрицательнее коллектора Этот режим работы называется инверсным

Рис. 17. Работа транзисторов в инверсном режиме.
Мы рассмотрели работу полупроводниковых приборов очень упрощенно Принцип действия, устройство, характеристики полупроводниковых приборов, а также способы их использования достаточно широко освещены, например, в [1, 2], а технические данные и основные характеристики приведены, например, в [3].