Полупроводниковые приборы (тиристоры,транзисторы, диоды)

Транзисторы

       Свойства p—n-пеpехода можно использовать для создания усилителя электрических колебаний, называемого полупроводниковым триодом или тpанзистоpом.

         В полупроводниковом триоде две p-

-области кристалла разделяются узкой n-

-областью. Такой триод условно обозначают p—n—p. Можно делать и n—p—n тpиод, т.е. pазделять две n-области кpисталла узкой p-

-областью (рис. 1).

         Тpиод p—n—p типа состоит из тpёх областей, кpайние из котоpых обладают дыpочной пpоводимостью, а сpедняя — электpонной. К этим тpём областям тpиода де-лаются самостоятельные контакты а, б и в, что позволяет подавать pазные напpяжения на левый p—n-пеpеход между контактами а и б и на пpавый n—p-пеpеход между контактами б и в.

         Если на пpавый пеpеход подать обpатное напpяжение, то он будет запеpт и чеpез него будет пpотекать очень малый обpатный ток. Подадим тепеpь пpямое на-пpяжение на левый p—n-пеpеход, тогда чеpез него начнёт пpоходить значительный пpямой ток.

         Одна из областей тpиода, напpимеp левая, содеpжит обычно в сотни pаз большее количество пpимеси p-типа, чем количество n-пpимеси в n-области. Поэтому прямой ток через p—n-пеpеход будет состоять почти исключительно из дыpок, движущихся слева напpаво. Попав в n-область тpиода, дыpки, совеpшающие тепловое движение, диффундируют по направлению к n—p-переходу, но частично успевают претерпеть рекомбинацию со свободными электронами n-области. Но если n-область узка и свободных электронов в ней не слишком много (не ярко выраженный проводник n-типа), то большинство дырок достигнет второго перехода и, попав в не-го, переместится его полем в правую p-область. У хороших триодов поток дырок, проникающих в правую p-область, составляет 99% и более от потока, проникающего слева в n-область.

         Если при отсутствии напряжения между точками а и б обратный ток в n— p-

-переходе очень мал, то после появления напряжения на зажимах а и б этот ток поч-ти так же велик, как прямой ток в левом переходе. Таким способом можно управлять силой тока в правом (запертом) n—p-переходе с помощью левого p—n-перехода. Запирая левый переход, мы прекращаем ток через правый переход; открывая левый переход, получаем ток в правом переходе.

Изменяя величину прямого напряжения на левом переходе, мы будем изменять тем самым силу тока в правом переходе. На этом и основано применение p—n—p-триода в качестве усилителя.

         При работе триода (рис. 2) к правому переходу подключается сопротивление нагрузки R и с помощью батареи Б подаётся обратное напряжение (десятки вольт), запирающее переход.

При этом через переход протекает очень малый обратный ток, а всё напряжение батареи Б прикладывается к n—p-переходу. На нагрузке же напряжение равно нулю. Если подать теперь на левый переход небольшое прямое напряжение, то через него начнёт протекать небольшой прямой ток. Почти такой же ток начнёт протекать и через правый переход, создавая падения напряжения на сопротивлении нагрузки R. Напряжение на правом n—p-переходе при этом уменьшается, так как теперь часть напряжения батареи падает на сопротивлении нагрузки.

         При увеличении прямого напряжения на левом переходе увеличивается ток через правый переход и растёт напряжение на сопротивлении нагрузки R. Когда левый p—n-переход открыт, ток через правый n—p-переход делается настолько большим, что значительная часть напряжения батареи Б падает на сопротивлении нагрузки R.

         Таким образом, подавая на левый переход прямое напряжение, равное долям вольта, можно получить большой ток через нагрузку, причём напряжение на ней составит значительную часть напряжения батареи Б, т.е. десятки вольт. Меняя напряжение, подводимое к левому переходу, на сотые доли вольта, мы изменяем напряжение на нагрузке на десятки вольт. таким способом получают усиление по напряжению.

         Усиления по току при данной схеме включения триода не получается, так как ток, идущий через правый переход, даже немного меньше тока, идущего через левый переход. Но вследствие усиления по напряжению здесь происходит усиление мощности. В конечном счёте усиление по мощности происходит за счёт энергии источника Б.

         Действие транзистора можно сравнить с действием плотины. С помощью постоянного источника (течения реки) и плотины создан перепад уровней воды. Затрачивая очень небольшую энергию на вертикальное перемещение затвора, мы можем управлять потоком воды большой мощности, т.е. управлять энергией мощного постоянного источника.

Переход, включаемый в проходном направлении (на рисунках - левый), называется эмиттерным, а переход, включаемый в запирающем направлении (на рисунках - правый) — коллекторным. Средняя область называется базой, левая — эмиттером, а правая — коллектором. Толщина базы составляет лишь несколько сотых или тысячных долей миллиметра.

         Срок службы полупроводниковых триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных ламп. За счёт чего транзисторы нашли широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре и, конечно же, в компьютерах. Они заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

         Преимущества транзисторов по сравнению с электронными лампами - те же, как и у полупроводниковых диодов - отсутствие накалённого катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того транзисторы сами по себе во много раз меньше по массе и размерам, чем электрические лампы, и транзисторы способны работать при более низких напряжениях.

         Но наряду с положительными качествами, триоды имеют и свои недостатки. Как и полупроводниковые диоды, транзисторы очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и сильно проникающим излучениям (чтобы сделать транзистор более долговечным, его запаковывают в специальный “футляр”).

         Основные материалы из которых изготовляют триоды — кремний и германий.

Тиристоры

Появилась в самом начале 50-х годов и четырехслойная структура, получившая вначале название «хук-транзи­стор», или транзистор с ловушкой в коллекторе. Наряду с приборами, дающими возможность осуществ­лять линейное усиление сигналов, в электронике, в вычис­лительной технике и, особенно в автоматике широкое при­менение находят приборы с падающим участком вольтамперной характеристики. Эти приборы чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротив­лением.

10—15 лет назад в схемах электронной автоматики в качестве электронного ключа использовали газонапол­ненный прибор — тиратрон. При подаче управляющего (поджигающего) импульса в баллоне тиратрона начинался лавинный процесс ионизации газа. Промежуток между анодом и катодом становился проводящим и замыкал силовую цепь.

С появлением плоскостного биполярного транзистора несколько позже было замечено, что характеристики такой структуры во многом напоминали характеристики тиратронов, и приборы такого типа получили название тиристоров (по аналогии с терминами тиратрон и тран­зистор).         

В ходе развития полупроводниковой техники появились и другие приборы, обладающие аналогичными характери­стиками, хотя их работа и основана на других принципах. К числу таких, приборов можно отнести двухбазовый диод и лавинный транзистор. Оба эти прибора не подходят под определение тиристора, однако мы включаем их в эту главу, исходя из области их применения.

Итак, начнём рассмотрение основных физических процессов, протекающих в четырехслойной триодной структуре типа р-п-р-п, в которой выводы сделаны от двух крайних областей и от средней n-области. В соответствии с терми­нологией МЭК прибор, имеющий такую структуру, назы­вается триод-тиристором. Четырехслойная структура с двумя выводами от крайних областей называется диод-тиристором.

    Если транзистор типа р-п-р-п включить в схему так, как обычно включается транзистор типа р-п-р, т. е. счи­тать правую n-область коллек­тором, и подать на нее отри­цательное по отношению к ба­зе (средняя n-область) смеще­ние, а эмиттер (левая р-область)  временно  оставить разомкнутым, то подключен­ную к источнику питания                

 рис.1  Схематическое изображение биполярного транзистора типа р-п-р-п с двойным переходом (ловушкой) в коллекторе.

часть транзистора, состоящую из трех областей, можно рассматривать как самостоятельный транзистор типа п-р-п, подключенный эмиттером и коллектором к источнику пита­ния. База этого условного транзистора к схеме не подклю­чена, транзистор работает в режиме нулевого тока базы (рис.1).

Так как в данном случае мы имеем дело не с транзисто­ром р-п-р, а с транзистором п-р-п, то очевидно, что кол­лектором этого условного транзистора должен быть эле­ктрод, к которому подводится положительное напряжение, а эмиттером — электрод, к которому

подводится отрица­тельное напряжение. Другими словами, полярность при­ложенного к условному транзистору напряжения такова, что средний р-п переход имеет смещение в обратном направлении и на нем падает почти все напряжение источника питания, тогда как правый р-п переход имеет смещение в прямом направлении.  

Обозначая двумя штрихами вели­чины, относящиеся к этому условному транзистору, запишем

I’’_к= I’’_э =(B’'₀+1)* I’’_к0

Отметим, что для структуры р-п-р-п в целом этот ток будет представлять собой коллекторный ток при отключенном эмиттере. Величины, относящиеся ко всей рассматри­ваемой нами структуре, будем записывать без индексов. Таким образом,

I_к0 = I’’_к =(B’'₀+1)* I’’_к0

т. е. обратный ток. коллектора структуры р-п-р-п в (B’'₀+1) раз превосходит обратный ток одиночного перехода. Это одна из особенностей структуры р-п-р-п.

Так как выходным электродом условного транзистора п-р-п является его эмиттер, а коллектор подключен к за­земленной точке, то можно считать, что условный тран­зистор включен по схеме с общим коллектором. Входным электродом условного транзистора является его база, т. е. средняя р-область.

Для транзистора, включенного по схеме с общим кол­лектором, усиление по току как отношение изменения выходного тока к вызвавшему его изменению входного тока будет равно

ê I’’_э                  ê I’’_э                                 1                                 1

ê I’’_б            êI’’_э- êI’’_к             1- êI’’_к/êI’’_э           1   -  a’’₀

Следовательно, изменение тока базы условного тран­зистора должно привести к изменению тока в выходной цепи, в 1/ (1   -  a’’₀ ) раз большему.

Если подать смещение в прямом направлении на левый р-п переход, то он будет инжектировать дырки в среднюю n-область. Дырки будут распространяться диффузионно в направлении среднего р-п перехода, втягиваться его полем и выбрасываться в среднюю р-область. Три левых слоя работают при этом, как транзистор типа р-п-р, вклю-­

ченный с общей базой. Ток эмиттера этого левого условного транзистора I’_э будет, очевидно, равен току эмиттера I_э структуры р-п-р-п.

Таким образом, получаем, что структура р-п-р-п пред­ставляет собой как бы два наложенных один на другой плоскостных транзистора, из которых первый является транзистором р-п-р, включенным по схеме с общей базой, а второй — транзистором

 п-р-п, включенным по схеме с общим коллектором. Рис а, б

Так как области n₁ и n₂ практически представляют собой одну и ту же n-область, связанную выводом базы с заземленной точкой, то мы имеем все основания заземлять отдельно каждую из этих областей, оставив области p₁ и р₂ соединенными проводником.            

Усиление по току структуры в целом определяется соотношением

a₀ =a’ ₀/[1-a’’ ₀]

Таким образом, при условии, что коэффициент усиле­ния по току каждого из условных транзисторов ( a’₀, и a’’₀) меньше единицы, коэффициент передачи тока структуры

                                    а)                                            б)

Схематическое изображение двух стадий (а и б) разде­ления транзистора р-п-р-п на два условных триода р-п-р и п-р-п

р-п-р-п в целом может значительно превышать единицу. Поясним механизм работы этой структуры с помощью энергетических диаграмм рис. 2. Когда отсутствует внешнее напряжение, положение границ зон структуры р-п-р-п (рис. 2 а) будет иметь вид, представленный на рис. 2 б

Дополнительный потенциальный барьер в коллекторе принято обычно называть ловушкой, в связи с чем струк­туру типа р-п-р-п иногда называли транзистором с ловуш­кой в коллекторе.

Когда приложены внешние напряжения указанной выше полярности, высота потенциального барьера среднего пере­хода резко возрастает, а высота левого и правого потен­циальных барьеров несколько понижается. Если рассмат­ривать только теоретическую модель, т. е. пренебречь паде­нием напряжения на распределенном сопротивлении, то высота левого барьера понизится на величину приближенного к эмиттеру напряжения, а высота правого барьера на величину, определяемую током I’_к, протекающим через этот переход рис.в

Изменение   напряжения между эмиттером и базой приводит к инжекции дырок в среднюю n-область. Диффун­дируя через среднюю n-область и попадая через запер­тый переход в среднюю р-область, дырки повышают концентрацию основных носи­телей в этой области.

Повышение концентрации основных носителей в средней р-области приводит к пони­жению высоты правого р-п перехода и инжекции элек­тронов из правой n-области в среднюю р-область. Элек­троны проходят среднюю р-об­ласть и уходят через потен­циальный барьер в среднюю n-область. Часть из них рекомбинирует в р-области.

Условие равновесия и электрической нейтральности требует чтобы число дырок, вошедших в р-область, было равно числу электронов рекомбинировавших при движении через p-область.

Отсюда ясно, что поскольку рекомбинирует в объеме 1   -  a’’₀ от всех вошедших в этот объем электронов то появление в средней р-области некоторого количества дырок

вызывает инжекцию в эту область в  1/(1   -  a’’₀ )  раз большего количества электронов. Так как число дырок, достигших средней р-области, a’₀ в раз меньше числа дырок, инжектированных эмиттером (левой p-областью), а число электро­нов, вызванных этими дырками из правой n-области, в 1/(1   -  a’’₀ )  раз больше, чем число дырок, достигших р-области, то результирующий коэффициент передачи тока ока­зывается равным:

a₀    =      a’₀ /(1   -  a’’₀)

Рис. 2. Диаграммы положения границ зон и прохождения носителей заряда в структуре р-п-р-п:

а—схематическое   изображение структуры р-п-р-п, б - положение границ зон при отсутствии внешних напряжений, в—положение границ зон при подаче, на коллектор отрицательного, а на эмиттер положительного смещения относительно базы

            положение границ зон до подачи смещения, 

            изменение положения границ зон правого перехода при попадании инжектированных эмиттером дырок в среднюю р-область.

Коэффициент усиления по току, превышающий единицу, при соответствующем направлении входного и выходного тока обеспечивает работу прибора в ключевом режиме.

     Биполярный транзистор при включении его по схеме с общей базой имеет необходимые направления токов, но его коэффициент усиления по току a₀ < 1. При включении по схеме с общим эмиттером коэффициент усиления по току превышает единицу (B₀ > 1), но не соблюдаются необхо­димые направления токов. В четырехслойной тиристорной структуре выполняются оба эти условия.

Список используемой литературы

1.Батуше В.А. Электронные приборы М. : Высшая школа, 1980.

2 Пасынков В.В.,Чиркин Л.К.,Шинков А.Д. Полупроводниковые приборы М.:Высшая школа, 1980.

3 Полупроводниковые приборы: диоды,тиристоры,оптоэлектронные приборы/ Справочник Под ред. Н.Н. Горюнова. М.,/Энергоатомиздат, 1982

4 Электронные приборы./Под ред. Г.Г.Шишкина М.,/ Энергоатомиздат 1989