Основи електроніки (стр. 9 )

Рис.18

При відсутності зовнішньої напруги між-р та - п ділянками існує потенціальний бар'єр і внутрішнє електричне поле. Якщо до діоду прикласти зворотну напругу, то висота потенціального бар'єру між ділянками р та п збільшиться на величину прикладеної напруги; зросте і напруженість електричного поля в р-п переході. Таким чином, змінювання извр, прикладеної до р-п переходу, приводить до зміни бар'єрної ємності між р-п ділянками. Величина бар'єрної ємності діода С визначається за формулою: де с - відносна діелектрична проникність напівпровідника; S - площа р-п переходу; dі - ширина р-п переходу.

При зростанні запірної напруги u ширина р-п переходу збільшується, а його бар'єрна ємність падає.

Рис.19

Основною характеристикою

варикапа є залежність його ємності від величини извр (вольтфарадна характеристика):

Залежність ємності варикапа від прикладеної напруги визначається технологією виготовлення р-п переходу. Основне застосування варикапа - електронна побудова коливальних контурів.

Фотодіоди. Фотодіод - це фотогальванічний приймач випромінювання без внутрішнього підсилення, фоточутливий елемент якого містить структуру напівпровідникового діода. Будова фотодіода аналогічна будові звичайного площинного напівпровідникового діода. Фотодіод виконаний так, що його р-п перехід одним боком звернений до скляного вікна, через яке потрапляє світло, і захищений від впливу світла з інших боків. Схема вмикання фотодіода наведена на рисунку 19. Напруга джерела живлення прикладена до фотодіоду в зворотному напрямку. При правильно підібраних опорі Rн та напрузі джерела живлення Е струм Ід залежить тільки від освітленості приладу. Фотодіод вмикають в схему як із зовнішнім джерелом живлення, так і без нього. Режим роботи фотодіода з зовнішнім джерелом живлення називається фотодіодним, а без нього - вентильним.

Фотодіоди використовують в фотометрії, для контролю джерел світла (люксметри), автоматичного регулювання та контролю температури; застосовують також у пристроях вводу та виводу сучасних ЕОМ, в оптоелектронних схемах.

Світлодіоди. Світлодіодом називається випромінювальний напівпровідниковий прилад з одним електронно-дірковим переходом, призначений для безпосереднього перетворення електричної енергії некогерентного світлового випромінювання.

При подачі в р-п перехід прямої напруги спостерігається інтенсивна інжекція неосновних носіїв заряду електронів в р - ділянку; дірок в п-ділянку. Інжектовані неосновні носії рекомбінують з основними носіями, при цьому виділяється енергія.

У багатьох напівпровідників рекомбінація носить безвипромінювальний характер - енергія віддається кристалічній решітці, тобто перетворюється у тепло. Однак у напівпровідників, що виконані на основі карбіду кремнію, галію, миш'яку, рекомбінація проходить з випромінюванням - енергія рекомбінації виділяється у вигляді квантів випромінювання - фотонів. Це явище використовується для створення світлодіодів.

Залежно від ширини забороненої зони напівпровідникове випромінювання лежить в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій частинах спектра. Найбільше розповсюдження одержали світлодіоди, які випромінюють жовте, червоне та зелене світло

ЛЕКЦІЯ 3

ТРАНЗИСТОРИ

Транзистором називається електроперетворювальний напівпровідниковий прилад з одним або декількома електричними переходами, придатний для посилення потужності і має три або більше виводів.

Найбільш поширені транзистори мають два р - п-переходи. У них використовуються заряди носіїв обох полярностей. Такі транзистори називають біполярними. Особливу групу складають польові, або уніполярні, а також одноперехідні транзистори (двухбазові діоди).

3.1 Будова біполярного транзистора

Схематично будову площинного біполярного транзистора з двома р - п-переходами показано на рис. 1. Основним елементомтом транзистора є кристал германію або кремнію, в якому створені три області різних провідностей. Дві крайні області завжди мають провідність однакового типу, протилежну провідності середньої області. На рис. 1, а зображено площинний транзистор, у якого крайні області мають електронну провідність, а середня - діркову. Такі прилади називаються транзисторами типу п - р - п.

У транзистора, схематичне зображення якого показано на рис. 1, б, крайні області мають діркову провідність, а середня - електронну. Такі прилади називаються транзисторами типу р - п - р. Фізичні процеси, що протікають в транзисторах обох типів, аналогічні.

Середня область називається базою транзистора, одна крайня область називається емітером, інша - колектором. До кожної з областей припаяні виводи, за допомогою яких прилад включається в схему. З рис. 1 видно, що в транзисторі є два р - п-переходи: емітерний (між емітером і базою) і колекторний (між базою і колектором). Відстань між ними дуже малі близько декількох мікрометрів. Отже, область бази представляє собою дуже тонкий шар. Крім того, концентрація атомів домішки в області бази незначна - у багато разів менша, ніж в емітері. Це є найважливішою умовою роботи транзистора. Конструктивно транзистори різняться в залежності від потужності і методу утворення р - п-переходів.

3.2 Принцип роботи транзистора

Для розгляду принципу роботи біполярного транзистора скористаємося схемою, наведеною на рис. 1. З малюнка видно, що транзистор являє собою по суті два напівпровідникових діода, що мають одну загальну область - базу, причому до емітерного р -п-переходу прикладена напруга Е1 в прямому (пропускному) напрямі, а до колекторного переходу прикладено напруга Е2 в зворотному напрямі. Зазвичай . При замиканні вимикачів В1 і В2 через емітерний р - п-перехід здійснюється інжекція дірок з емітера в область бази. Одночасно електрони бази будуть проходити в область емітера. Тобто, через емітерний перехід пройде струм за наступним шляхом: +Е1 міліамперметр mА1, емітер, база, міліамперметр mА2, перемикач В2 і В1, - Е1.

Якщо вимикач В1 розімкнути, а вимикачі В2 і ВЗ замкнути, то в колекторнjve ланцюгі пройде незначний зворотний струм, викликаний спрямованим рухом неосновних носіїв заряду - дірок бази і електронів колектора. Шлях струму: +Е2, вимикачі ВЗ і В2, міліамперметр mА2, база, колектор, міліамперметр mАЗ, - Е2.

22

Таким чином, кожен з р – п переходів в окремо підпорядковується тим закономірностям, які були встановлені раніше для р-п переходу.

Розглянемо тепер проходження струмів в ланцюгах транзистора при замиканні всіх трьох ключів. Як видно з рис. 2, підключення транзистора до зовнішніх джерел живлення призводить до зміни висоти потенційних бар'єрів р -п-переходів. Потенційний бар'єр емітерного переходу знижується, а коллекторного - збільшується.

Струм, що проходить через емітерний перехід, отримав назву емітерного струму (Іе). Цей струм дорівнює сумі діркової та електронної складових

Якби концентрація дірок і електронів в базі і емітері була однаковою, то прямий струм через емітерний перехід створювався б переміщенням однакової кількості дірок і електронів в протилежних напрямках. Але в транзисторах, як було сказано вище, концентрація носіїв заряду в базі значно менша, ніж в емітері. Це призводить до того, що число дірок, інжектованих з емітера в базу, у багато разів перевищує число електронів, які рухаються в протилежному напрямку. Отже, майже весь струм через емітерний р - п-перехід обумовлений дірками. Ефективність емітера оцінюється коефіцієнтом інжекції γ, який для транзистора типу р- п-р дорівнює відношенню діркової складової емітерного струму до загального струму емітера:

В сучасних транзисторах коефіцієнт γ зазвичай мало відрізняється від одиниці ().

Інжектовані через емітерний перехід дірки проникають вглиб бази. В залежності від механізму проходження носіїв заряду в області бази відрізняють бездрейфові і дрейфові транзистори. В бездрейфових транзисторах перенесення неосновних носіїв заряду через базову область здійснюється в основному за рахунок дифузії. Такі транзистори зазвичай отримують методом сплаву. В дрейфових транзисторах в області бази шляхом відповідного розподілу домішок створюється внутрішнє електричне поле і перенесення неосновних носіїв заряду через базу здійснюється в основному за рахунок дрейфу. Такі транзистори, отримують методом дифузії домішок.

Незважаючи на певні відмінності в механізмі проходження носіїв заряду через базу, і в бездрейфовому, і в дрейфовому транзисторі дірки, потрапивши в базу, для якої вони є неосновними носіями заряду, починають рекомбінувати з електронами. Але рекомбінація - процес не миттєвий. Тому майже всі дірки встигають пройти через тонкий шар бази і досягти колекторного р-п -переходу перш, ніж відбудеться рекомбінація. Підійшовши до колектора, дірки починають відчувати дію електричного поля колекторного переходу. Це поле для дірок є прискорюючим, тому вони в результаті екстракції швидко втягуються з бази в колектор і беруть участь у створенні струму колектора. Ланцюг колекторного струму: + Е2, вимикачі ВЗ і В1, міліамперметр mА1, емітер, база, колектор, міліамперметр mАЗ, - E2 (Див рис 1).