Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

полупроводник кристалл биполярный транзистор

1. Кристаллическая структура элементарных полупроводников IV группы (кремний, германий). Изображение элементарной ячейки этих кристаллов

2. Зонная диаграмма p-n-перехода в равновесии и при прямом смещении

3. Выходная ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой

Литература

1. Кристаллическая структура элементарных полупроводников IV группы (кремний, германий). Изображение элементарной ячейки этих кристаллов

Кристаллимческая структумра -- такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов, называемая мотивной единицей, причем все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решетки. Можно считать, что структура возникает в результате синтеза решетки и мотивной единицы, в результате размножения мотивной единицы группой трансляции.

Полупроводниковые электронные приборы, электронные компоненты, изготовленные в основном из полупроводниковых материалов.

Полупроводник - это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах.

Кремний в аморфной форме -- коричневый порошок, в кристаллической -- тёмно-серый, слегка блестящий (рисунок 1). Чаще всего в природе кремний встречается в виде кремнезёма - соединений на основе диоксида кремния (IV) SiO2 (около 12 % массы земной коры). Основные минералы, образуемые диоксидом кремния - это песок (речной и кварцевый), кварц и кварциты,кремень. Вторую по распространённости в природе группу соединений кремния составляют силикаты и алюмосиликаты.

Германий - светло-серый полупроводник с металлическим блеском (рисунок 1). Основная его масса рассеяна в земной коре в большом числе горных пород и минералов. Германий концентрируется в месторождениях многих металлов -- в сульфидных рудах цветных металлов, в железных рудах, в некоторых окисных минералах (хромите, магнетите, рутиле и др.), в гранитах, диабазах и базальтах. Кроме того, германий присутствует почти во всех силикатах, в некоторых месторождениях каменного угля и нефти. Концентрация германия в морской воде 6Ч10?5 мг/л.

Рисунок 1 Внешний вид кристалла кремния (слева) и германия (справа)

В радиотехнике, германиевые транзисторы и детекторные диоды обладают характеристиками, отличными от кремниевых, ввиду меньшего напряжения отпирания pn-перехода в германии -- 0.4В против 0.6В у кремниевых приборов. Кроме того, обратные токи у германиевых приборов на несколько порядков больше таковых у кремниевых -- скажем, в одинаковых условиях кремниевый диод будет иметь обратный ток 10пА, а германиевый -- 100нА, что в 10000 раз больше. В своё время германиевые полупроводниковые приборы использовались повсеместно в радиоприёмниках и других конструкциях.

В настоящее время кремниевые диоды и транзисторы полностью вытеснили германиевые, и они не выпускаются ни в одной стране мира. Найти их можно только в старых радиоаппаратах либо из запасов радиолюбителей тех лет.

Ge и Si имеют кубическую гранецентрированную (рисунок 2) кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых расплавов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Рисунок 2 Кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка

Рисунок 3 Кристаллическая решетка кремния и германия

2. Зонная диаграмма p-n-перехода в равновесии и при прямом смещении

Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p-типа (positive -- положительный, дырочный), а другая - из полупроводника n-типа (negative -- отрицательный, электронный). Пограничная область между материалами p-типа и n-типа называется p-n-переходом (или электронно-дырочный переход). Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с n-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с p-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в p-область и дырок в n-область (рисунок 3) .

Зоной p-n-перехода называется область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.

Рисунок 3 Схематическое изображение p-n-перехода

Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:

1. в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n-область), а в другой -- акцепторной (p-область);

2. на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.

Если p-n-переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.

При контакте двух областей n- и p- типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p-области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются не скомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области -- не скомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт -- устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.

Рисунок 4 Энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия

Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p -- n-переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p- и n-областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Рисунок 5 Энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложенном прямом напряжении

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 105 -- 106 раз. Благодаря этому p-n-переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).

Рисунок 6 Энергетическая диаграмма p-n-перехода при приложенном обратном напряжении

3. Выходная ВАХ биполярного транзистора в схеме с общей базой

Транзимстор (от англ. transfer -- переносить и resistance -- сопротивление или transconductance -- активная межэлектродная проводимость иvaristor -- переменное сопротивление) -- электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.

Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).

Биполярный транзистор (международный термин -- BJT, bipolar junction transistor) -- трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы. В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» -- «два»).

Рисунок 7 Простейшая наглядная схема устройства транзистора

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора -- бомльшая площадь p -- n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.

В настоящее время в аналоговой технике доминируют биполярные транзисторые. Другой важнейшей отраслью электроники является цифровая техника (логика, память, процессоры, компьютеры, цифровая связь и т. п.), где, напротив, биполярные транзисторы почти полностью вытеснены полевыми.

Усилительный каскад с общей базой (ОБ) -- одна из трёх типовых схем построения электронных усилителей на основе биполярного транзистора. Характеризуется отсутствием усиления по току (коэффициент передачи близок к единице, но меньше единицы), высоким коэффициентом усиления по напряжению и умеренным (по сравнению со схемой с общим эмиттером) коэффициентом усиления по мощности. Входной сигнал подаётся на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. При этом входное сопротивление очень мало, а выходное -- велико. Фазы входного и выходного сигнала совпадают.

Особенностью схемы с общей базой является минимальная среди трёх типовых схем усилителей «паразитная» обратная связь с выхода на вход через конструктивные элементы транзистора.

Рисунок 8 Усилительный каскад по схеме с общей базой на основе npn-транзистора

Поэтому схема с общей базой наиболее часто используется для построения высокочастотных усилителей, особенно вблизи верхней границы рабочего диапазона частот транзистора. Достоинством схемы является то, что схема имеет стабильные температурные и частотные свойства, то есть параметры схемы(коэффициент усиления напряжения, тока и входное сопротивление) остаются неизменными при изменении температуры окружающей среды. Недостатком схемы является то, что нет усиления тока и малое входное сопротивление.

Рисунок 9 Схема включения биполярного транзистора с общей базой

Выходной характеристикой является зависимость

Iк = f(Uкб) при Iэ = const

Выходные ВАХ имеют три характерные области: 1 - сильная зависимость Iк от Uкб (нелинейная начальная область); 2 - слабая зависимость Iк от Uкб (линейная область); 3 - пробой коллекторного перехода.

Особенностью характеристик в области 2 является их небольшой подъем при увеличении напряжения Uкб.

Рисунок 10 Выходные вольт-амперные характеристики в схеме с общей базой

Литература

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кристаллическая_структура

2. http://ru.wikipedia.org/wiki/Германий

3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Кремний

4. http://www.bigpi.biysk.ru/encicl/articles/22/1002276/1002276A.htm

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/P-n-переход

6. http://www.bigpi.biysk.ru/encicl/articles/14/1001433/1001433F.htm

7. http://ru.wikipedia.org/wiki/wiki/Транзистор

8. http://ru.wikipedia.org/wiki/wiki/Биполярный_транзистор

9. http://ru.wikipedia.org/wiki/wiki/Усилительный_каскад_с_общей_базой

10. Изучение статических вольт-амперных характеристик биполярного транзистора и определение параметров его модели для схемотехнических расчетов. - Методические указания к лабораторной работе - М. 2002 г.

Размещено на Allbest.ru