а) б)

Рисунок 2.5 - Односторонній стабілітрон і його вольт-амперна характеристика (а); двухсторонній стабілітрон і його вольт-амперна характеристика (б)

Основними характеристиками напівпровідникових стабілітронів є напруга стабілізації U_ст і струм стабілізації I_ст, динамічний опір і температурний коефіцієнт напруги.

Величина динамічного (диференціального) опору характеризує нахил робочої області і, інакше кажучи, ступінь стабільності напруги стабілізації при зміні струму стабілізації

.

В залежності від напівпровідникові стабілітрони можна розділити на дві групи: регулюючі (загального призначення) і опорні (прецизійні).

Регулюючі в основному використовуються в стабілізаторах і обмежувачах постійної та імпульсної напруги. Прецизійні служать джерелами еталонної напруги в схемах, де вимагається висока ступінь стабілізації напруги.

Температурний коефіцієнт напруги (ТКН) стабілітрона показує як змінюється відносна напруга стабілізації при зміні температури на 1 град при постійному струмі стабілізації

.

У низьковольтних стабілітронів ТКН негативний (U_ст<5,4 В). В більш високовольтних - ТКН позитивний. В таких стабілітронах для зниження ТКН паралельно зі стабілітроном, що працює в нормальному режимі (зворотньому), вмикають один або декілька стабілітронів, що працюють при прямій напрузі. Це зумовлено тим, що пряма гілка вольт-амперної характеристики має від'ємний ТКН. Замість стабілітронів можна вмикати і звичайні випрямляючі діоди. До параметрів стабілітронів слід віднести також коефіцієнт стабілізації К_ст, який визначається як відношення відносної зміни напруги на вході до відносної зміни напруги на виході стабілітрона.

,

де і - номінальні напруги на вході і на виході стабілітрона.

В електричне коло стабілітрон вмикається за схемою, приведеною на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 - Схема включення стабілітрона

Принцип роботи стабілізатора напруги полягає в наступному. При зміні напуги на вході змінюється струм, що протікає через стабілітрон, а напруга на стбілітроні та опорі навантаження будуть постійними. При цьому змінюється падіння напруги на балансному опорі R_бал. Стабілізація забезпечується при умові, що при максиальній зміні U_вх струм, який протікає через стабілітрон не виходить за межі I_max - I_min (рис. 2.5,а). Величина балансного опору R_бал вибирається таким чином, щоб при номінальній напрузі на вході, струм стабілітрона рівнявся деякому середньому значенню I₀.

Слід відмітити, що для виготовлення стабілітронів з невеликими напругами стабілізації (0,3…1 В), використовується пряма гілка ВАХ p-n переходу. Такі прилади називаються стабісторами.

Особливою групою серед напівпровідникових стабілітронів є кремнієві симетричні обмежувачі напруги (КСОН), або двосторонні стабілітрони (рис. 2.5,б), які характеризуються симетричною ВАХ відносно початку координат та можуть бути використані для усунення перенапруження в приладах перетворювальної техніки, в потужних обмежувачах напруги. Ці прилади випускаються на робочі напруги до 5000 В при струмі до 1 А.

2.4 Варикапи

Варикапи - це напівпровідниковий діод, в якому використовується залежність ємності p-n переходу від зворотної напруги, тобто це елемент з електрично керуваною величиною електроємності. Напівпровідниковим матеріалом для виготовлення варикапів служить Si. При зміні напруги на p-n переході змінюється заряд в подвійному електричному шарі, що еквівалентно деякій ємності

.

Ємність, яка виникає при прямому зміщенні називається дифузійною і її можна визначити за виразом

,

де - стала часу.

Ця ємність не використовується, оскільки при прямому зміщенні протікає відносно великий струм і тому вона характеризується широкою

Залежність бар'єрної ємності від напруги на p-n переході можна визначити за виразом

, (2.2)

де - відносна діелектрична проникність напівпровідника;

- діелектрична стала;

- контктна різниця потенціалів;

- зворотна напруга.

У відповідності з виразом (2.2) можна побудувати вольт-амперну характеристику варикапа (рис. 2.7).

Рисунок 2.7 - Вольт-фарадна характеристика варикапа і його позначення на електричних схемах

Основними параметрами варикапів є максимальна загальна ємність варикапа С_ВМАХ, яка визначається найчастіше при невеликих зворотніх напругах (-2…-4 В). Коефіцієнт перекриття ємності К_С = С_МАХ /С_MIN. Для більшості варикапів С_ВМАХ =10…500 пФ, а коефіцієнт перекриття ємності К_С = 2…20 пФ. До параметрів відносяться також добротність варикапа, яка для широкорозповсюджених варикапів рівняється біля 50.

Варикапи використовуються в приладах керування частотою та фазою ВЧ та НВЧ коливань, у системах автоматичного підстроювання частоти та дистанційного керування, в параметричних підсилювачах з малим рівнем власних шумів.

Варикапи, які використовуються в помножувачах частоти і характеризуються значною нелінійністю ВАХ називаються варакторами.

2.5 Випрямляючі діоди

Випрямляючі діоди призначені для перетворення змінного струму пониженої частоти в постійний і вони розподіляються на випрямляючі діоди I_випр < 10 А та силові вентилі (I_сер > 10 А). Гранична робоча частота випрямляючих діодів не перевищує 5…20 кГц. Останнім часом в нашій країні розроблені та серійно випускаються силові вентилі типу ВЧ, що працюють на частотах 200 кГц.

Основою випрямляючого діода є напівпровідникова прямокутна або круглої форми пластина з p-n переходом. На пластину з двох сторін наносять металеві контакти, до яких під'єднуються зовнішні електроди. Отриманий випрямляючий елемент розміщзують в корпус, що забезпечує необхідну механічну міцність та захист від дії навколишнього середовища.

Мінімальна товщина напівпровідникової пластини залежить від її механічної міцності. Завдяки цьому ширина базової області p-n переходу набагато більше ширини емітерної області. Для виготовлення діодів як вихідний матеріал використовують напівпровідники n -типу, і тому базова область діода має електронну провідність і концентрація домішок в базі набагато менша, ніж в емітері, тому опір бази набагато більший за опір емітера і приблизно рівний по величині опору p-n переходу. Площа p-n переходу залежить від допустимої величини струму, але максимальна величина площі визначається механічною міцністю напівпровідникової пластини, яка в свою чергу залежить від якості контактів металевих електродів та напівпровідників, які мають різні коефіцієнти лінійного розширення. Тому в процесі експлуатації при багаторазових циклах нагріву (за рахунок протікання прямого струму) та охолодження можливе розтріскування напівпровідниковіх пластинок великої площі через явище стомлювання.

ВАХ та параметри випрямлюючого діоду відрізняються від аналогічних для ідеального p-n переходу завдяки впливу ширини базової області, якості контактів та поверхні напівпровідника.

Ця різниця показана на рис. 2.8 де приведена ВАХ ідеального переходу (крива 1) і реального діода (крива 2). Прямі гілки ВАХ відрізняються на величину ?U, що являє собою суму падінь напруги на контактах U_К в областях емітера U_Е і бази U_Б: ?U = U_К +U_Е + U_Б.

Для наближених розрахунків можна знехтувати падінням напруги в області емітера та на контактах, опір яких набагато менший опору бази.

Рисунок 2.8 - Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

З урахуванням цього припущення ВАХ діода можливо описати рівнянням

,

яке справедливе для невеликих ділянок ВАХ, що характеризуються низькими значеннями прикладеноїнапруги (прямої і зворотної).

При підвищенні прямої напруги потенціальний бар'єр p-n переходу дещо знижується і практично перестає впливати на прямий струм діода, значення якого в основному залежить від опору базової області. Внаслідок цього струм діоду лінійно залежить від напруги.

Цей відрізок прямої гілки ВАХ, що називається омічним, описується наближеним рівнянням

І = (U - U₀)/R_д ,

де U₀ - напруга відсікання, рівна відрізку, що відсікається на осі напруг лінійною частиною характеристики;

R_д - динамічний опір, що характеризує нахил лінійної частини характеристики (рис. 2.9).

Опір R_д збільшується при підвищенні температури. Про це свідчить зменшення кута нахилу з підвищенням температури. Параметри U₀ і R_д знаходяться з ВАХ (рис. 2.9) або приймаються рівними U₀ =(0,4...0,7)ц₀ , R_д = r_б .

На кривій зворотного струму І_зв діода відсутня дільниця насичення, характерна для ідеального діода з p-n переходом. Ріст струму зумовлений ефектами генерації і лавинного розмноження носіїв заряду в об'ємі p-n переходу, а також впливом поверхневих струмів втечі.



Рисунок 2.9 - Вольт-амперна характеристика випрямляючого діода

Рівняння для зворотного струму має вигляд

I_ЗВ = М(I₀ + І_T)+I_вт ,

де М - коефіцієнт лавинного розмноження носіїв заряду, який залежить від властивостей напівпровідникових областей, що створюють p-n перехід , а також від величини зворотної напруги;

I₀ - струм насичення, зумовлений генерацією носіїв заряду за межами області p-n переходу;

I_T - струм термогенерації, зумовлений генерацією носіїв заряду в області p-n переходу;

I_вт - струм втечі, зумовлений поверхневою електропровідністю поверхні напівпровідника у p-n переході.

Вітчизняною промисловістю випускається широка номенклатура германієвих і кремнієвих випрямляючих діодів на струми до 500 А і на зворотні напруги до 1000 В.

Найпростіша схема випрямляча на напівпровідниковому діоді має вигляд, наведений на рис. 2.10.



Рисунок 2.10 - Схема випрямляча на напівпровідниковому діоді

В селеновому випрямлячі p-n структуру складає дірковий полікристалічний селен, який знаходиться в стальній або алюмінієвій підкладці і покриваючий з зовнішньої сторони тонким шаром селеніда кадмія, який має електронну провідність.

2.6 Тунельні діоди

Тунельними діодами називаються напівпровідникові діоди, p-n перехід яких утворюється з двох вироджених напівпровідників. Виродженими називають напівпровідники з високою концентрацією носіїв заряду порядка 10¹⁹ См^-3 і більше

В 1958 році було встановлено, що такі напівпровідники мають аномальну ВАХ (рис. 2.11). На відміну від інших діодів вони добре проводять струм не тільки в прямому, але й в зворотньому напрямках, а на прямій гілці ВАХ має місце ділянка струму. Аномальний хід характеристики сильно легованих p-n структур зумовлений, як було встановлено, тунельним ефектом. Як відомо, частинка, що має енергію, недостатню для проходження через потенціальний бар'єр, може все ж таки пройти крізь нього, якщо з другої сторони цього бар'єру є такий же вільний енергетичний рівень, який займала частинка перед бар'єром. Це явище називається тунельним ефектом. В квантовій механіці показується, що ймовірність тунельного переходу тим вища, чим вужчий потенціальний бар'єр і чим менша його висота. Тунельний перехід здійснюється електронами без витрат енергії.

Рисунок 2.11 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода

В звичайних діодах, які мають концентрацію домішок в менш легованій області 10¹⁷ 1/см³, товщина p-n переходу порівняно велика і ймовірність тунельного переходу мала.

В тунельних діодах завдяки високій концентрації товщина p-n переходу становить 0,01 мкм, тобто бар'єр є дуже вузьким. В цих умовах ймовірність тунельного переходу електронів через бар'єр виявляється значною, що і призводить до зміни вигляду його характеристики.

Розглянемо енергетичну діаграму сильно легованої p-n структури при різних значеннях прикладеної до неї напруги. Внаслідок високої концентрації домішок локальні рівні в такій структурі перетворюються в суцільну зону, а рівень Фермі зміщується в зону провідності в n-області і в валентну зону p-області. Напівпровідники такого типу називаються виродженими. Енергетична діаграма тунельного діоду при нульовому зміщенні приведено на рис. 2.12. Штриховкою показані енергетичні рівні, які заповнені електронами. В цьому випадку електрони можуть здійснювати тунельні переходи в обох напрямках; в стані рівноваги сумарний струм дорівнює нулю.

Рисунок 2.12 - Енергетична діаграма тунельного діода

Якщо на тунельний діод подано зворотню напругу, то енергетичні зони зміщуються таким чином, що напроти заповнених рівнів валентної зони p-області розміщуються вільні рівні зони провідності n-області (рис. 2.13). При цьому домінуючим буде потік електронів, які здійснюють тунельний перехід із валентної зони p-області в зону провідності n-області, що приведе до зростання зворотнього струму діода. Нагадаємо, що в звичайних діодах зворотній струм невеликий, оскільки він створюється за рахунок екстракції неосновних носіїв, які мають малу концентрацію.

Якщо на тунельний діод подано пряме зміщення, то заповнені рівні зони провідності n-області розміщуються напроти пустих рівнів валентної зони p- області і починає домінувати тунельний перехід електронів із зони провідності n-області в валентну зону p-області (рис. 2.14).



Рисунок 2.13 - Енергетична діаграма тунельного діода при подачі зворотної напруги

Рисунок 2.14 - Енергетична діаграма тунельного діода при прямому зміщенні

Тунельний струм, який створюється за рахунок цих переходів, має значно більшу величину ніж звичайний дифузійний струм, який показаний на характеристиці пунктиром (рис. 2.15). Він досягає максимального значення коли рівень Фермі p-області співпадає з верхнім рівнем валентної зони p-області, що відповідає напрузі на діоді порядка 40…50 мВ для германієвих діодів і 100…150 мВ для діодів із арсенід галію. При подальшому збільшенні прямого зміщення перекриття заповнених і пустих рівнів зменшується і тунельний струм падає. Коли зона провідності n-області повністю встане навпроти забороненої зони p-області, тунельний струм повинен впасти до нуля і в діоді повинна залишитись лише дифузійна складова струму. Однак в цьому режимі через діод тече надлишковий струм, який визначається локальними рівнями в забороненій зоні.

Рисунок 2.15 - Вольт-амперна характеристика тунельного діода

Параметрами тунельного діода є:

величина струму в точці максимума (від міліампера до сотні міліампер);

напруга роствору U_pp - пряма напруга, більша напруги впадини, при якій струм розриву рівний піковому;

питома ємність С₀/I_n ;

гранична резистивна частота f_Г - це розрахункова частота, на якій активна складова опору послідовної схеми, яка складається з опору p-n переходу і опору втрат дорівнює 0;

резонансна частота f₀, Х=0, X_L=X_C;

ємність p-n переходу X_C;

індуктивність корпуса і виводів L.

Мінімальний струм і відношення I_max/I_min, яке, як правило, не перевищує 4. Від'ємна диференціальна провідність діода може досягати сотень мА/В. Наявність від'ємної провідності вказує на можливість використання цього пристрою для генерування і на можливість використання цього пристрою для генерування і підсилення коливань, перетворення сигналів і перемикання.

В зв'язку з тим, що перенесення заряду в тунельному діоді здійснюється основними носіями, проходження яких не зв'язано з накопиченням неврівноваженого заряду, прилад має надзвичайно малу інерційність. Гранична частота тунельного діода обмежується лише ємністю перереходу, розподіленим опором бази та індуктивності виводів і може досягати сотень Гц. Відмінною якістю є також малий рівень шумів, мале споживання потужності, стійкість до ядерного і теплового опромінення, мала вага і габарити.

2.7 Високочастотні діоди

Ge i Si ВЧ діоди з точковим контактом використовуються на частотах близьких до декілька сот МГц для випрямлення, детектування коливань та інших нелінійних перетворень.

Електронно-дірковий перехід в таких діодах створюється на місці контакту металевої (або бронзової) голки з пластиною Ge або Si. В результаті формовки, пропускання через діод коротких, але достатньо потужніх імпульсів, металева голка зварюється з напівпровідником і біля її вістря створюється p-n перехід. Друга площина пластини Ge припаюється до металевого кристалотримача і в місці спаю утворюється омічний контакт.

Оскільки площа переходу у точкових діодів порівняно мала, то допустима потужність розсіювання не перевищує 20…30 мВт, Прямий струм зазвичай не перевищує 50 мА, а пряма напруга - 1…2 В. Ge та Si точкові діоди допускають зворотню напругу до 200…300 В. Ємність переходу не перевищує одиниць пікофарад, а частотний діапазон поширюється до 150…200 МГц.

Для розширення частотного діапазону діода необхідно зменшувати ємність переходу С, опір діода Z та прямий опір p-n переходу R_пр.

2.8 Обернені діоди

Обернений діод - різновидність тунельного діоду, в якого струм піку І_п = 0. Вольт-амперна характеристика та умовне позначення обернених діодів на електричних схемах приведено на рис. 2.16.

Рисунок 2.16 - Вольт-амперна характеристика оберненого діода і його позначення на електричних схемах (ТС - тунельний струм, ДС - дифузійний струм)

Якщо до оберненого діоду прикласти пряму напругу U_пр0,3 В, то прямий струм діода І_пр = 0, навіть при невеликій зворотній напрузі (десятки мілівольт) зворотній струм досягає декількох міліампер внаслідок тунельного пробою. Таким чином, обернений діод характеризується вентильними властивостями при прямих напругах якраз в тій області, де звичайні випрямляючі діоди цими якостями не характеризуються. При цьому напрямком найбільшої провідності є напрямок, що відповідає зворотному струму.

Обернені діоди застосовують як і тунельні в імпульсних пристроях, а також як перетворювачі сигналів (змішувачі та детектори) в радіотехнічних пристроях.

2.9 Імпульсні діоди

Імпульсні діоди використовуються для роботи в ключових схемах. Крім основних параметрів I_пр, U_пр, I_звор, U_звор для діодів цього типу приладів вказуються спеціальні параметри, які характеризують перехідні процеси в приладі при швидких зміна зовнішньої напруги. Ці параметри пролюстровані на рис. 2.17, 2.18. Параметр ф_вст характеризує час встановлення прямої напруги на діоді (зменшення піку до величини 1,2 U_пр.ст.). Величина ф_вст характеризує час розсмоктування інжектованих носіїв та зниження в наслідок чого опір бази.



Рисунок 2.17 - Характеристики імпульсних діодів

При перемиканні напруги з прямої на зворотню розсмоктування надлишкової концентрації інжектованих носіїв в базі за рахунок дифузії та рекомбінації відбувається не миттєво. Цей процес характеризується параметром ф_відн - час відтновлення зворотного опору.

Рисунок 2.18 - Параметри напруги та струму імпульсних діодів

Насправді, в момент перемикання інжекція носіїв, припустимо дірок, в базу припиняється; в базі біля переходу концентрація дірок знижується до рівноважної. Але інжектовані раніше дірки ще не встигли пройти всю базу та, відповідно, концентрація дірок в товщині бази вища, ніж в переході. Наряду з дифузійним рухом дірок до виводу бази виникає їх дифузійний рух в зворотному напрямку до емітеру. Рівноважне значення концентрації дірок по всій базі встановлюється через час ф_відн, коли описані процеси закінчуються. Для прискорення цього процесу базу в деяких імпульсних діодах легують домішками, які утворюють пастки та сприяють рекомбінації неосновних носіїв. Легування бази золотом дозволяє знизити час процесів відновлення до величини порядку 10^-9 с. Знизити час ф_відн дозволяє також застосування бази з неоднорідною концентрацією домішки. В таких діодах концентрація домішок в базі монотонно збільшується по мірі віддалення від переходу.

Нерівномірною виявляється й концентрація основних, рухомих носіїв. В базі електрони з n-напівпровідника дифундують до переходу та оголяють далеко від переходу позитивні іони домішок. Таким чином, в базі встановлюється електричне поле, вектор напруженості якого спрямований до переходу. Під дією цього поля дірки, інжектовані в базу, дрейфують до переходу, притискаються до межі запираючого шару, де утворюють об'ємний заряд дірок підвищеної густини. При перемиканні напруги з прямої на зворотню ці дирки втягуються полем переходу за малий час. Внаслідок цього час відновлення в таких діодах значно менший, ніж в діодах з однорідною базою. Такі діоди отримали назву - діоди з накопиченням заряду (ДНЗ).

Інші параметри - максимальна імпульсна напруга (пряма) U_{пр.імп.мах} та максимальний імпульсний струм I_пр.імп, а також їх співвідношення, яке називається імпульсним опором.

Ємність переходу має бути по можливості меншою одиниці пікосекунд.

За часом відновлення зворотного опору ф_відн імпульсні діоди поділяються на мілісекундні (ф_відн >0,1 мсек), мікросекундні (0,1мсек>ф_відн >0,1 мксек), та наносекундні (ф_відн <0,1 мксек).

2.10 Запитання та завдання для самоконтролю

1. Назвіть основні матеріали для виготовлення діодів.

2. Що характеризує температурний коефіцієнт напруги?

3. Для чого призначені випрямляючі діоди?

4. Чим відрізняються вольт-амперні характеристики кремнієвих та германієвих діодів?

5. Призначення та принцип дії напівпровідникового стабілітрона. Нарисуйте його ВАХ та поясніть основні параметри стабілітрона.

6. Зобразіть електричну схему найпростішого стабілізатора напруги та поясніть призначення елементів схеми.

7. Запишіть рівняння бар'єрної ємності від напруги та поясніть хід графіку вольт-фарадної характеристки варикапу.

8. Параметри й характеристики випрямляючих діодів.

9. Зобразіть електричну схему однотактного напівперіодного випрямляча напруги та поясніть призначення елементів схеми.

10. Назвіть основні параметри тунельного діода. Особливості його будови.

11. Зобразіть енергетичні діаграми тунельного діоду в різних режимах роботи.

12. Будова, призначення та принцип дії високочастотних діодів.

13. Будова, призначення та принцип дії обернених діодів.

14. Параметри імпульсних діодів.

15. Нарисуйте часові діаграми напруги і струму імпульсного діоду при прямокутній вхідній дії.

3. БІПОЛЯРНІ ТА УНІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

3.1 Структура транзисторів

Транзистором називають електроперетворювальний напівпровідни-ковий прилад, який складається, яке правило, із двох p-n переходів. Структура площинного транзистора схематично зображена на рис. 3.1.

Рисунок 3.1 - Структура біполярного площинного транзистора

Основою транзистора є пластина германію n-типу провідності (1), яку називають базовою областю. З двох сторін в базу вплавлені таблетки індію, або іншим методом формуються р-області, на межі розподілу яких в процесі вплавлення утворюються p-n- переходи. Одна із р-областей індію характеризується більш високою концентрацією носіїв заряду та меншим об'ємом і називається емітерною областю (2), а перехід, який утворюється між нею і базовою областю називають емітерним переходом. Металевий контакт до області емітера називають емітерним електродом (3), до якого під'єднаний вивід (4). Металевий контакт до n-області бази називають базовим електродом (5), до якого під'єднаний базовий вивід (6). Друга р-область характеризується невисокою концентрацією носіїв заряду і більшим об'ємом, у порівнянні з емітерною областю і називається колекторною областю (7). Металевий контакт до області колектора називають колекторним електродом (8), до якого під'єднаний колекторний вивід (9). Майже завжди для бази використовують високоомний напівпровідник, ступінь легування емітера висока, а колектора - значно нижча.

Таким чином, транзистор являє собою трьохшарову структуру, в якій крайні електроди утворені напівпровідником з електропровідністю, відмінною від електропровідності середнього електрода. Описаний транзистор називають p-n-р транзистором або транзистор прямої провідності (рис. 3.2, а).

Рисунок 3.2 - Умовні позначення транзисторів на електричних схемах:

а - біполярний транзистор прямої провідності; б - біполярний транзистор зворотної провідності; в - польовий тразистор з p-n переходом і каналом p-типу; г - МОН-транзистор з індукованим n-каналом

Якщо ж базу використовують напівпровідник р- типу, то емітер і колектор повинні мати провідність n- типу. Тоді одержимо транзистор n-р-n структури, або транзистор зворотної провідності (рис. 3.2, б).

Матеріалом для бази може служити не лише германій, але і кремній. В зв'язку з цим розрізняють Ge і Si транзистори. Транзистори розрізняють також за методом виготовлення - сплавні, мікросплавні, меза, поверхнево-бар'єрні і т.ін. За характером контакту - площинні і точкові, за потужністю - малої потужності, середньої і великої. За діапазоном робочих частот - НЧ, СЧ і ВЧ, за основними процесами в базі - дрейфові, дифузійні. Є транзистори особливої конструкції і принципу дії - чотирьохшарові, лавинні, польові і т.д.

Транзистор є зворотнім приладом, це означає, що колектор може виконувати функції емітера. Але властивості приладу в прямому і зворотному (інверсійному) напрямках різні, оскільки емітер і колектор відрізняються розмірами і електрофізичними властивостями.

3.2 Класифікація біполярних та уніполярних транзисторів

Класифікація транзисторів по їх призначенню, фізичним властивостям, основним електричним параметрам, конструктивно-технологічним ознакам, роду початкового напівпровідникового матеріалу знаходить своє відображення в системі умовних позначень та їх типів. У відповідності з появою нових класифікаційних груп транзисторів удосконалюється і система їх умовних позначень.

Система позначень сучасних типів транзисторів базується на ряді класифікаційних ознак. В основі системи позначень лежить літеро-цифровий код.

Перший елемент означає вихідний (початковий) напівпровідниковий матеріал, на основі якого виготовлений транзистор. Для позначення вихідного матеріалу використовуються наступні символи:

Г або 1 - для германію або його сполук;

К або 2 - для кремнію або його сполук;

А або 3 - для сполук галія (практично для арсеніда галію, що використовується для створення польових транзисторів);

И або 4 - для сполук індія (ці сполуки для виготовлення транзисторів в якості вихідного матеріалу поки що не використовуються).

Другий елемент позначення - буква, що визначає підклас (або групу) транзисторів. Для позначення підкласів використовуються одна з двох букв: Т - для біполярних і П - для польових транзисторів.

Третій елемент - цифра, що визначає основні функціональні можливості транзистора (допустиме значення потужності розсіювання і граничну або максимальну робочу частоту).

Для позначення більш характерних експлуатаційних властивостей використовуються наступні цифри.

Для транзисторів малої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором не більше 0,3Вт):

1 - з граничною частотою коефіцієнта передачі струму або максимальної робочої частоти (далі граничною частотою) не більше 3 МГц;

2 - з граничною частотою більше 3, але не більше 30 МГц;

3 - з граничною частотою більше 30 МГц.

Для транзисторів середньої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором більше 0,3, але не більше 1,5 Вт):

4 - з граничною частотою не більше 3 МГц;

5 - з граничною частотою більше 3 МГц, але не більше 30 МГц;

6 - з граничною частотою більше 30 МГц.

Для транзисторів великої потужності (максимальна потужність, що розсіюється транзистором більше 1,5 Вт):

7 - з граничною частотою не більше 3 МГц;

8 - з граничною частотою більше 3 МГц, але не більше 30 МГц;

9 - з граничною частотою більше 30 МГц.

Четвертий елемент - число, що означає порядковий номер розробки технологічного типу транзисторів. Для позначення порядкового номера використовують двозначні числа від 01 до 97. Якщо порядковий номер перевищить число 99, то використовують трьохзначні числа від 101 до 997.

П'ятий елемент - буква, що умовно означає класифікацію по параметрам транзисторів, виготовлених по одній технології. В якості класифікаційної літери використовують букви російського алфавіту (за виключенням З, О, Ч, Ы, Щ, Ю, Ь, Ъ,Э).

Стандарт передбачує також введення в позначення ряду додаткових знаків при необхідності відзначити суттєві конструктивно-технологічні особливості приладів.

В якості додаткових елементів позначення використовують такі символи:

цифра від 1 до 9 - для позначення модернізацій транзистора, що приводять до зміни його конструкції або електричних параметрів;

буква С - для позначення наборів в загальному корпусі однотипних транзисторів (транзисторні зборки);

цифра, написана через дефіс,- для безкорпусних транзисторів.

Ці цифри відповідають наступним модифікаціям конструктивного виконання:

1 - з гнучкими виводами без кристалотримача (підкладки);

2 - з гнучкими виводами на кристалотримачі (підкладці);

3 - з жорсткими виводами без кристалотримача (підкладки);

4 - з жорсткими виводами на кристалотримачі (підкладці);

5 - з контактними площадками без кристалотримача (підкладки) та без виводів (кристал);

6 - з контактними площадками на кристалотримачі (підкладці), але без виводів (кристал на підкладці).

Таким чином, сучасна система позначень дозволяє по назві типу отримати значний об'єм інформації про властивості транзистора.

Приклади позначення деяких транзисторів:

ГТ101А - германієвий біполярний малопотужний низькочастотний, номер розробки 1, група А;

2Т399А - кремнієвий біполярний малопотужний НВЧ, номер розробки 99, група А;

2Т399А-2 - аналогічний транзистору 2Т399А, але в безкорпусному виконанні з гнучкими виводами на кристалотримачі;

2ПС202А-2 - набір малопотужних кремнієвих польових транзисторів, середньої частоти, номер розробки 2, група А, безкорпусний з гнучкими виводами на кристалотримачі.

За частотою транзистори класифікують таким чином:

низькочастотні: f_гр < 30 МГц;

високочастотні: 30 МГц < f_гр < 300 МГц;

надвисокочастотні: f_гр > 300 МГц.

Біполярні та польові транзистори у відповідності з основними областями використання розділяють на наступні групи: підсилювальні, генераторні, перемикаючі та імпульсні. Кожна з перерахованих груп характеризується специфічною системою параметрів, що відображають особливості використання транзисторів в радіоелектронній апаратурі.

3.3 Принцип дії біполярного транзистора

Енергетична діаграма для площинного транзистора p-n-p типу приведена на рис. 3.3.

Рисунок 3.3 - Енергетична діаграма транзистора

За відсутності зовнішньої напруги обидва переходи знаходяться в рівновазі і струм через транзистор дорівнює нулю. При вмиканні джерела живлення, наприклад, для випадку схеми з загальною базою, як показано на рис.3.4, емітерний перехід відкривається, а колекторний закритий. Це основний активний режим роботи транзистора. Зміна кривої розподілу потенціалу для цього випадку показана штриховою лінією на рис. 3.3.

В результаті зниження потенціального бар'єру в емітерному переході починається дифузійний рух основних носіїв. Оскільки концентрація дірок в емітері вища концентрації електронів в базі , коефіцієнт інжекції високий.

Внаслідок інжекції дірок з емітера в базу концентрація їх в базі підвищується. Об'ємний позитивний заряд, що утворився поблизу емітерного контактного переходу в базі, компенсується за рахунок електронів, які поступають в базу від джерела живлення U_ЕБ. Внаслідок цього коло емітер-база замикається і по ньому протікає струм І_Е. Електрони, які поступають в базу, рухаються до емітерного переходу і утворюють поблизу нього від'ємний заряд, компенсуючий заряд, утворений дірками. Поблизу емітерного переходу, таким чином, існує підвищена концентрація електронів і дірок.

Рисунок 3.4 - Схема вмикання транзистора зі спільною базою

Внаслідок різниці концентрацій виникає дифузійний рух дірок і електронів в напрямку колектора. В транзисторах ширина бази вибирається такою, щоб при значній концентрації електронів і швидкості руху дірок час їх життя був би значно довшим часу їх перебування в базі. Таким чином, значна кількість дірок (99%), що проникають з емітера в базу, не встигають рекомбінувати з електронами в базі. Поблизу колекторного переходу вони попадають в прискорююче поле колекторного переходу і втягуються в колектор. Відбувається екстракція дірок. Електрони, кількість яких рівна числу дірок, що пройшли до колектора, поступають через базовий вивід під дією прикладеної різниці потенціалів в колекторне джерело живлення. Коло колектор-база замикається і по ньому протікає струм І_К. Таким чином, струм, що тече через емітерний перехід є керуючим струмом, від величини якого залежить струм в колі колектора - струм, що керується. Струм бази І_Б являє собою різницю керуючого струму І_Е і керованого струму І_К, оскільки основні носії бази - електрони при компенсації руху дірок через емітерний і колекторний переходи рухаються у базовому виводі в різних напрямках.

Опір емітерного переходу, зміщеного в прямому напрямку, невеликий. Струм І_Е, а з ним і струм І_К в залежності від U_ЕБ зростають по експоненті. Навпаки, опір колекторного переходу, який зміщений в зворотному напрямку, великий. Збільшення напруги (U_КБ) не викликає зростання струму І_К, оскільки всі дірки, що надходять до колекторного переходу, втягуються його полем при малих значеннях U_КБ.

Якщо в коло емітер-база разом з батареєю зміщення U_ЕБ ввімкнути джерело синусоїдального сигналу U = Um sin wt, то струм емітера і струм колектора будуть змінюватись в такт з ним.

Підключивши в коло колектор-база резистор R_К, можна віділити на ньому підсилену напругу сигналу з тією ж частотою і амплітудою, що перевищує амплітуду вхідного сигналу.

Підсилення може бути значним, оскільки в колекторному колі можна ввімкнути резистор значної величини. Зміна напруги на ньому, а отже, на колекторному переході не повинні викликати помітної зміни струму через транзистор, тому що вплив (U_КБ) на рух дірок із бази в колектор незначні.

3.4 Статичні параметри біполярних транзисторів

Як елемент електричної схеми транзистор завжди використовується таким чином, що один із його електродів є вхідним, другий вихідним, а третій - спільним. В залежності від того, який електрод є спільним, розрізняють три схеми ввімкнення: зі спільною базою (СБ), спільним емітером (СЕ) та спільним колектором (СК). Схеми вмикання приведені на рис. 3.5.

Одним із основних парамерів транзистора є коефіцієнт передачі по струму, який являє собою відношення зміни вихідного струму до зміни вхідного струму.

Для схеми зі СБ вхідним є струм емітера І_Е, а вихідним струм колектора І_К.

Коефіцієнт передачі струму в цьому випадку дорівнює

.



Рисунок 3.5 - Схеми вмикання транзистора

Оскільки струм колектора завжди менший струму емітера, то менший одиниці і знаходиться в межах від 0,95 до 0,97.

В схемі зі СЕ струм бази І_Б є вхідним, а І_К - вихідним.

Оскільки струм бази значно менший струму колектора, то значно більший одиниці і може становити декілька десітків одиниць для транзисторів середньої та високої потужності та 100 і більше для транзисторів малої потужності.

Коефіцієнт і взаємопов'язані

.

Коефіцієнт передачі по струму для схеми зі СК також визначається відношенням приросту вихідного струму dI_E до вхідного dI_Б

.

Схема зі СК забезпечує максимальне підсилення по струму.

Степінь залежності U_ЕБ від І_Е прийнято оцінювати за допомогою диференційного вхідного опору і емітерного переходу

,

при І_Е = 0, .

Величина емітерного струму визначається в основному процесами інжекції дірок з емітера в базу і його величина становить одиниці Ом.

Важливим параметром транзистора є об'ємний опір бази. База транзистора виконується в основному з високоомного матеріалу, і тому її об'ємний опір r_б в роботі транзистора грає значну роль. Величина r_б визначається в основному опором її активної дільниці, а саме, того шару бази, який знаходиться між емітером та колектором. Для найпростішого випадку опір базової області можна визначити за виразом

,

де - питомий опір матеріалу бази; - ширина бази.

Опір колекторного переходу можна розрахувати за виразом

, при І_Е = const.

Внаслідок модуляції ширини бази зміна U_кб викликає зміну І_к, але вона, як правило, дуже мала, тому опір практично незалежить від напруги на колекторі і його величина може становити від сотні кОм до одиниць МОм.

3.5 Режими роботи і статичні характеристики біполярних транзисторів

Поряд з описаним активним режимом транзистор в ряді імпульсних, ключових та інших схем транзистор може працювати в режимі відсікання або в режимі насичення.

В режимі відсічення обидва переходи зміщені в зворотному напрямку, отже через них течуть зворотні струми.

При підключенні обох батарей в прямому напрямку транзистор працює в режимі насичення - обидва переходи відкриті, а інжекція носіїв в базу має місце як з боку емітера, так і з боку колектора.

Розрізняють також ще інверсний режим роботи при якому емітерний перехід зміщений в зворотньому напрямі, тобто закритий, а колекторний - в прямому, тобто відкритий. Коефіцієнт передачі в інверсному режимі значно менший ніж в активному режимі, оскільки концентрація носіїв заряду в емітері значно вища концентрації концентрації носіїв в колекторній області.

Для кожної схеми включення існує чотири види статичних характеристик:

1. Вихідні: ; .

2. Керуючі (характеристики прямої передачі): ; .

3. Вхідні: ; .

4. Прохідні (характеристики зворотного зв'язку): ; .

Керуючі та вхідні характеристики, як правило, зображаються у вигляді однієї-двох кривих, що зумовлено слабкою залежністю вихідного струму івід вхідної напруги U_вих.

Для кожної схеми ввімкнення з чотирьох видів характеристик незалежними є тільки дві. Тому, як правило, для аналізу використовуються тільки вхідні і вихідні характеристики.

Вхідна характеристика для схеми зі спільною базою являє собою залежність струму емітера І_Е від напруги між емітером і базою U_еб, при постійній напрузі між колектором і базою U_кб - І_Е = ( U_еб) при U_кб = const (рис. 3.6). Оскільки І_Е практично не залежить від U_кб, то такі характеристики розміщуються дуже близько одна біля одної і вони зображаються одною або двома лініями.

Вихідна характеристика для схеми зі СБ являє собою залежність струму колектора І_к від напруги між колектором і базою І_б при постійному струмі емітера І_Е (рис. 3.7). І_к = ( U_кб), при І_Е = .

Рисунок 3.6 - Вхідна характеристика для схеми зі СБ



Рисунок 3.7 - Вихідні характеристики транзистора для схеми зі СБ

Вихідні характеристики майже паралельні осі напруг. Наявність невеликого нахилу пояснюється тим, що колекторна напруга має слабкий кінцевий вплив на рух носіїв до колекторного переходу. Кожна характеристика різко зростає в області, близькій до пробою.

При ввімкненні транзистора по схемі з СЕ статичні характеристики описуються залежностями

; - вихідна характеристика;

; - вхідна характеристика.

Вихідні характеристики для схеми з СЕ мають великий нахил в порівнянні з характеристиками для схеми з СБ, що пояснюється більш сильним впливом U_к на коефіцієнт передачі струму.

Крім того, при вмиканні транзистора за схемою з СЕ на величину І_к має вплив ефект лавинного множення носіїв в колекторному переході. Тому різке збільшення струму колектора в передпробійній області починається для схеми з СЕ при більш низьких напругах, ніж в схемі з СБ. Цим зумовлюється той факт, що допустима колекторна напруга для схеми з СЕ менша в порівнянні з схемою з СБ.

Можна показати, що мінімальне значення колекторного струму І_к = І_к0 має місце при струмі бази: І_б = -І_к0.

Звідси випливає, що транзистор в схемі з СЕ в діапазоні струмів бази від 0 до -І_к0 керується від'ємним вхідним струмом.

Вхідні характеристики схеми з СЕ мають такий же вигляд як і для схеми з СБ і розміщуються близько одна біля одної, і тому при розрахунках, як правило, використовують одну характеристику. На відміну від схеми з СБ вхідні характеристики схеми з СЕ більш лінійні.

Характеристики схеми з СК багато в чому спільні з характеристиками схеми з СЕ, оскільки в обох схемах вхідним є струм бази, а вихідні (І_Е, І_К) відрізняються мало. Тому для практичних розрахунків в якості вихідних характеристик схеми з СК можна використовувати вихідні характеристики схеми з СЕ, якщо замінити І_К на І_Е. Вхідні характеристики схеми з СК по формі збігається з вхідними характеристиками схеми з СЕ, але зміщені по осі напруг вправо на величину падіння напруги на колекторному переході.

3.6 Параметри транзистора як чотириполюсника

При роботі транзистора з малим сигналом можна вважати, що робочі ділянки ВАХ біполярного транзистора є лінійними, а сам транзистор є лінійним підсилювачем (елементом). При цьому його зручно представити у вигляді активного лінійного чотириполюсника (рис. 3.8).

Рисунок 3.8 - Подання біполярного транзистора у вигляді лінійного чотириполюсника

Зв'язок між вхідними сигналами і вихідними сигналами встановлюється у вигляді шести систем рівнянь першого порядку.

Найбільш часто використовується система рівнянь, в якій незалежними величинами є вхідний струм і вихідна напруга

, (3.1)

Із системи рівнянь (3.1) можна визначити повні диференціали функцій і

(3.2)

Якщо замінити диференціали функцій амплітудними значеннями струмів і напруг і ввести нові позначення для часткових похідних, то система рівнянь (3.2) буде мати вигляд

(3.3)

де - вхідний опір транзистора, при короткому замиканні на виході;

- коефіцієнт зворотного зв'язку по напрузі, при холостому ході на вході;

- коефіцієнт передачі по струму, при короткому замиканні на виході;

- вихідна провідність транзистора, при холостому ході на вході.

Система рівнянь (3.3) має назву системи h-параметрів. Іноді її називають гібридною системою, оскільки незалежними змінними є вхідний струм і вихідна напруга.

Перевагою системи h-параметрів є простота вимірювання характеристичних коефіцієнтів h. Так, наприклад, для визначення параметрів h₁₁ і h₂₁ режим КЗ легко забезпечити шунтуванням виходу транзистора достатньо великою ємністю. Режим ХХ для визначення h₁₂ і h₂₂ здійснюється за рахунок ввімкнення на вході транзистора достатньо великої індуктивності.

Для вивчення властивостей транзисторів використовують також систему z-параметрів або параметрів холостого ходу

(3.4)

і систему y-параметрів або параметрів короткого замикання

(3.5)

В цих системах:

z₁₁(y₁₁) - вхідний опір (провідність) транзистора;

z₁₂(y₁₂) - опір (провідність) кола зворотного зв'язку;

z₂₁(y₂₁) - опір (провідність) кола прямої передачі;

z₂₂(y₂₂) - вихідний опір (провідність) транзистора.

Параметри z₁₂, y₁₂ характеризують внутрішній зворотній зв'язок в транзисторі, а параметри z₂₁, y₂₁ - підсилювальні властивості транзистора.

Для вимірювання z-параметрів необхідно здійснити режим холостого ходу у вхідному і вихідному колах, тому цю систему іноді називають системою холостого ходу. Ця система не завжди зручна, так як на практиці важко здійснити режим холостого ходу на виході через достатньо високий вихідний опір транзистора.

Для вимірювання y-параметрів необхідно забезпечити режим короткого замикання на вході і виході біполярного транзистора. Тому систему y-параметрів іноді називають системою параметрів короткого замикання.

Недоліком y-параметрів є складність забезпечення режиму короткого замикання на вході через низький вхідний опір біполярного транзистора.

Між параметрами всіх систем, а також між параметрами однієї системи при різних схемах вмикання існує однозначний зв'язок, який забезпечує перехід від однієї системи параметрів до іншої.

Для схеми з СЕ параметри записуються з індексом h_11Е , z_11Е ,для схеми з СБ - h_11Б , z_11Б і т.д. В довідниках наводяться, як правило, h-параметри для схеми з СБ, при цьому індекс Б не ставиться.

3.7 Частотні властивості біполярного транзистора

Параметри транзистора в діапазоні частот до 800-1000 Гц практично не залежать від частоти. З підвищенням частоти починає проявлятися комплексний характер параметрів транзистора і в першу чергу коефіцієнта передачі струму.

Носії заряду, інжектовані емітерним переходом, переміщуються в базовій області за рахунок дифузії, а також під впливом зовнішнього електричного поля, причому шляхи і швидкості руху окремих носіїв різні. Тому носії, які входять одночасно в базову область, досягають колекторного переходу в різний час, тобто виникає затримування імпульсу колекторного струму І_к відносно емітерного І_Е. Час цього запізнення характеризують кутом фазового зсуву між вхідним і вихідним імпульсом струму.

З ростом частоти час дії зовнішнього прискорюючого поля зменшується, і тому більшу частину базової області носії долають тільки за рахунок процесу дифузії. Це призводить до зменшення амплітуди колекторного струму І_К, що характеризується зменшенням модуля коефіцієнта передачі . Крім того, на підвищених частотах збільшується кут фазового зсуву . Величину часто називають фазою коефіцієнта передачі струму в схемі з СБ. Залежність від частоти виражається рівнянням

,

де - коефіцієнт передачі струму в схемі з СБ при f = 0;

- гранична частота транзистора (межева частота транзистора для схеми з СБ). Це частота, на якій модуль знижується до величини , або на 3 дБ.

Для схеми з СЕ частотна залежність визначається виразом

,

де - коефіцієнт підсилення по струму для схеми зі СЕ при f = 0;

- гранична частота підсилення струму в схемі із СЕ, на якій знижується до величини , або на 3 дБ.

Графіки залежності модулів і фаз коефіцієнтів передачі від частоти приведені на рис. 3.9.

а) б)

Рисунок 3.9 - Частотні залежності модулів і фаз коефіцієнтів передачі від частоти

З рисунків видно, що межева частота підсилення транзистора, який ввімкнений по схемі з СЕ, нижча, ніж для схеми з СБ, причому більш широкополосним є транзистор з меншим значенням . Це зумовлюється тим, що при збільшенні фазового зсуву між І_Е і І_К базовий струм різко збільшується навіть при відносно невеликому зниженні коефіцієнта . Тому коефіцієнт зменшується з ростом частоти значно швидше коефіцієнта і досягає граничного значення на більш низьких частотах.

Крім того розрізняють граничну частотк підсилення транзистора. Це частота на якій модуль рівняється 1, вона розміщується між межевими частотами і .

3.8 Принципи підсилення в транзисторі при активному режимі роботи

В схемі зі спільною базою в вихідному колі (колекторному) протікає майже той же струм, що і у вихідному колі (емітері), тому підсилення струму в цьому випадку відсутнє. Проте ця схема дає можливість отримати підсилення по потужності.

Щоб зрозуміти принцип підсилення потужності в транзисторі, як і в інших підсилювальних пристроях, необхідно врахувати взаємодію носіїв заряду з електричним полем. Наприклад, дірка, рухаючись по напрямку електричного поля, розганяється в ньому і отримує додаткову енергію, забираючи її від електричного поля. Якщо ж заставити дірку рухатись проти електричного поля, то вона буде гальмуватись цим полем, віддаючи йому частину своєї енергії.

Електричне поле в колекторному переході транзистора складається із постійної складової, створеної зовнішнім джерелом живлення в колі колектора, і змінної складової, яке виникає при екстракції неосновних носіїв із бази в колекторний перехід. Миттєві значення змінної складової електричного поля в будь-який момент часу направлені в сторону, протилежну постійній складовій.

Тому дірка, проходячи по колекторному переході, взаємодіє зразу з двома складовими електричного поля. Від постійної складової електричного поля дірки забирають енергію, переміщуючись по напрямку цієї складової. Одночасно переміщуючись проти миттєвих значень змінної складової електричного поля, дірка віддає частину своєї енергії змінній складовій. Проходить своєрідна перекачка енергії від постійної складової електричного поля до змінної складової. Посередником в цій перекачці енергії є носії заряду, інжектовані емітером, що дійшли до колекторного переходу. Для їх інжекції потрібно виконати відносно невелику роботу, оскільки висота потенціального бар'єру емітерного переходу мала.