Электроника и схемотехника аналоговых устройств

Малое значение обуславливается узкой областью объемного

заряда, а небольшое значение получается за счет того, что удельное сопротивление металла много меньше, чем полупроводника, и соответственно меньше. Основными переносчиками тока через контакт в этом случае являются дырки полупроводника, которые практически мгновенно рекомбинируют с электронами в металле.

Энергетической характеристикой излучающих диодов (светодиодов) является квантовая эффективность, которая определяется как отношение числа излучаемых во вне фотонов к числу электронов, проходящих через p-n-переход. Хотя эта величина теоретически может достигать 100%, практически она порядка 0,1...1%. Это объясняется большой долей без- излучательных переходов в общем рекомбинационном процессе и малостью доли фотонов, выходящих из светодиода. С понижением температуры вероятность излучательной рекомбинации растет и квантовая эффективность увеличивается.

Отличительными особенностями светодиодов по сравнению с обычными источниками света являются малые размеры, малые рабочие напряжения, высокое быстродействие и большой срок службы. Светодиоды находят широкое применение для схем автоматики, световых табло, оптронов.

ТЕМА №7,8. Биполярные транзисторы

Транзисторами называются полупроводниковые приборы, способные усиливать электрическую мощность, имеющие три или более выводов, один или более p-n переходов. Они предназначены для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний. В зависимости от того, носители одного или обоих типов участвуют в образовании тока, различают униполярные и биполярные транзисторы соответственно.

Классификация транзисторов:

а) по устройству и принципу действия (рисунок 5.1);

б) по максимально допустимой мощности, рассеиваемой на коллекторе:

- малой мощности - менее 0,3 Вт;

- средней мощности - 0,3…3 Вт;

- большой мощности - более 3 Вт;

в) по граничной частоте в каждой из указанных групп по мощности:

- низкочастотные - менее 3 МГц;

- среднечастотные - 3…30 МГц;

- высокочастотные - 30…300 МГц;

- сверхвысокочастотные- более 300 МГц;



Размещено на http://www.allbest.ru/

г) по конструкции и технологии изготовления:

- сплавные плоскостные транзисторы;

- плоскостные с диффузионной базой;

- мезатранзисторы;

- планарные;

- эпитаксиально-планарные и т.д.;

д) по материалу изготовления:

- кремниевые, германиевые, арсенид галлиевые;

е) по взаимному расположению областей проводимости- транзисторы:

Биполярный транзистор - это полупроводниковый триод с двумя взаимодействующими p-n переходами, усилительные свойства которого обусловлены явлениями инжекции и экстракции носителей заряда. Биполярными они называются, так как играют роль оба типа носителей: электроны и дырки.

Он имеет три слоя, соответственно три электрода и два p-n перехода. Площади переходов имеют разную величину. Площадь между n1-p намного меньше, чем между p-n2. Структура транзистора несимметрична. Слой, сильно легированный с меньшей площадью, служащий для инжекции носителей в базу, называется эмиттером (Э). Слой с большей площадью, служащий для экстракции носителей из базы и собирающий эти носители, называется коллектором (К). Средний слой, управляющий движением носителей от эмиттера к коллектору, называется базой (Б).

Через базу осуществляется также связь двух p-n переходов, которые называются соответственно эмиттерным (ЭП) и коллекторным (КП) переходами. Взаимодействие переходов обеспечивается очень малой толщиной базы между переходами (несколько десятков микрометров). В любом случае она должна быть намного меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе. Кроме того, электропроводность базы должна быть значительно меньше электропроводности эмиттера.

Транзисторы с однородной базой называются бездрейфовыми, с неоднородной - дрейфовыми. В зависимости от последовательности расположения типов слоев полупроводника различают транзисторы n-p-n- и p-n-p- типов. Принцип работы транзисторов обоих типов одинаков, различие заключается лишь в том, что в транзисторе n-p-n-типа через базу к коллектору движутся электроны, инжектированные эмиттером, а в транзисторе p-n-p-типа - дырки. Для этого к электродам транзистора подключают источники питания обратной полярности. В микросхемах главным образом используются n-p-n-транзисторы, а p-n-p-типа - используется в сочетании с n-p-n и пара называется комплементарной, в дискретном исполнении - в основном p-n-p-типа.

В зависимости от напряжения смещения переходов различают три режима включения: активный, отсечки и насыщения.

В активном режиме один из переходов смещен в прямом направлении, второй - в обратном. Если в прямом направлении включен эмиттерный переход, то такой режим называется нормальным активным или усилительным. Токи во внешних цепях в активном режиме определяются высотой управляемого потенциального барьера открытого перехода, т.е. способностью перехода инжектировать неосновные носители в базу.

В инверсном активном режиме ЭП смещен в обратном направлении, а КП - в прямом.

В режиме отсечки оба перехода смещены в обратном направлении. В этом случае токи во внешних цепях малы и соизмеримы с обратным током одного из переходов. Или, другими словами, транзистор заперт.

В режиме насыщения оба перехода смещены в прямом направлении, т.е. открыты. В базу инжектируют неосновные носители из области эмиттера и из области коллектора (режим двойной инжекции). Так как оба перехода открыты, то на структуре падает небольшое напряжение. По этой причине режим насыщения часто используют в тех случаях, когда транзистор исполняет роль ключа, предназначенного для замыкания цепи. Размыкание цепи осуществляется переводом транзистора в режим отсечки, при этом транзисторная структура обладает большим сопротивлением.

Необходимо отметить, что в активном режиме управление транзистором осуществляется в полной мере, и он исполняет роль активного элемента. В режимах отсечки и насыщения усиление практически отсутствует

Физические процессы в транзисторной структуре определяются состоянием эмиттерного и коллекторного переходов. При этом все положения, рассмотренные для единичного p-n-перехода, справедливы для каждого из p-n переходов транзистора. В равновесном состоянии наблюдается динамическое равновесие между потоками дырок и электронов, протекающими через каждый p-n переход, и результирующие токи равны нулю.

В активном нормальном режиме при подключении к электродам транзистора напряжений ЕЭБ и ЕКБ, как показано на рисунке 5.3, эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном.

В результате снижения потенциального барьера электроны из области эмиттера диффундируют через эмиттерный переход в область базы (инжекция электронов), а дырки - из базы в область эмиттера. Однако, поскольку удельное сопротивление базы высокое, электронный поток носителей заряда преобладает над дырочным, то есть в базе повышается концентрация электронов. Для количественной оценки составляющих полного тока ЭП используется коэффициент инжекции или эффективность эмиттера

где Iэр и Iэn - дырочная и электронная составляющие тока эмиттерного перехода;

Iэ - полный ток перехода.

Значение лежит в пределах .

Коллекторный переход смещен в обратном направлении, за счет этого усиливается экстракция электронов из базы в коллектор, то есть в базе на границе с коллектором уменьшается концентрация электронов.

В базе создается градиент концентраций электронов, поэтому электроны диффундируют от ЭП к КП.

Так как ширина базы во много раз меньше диффузионной длины, то большинство электронов, инжектированных в базу, не успевают рекомбинировать в ней с дырками. Рекомбинирует только небольшая часть электронов (примерно 1%) . Остальные 99% электронов идут к коллектору, попадают в ускоренное поле коллекторного перехода и втягиваются в коллектор (экстракция электронов). Для нейтральности базы из нее во внешнюю цепь по выводу уходит часть электронов, равная рекомбинировавшей, которая и создает ток базы.

Таким образом, ток эмиттерного перехода несколько больше тока коллекторного перехода. Относительное число неосновных носителей заряда, достигших коллекторного перехода транзистора и образующих ток коллектора, характеризуется коэффициентом переноса

.

Для увеличения тока коллектора необходимо, чтобы время жизни электронов было намного больше времени переноса в базе. Для этого нужно:

- уменьшить концентрацию примесей в базе, тогда уменьшится рекомбинационная составляющая тока эмиттера ;

- уменьшить толщину базы w;

- площадь коллекторного перехода должна быть намного больше площади эмиттерного перехода Sкп >> Sэп.

В коллекторном переходе может возникнуть размножение носителей заряда из-за ударной ионизации, которое характеризуется коэффициентом размножения

,

где в зависимости от материала транзистора.

Общий коэффициент передачи тока эмиттера в цепь коллектора

Для реальных структур



Сопротивление эмиттерного перехода мало (сотни омов), а сопротивление коллекторного перехода составляет сотни килоом.

Допустим, в коллекторную цепь последовательно включено сопротивление нагрузки

,

оно не повлияет на режим работы транзистора, но на сопротивлении можно снять большое напряжение.

Включение в цепь эмиттера источника переменного сигнала Ес вызывает изменение числа инжектируемых в базу неосновных носителей заряда и соответствующее изменение тока эмиттера и коллектора в такт с Ес. На нагрузке будет выделяться усиленное напряжение с частотой, равной частоте входного сигнала, но при этом напряжение выходного сигнала намного больше входного сигнала Ес. Таким вот образом происходит усиление сигнала.

По первому закону Кирхгофа для транзистора (рисунок 5.4) ток эмиттера равен сумме тока базы и тока коллектора

,

где - ток эмиттера;

- ток базы. Этот ток составляет не более 1% от тока эмиттера;

- тепловой ток коллекторного перехода.

Ток коллектора равен

, где .

Отсюда .

Таким образом, в схемах с транзистором имеются две цепи: входная, в которую включается источник усиливаемых колебаний, и выходная, в которую включается нагрузочное сопротивление. Ток эмиттера здесь является управляющим током, ток коллектора - управляемым, а ток базы- их разностью.

Модуляция толщины базы w представляет собой зависимость толщины базы w от напряжения на коллекторе

.

Так как ширина эмиттерного перехода мала, изменения не влияют на ее значение. Коллекторный же переход из-за обратного смещения большой и сосредоточен в базе. При изменении изменяется ширина коллекторного перехода и, следовательно, толщина базы w тоже. Это приводит:

а) к зависимости коэффициента передачи тока от коллекторного напряжения



Например, если возрастает напряжение коллектора , уменьшается толщина базы w, увеличивается коэффициент переноса , то есть увеличивается число электронов, избежавших рекомбинации;

б) к барьерной емкости коллекторного перехода добавляется диффузионная емкость, так как происходит изменение заряда вблизи перехода;

в) к изменению частотных свойств транзистора: если увеличивается , уменьшается толщина базы w, уменьшается время пролета электронов в базе и увеличивается граничная частота транзистора;

г) к тому, что при увеличении , если постоянно, увеличивается , так как уменьшение толщины базы ведет к увеличению градиента концентраций носителей, от которого пропорционально зависит ток эмиттера;

д) к тому, что при увеличении и постоянном при уменьшении толщины базы и неизменном градиенте концентраций носителей уменьшается .

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим между источником сигнала на входе и выходной цепью транзистора, существуют три основные схемы включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой (ОБ, рисунок 5.5,а), с общим эмиттером (ОЭ, рисунок 5.5,б), с общим коллектором (ОК, рисунок 5.5,в).



Основные параметры транзистора по схеме с общей базой:

а) коэффициент усиления по току

Ток не усиливается, IВЫХ < I вх, что является недостатком схемы;.

б) коэффициент усиления по напряжению

Так как всегда можно подобрать

, то >>1,

усиление по напряжению в сотни раз;

в) коэффициент усиления по мощности

- десятки - сотни;

г) входное сопротивление



десятки и сотни омов, малое входное сопротивление является недостатком схемы, так как оно закорачивает источник сигнала, т.е. требуется большой входной ток;

д) выходное сопротивление

от сотен килоом до единиц мегом;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

Основными вольт-амперными характеристиками транзистора являются входная и выходная характеристики. ВАХ снимают в режиме по постоянному току и представляют собой зависимости постоянных токов и напряжений. Характеристики обычно снимаются при нескольких постоянных значениях IЭ и UКБ. При этом получается семейство статических характеристик:

а) входной характеристикой для схемы с общей базой является зависимость входного тока IЭ от входного напряжения UЭБ при фиксированном выходном напряжении UКБ IЭ = f(UЭБ) при UКБ=const (рисунок 5.6).

Эта характеристика при Uкб=0 подобна вольт-амперной характеристике полупроводникового диода, смещенного в прямом направлении. При подаче положительного коллекторного напряжения Uкб>0 характеристика смещается влево. Это свидетельствует о наличии в транзисторе внутренней обратной связи, возникающей по ряду причин. Например, увеличение коллекторного напряжения вызывает уменьшение толщины базы, из-за чего увеличивается градиент концентрации основных носителей, что вызывает увеличение тока эмиттера и веерообразное смещение входных характеристик влево. При увеличении Iэ характеристика спрямляется;

б) выходными характеристиками транзистора по схеме с ОБ являются зависимости выходного тока коллектора Iк от выходного напряжения Uкб при постоянном входном токе Iэ

Iк =f(U кб)|Iэ =const.

При Iэ =0 характеристика совпадает с обратной ветвью диода, течет тепловой ток коллекторного перехода Iк0. Как видно из рисунка 5.7, при Uкб=0 и Iэ > 0 ток коллектора Iк ? 0, т.к. основные носители области эмиттера, инжектированные в базу, дрейфуют через коллекторный p-n-переход в область коллектора. Ток коллектора Iк (ток неосновных носителей) обращается в ноль только при некотором напряжении обратной полярности (при прямом смещении коллекторного перехода), когда дрейфовый поток электронов из базы в коллектор компенсируется диффузионным потоком электронов из коллектора в базу (режим двойной инжекции).

Незначительный наклон выходных характеристик указывает на высокое омическое сопротивление коллекторного перехода в закрытом состоянии, достигающий десятков и даже сотен кОм;

в) характеристика прямой передачи тока представляет собой зависимость выходного тока коллектора Iк от входного тока эмиттера IЭ при постоянном значении выходного напряжения

Uкб IК = f(Iэ)|Uкб

Так как б < 1, то угол отклонения характеристики от оси абсцисс меньше . При Uкб > 0 характеристика отклоняется к биссектрисе угла, т.к. в результате модуляции базы ток коллектора Iк при постоянном токе эмиттера Iэ увеличивается из-за уменьшения толщины базы.

Недостатки схемы включения с ОБ:

а) нет усиления по току (б < 1);

б) мало входное сопротивление Rвх;

в) большая разница между входным и выходным сопротивлениями, вследствие чего невозможно построение многокаскадной схемы с ОБ.

Достоинства:

а) высокий коэффициент усиления по напряжению и по мощности;

б) более высокие рабочие частоты, меньше частотные искажения;

в) меньше температурная нестабильность;

г) высокая линейность характеристик.

Схема с ОБ применяется в стабилизаторах тока и в схемах с более высокой рабочей частотой.

Наиболее часто на практике применяют схему включения транзистора с общим эмиттером ОЭ. При таком включении входным электродом является база, эмиттер заземляется (общий электрод), а выходным электродом по-прежнему является коллектор (рисунок 5.5,б).

В схеме с общим эмиттером:

а) коэффициент усиления по току

|Uкэ=const

равен нескольким десяткам и единицам сотен, Параметр в связан с коэффициентом передачи тока эмиттера соотношением

;



;

б) коэффициент усиления по напряжению

,

так как Rн>>Rвх, в>>1, то Ku>>1 (сотни);

в) коэффициент усиления по мощности- десятки тысяч;

г) входное сопротивление

- сотни омов и единицы килоом. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером больше входного сопротивления схемы с общей базой;

д) выходное сопротивление

десятки килом.

Таким образом, R вых оэ < R вых об, R вх оэ > R вх об;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения ц =р.

Статические характеристики транзистора с общим эмиттером

Входная и выходная характеристики транзистора с ОЭ несколько отличаются от характеристик транзистора с ОБ.

Входной характеристикой транзистора, включенного по схеме с ОЭ, является зависимость входного тока Iб от напряжения Uбэ, Iб =f(Uбэ) при заданном напряжении Uкэ. Совокупность таких зависимостей называется семейством входных характеристик транзистора (рисунок 5.9,а). При Uкэ =0 тепловой ток Iк0 в цепи коллектора отсутствует и зависимость IБ =f(Uбэ) соответствует ВАХ р-n-перехода, включенного в прямом направлении. При Uкэ>0 в цепи коллектора появляется ток -Iк0, направленный навстречу току Iб. Для компенсации этого тока в цепи базы нужно создать ток Iб= Iк0, приложив соответствующее напряжение Uбэ. Это приводит к смещению входной характеристики вправо вниз.

Выходной характеристикой транзистора по схеме с общим эмиттером называется зависимость

Iк = f(Uкэ)

при заданном токе Iб (рисунок 5.9,б). Если Iб=0, в цепи коллектора протекает только тепловой ток, так как в этом случае инжекция дырок из эмиттера в базу (для p-n-p-транзистора) или инжекция электронов из эмиттера в базу (для n-p-n-транзистора) отсутствует. При Uкэ =0 ток в цепи коллектора не проходит, это объясняется тем, что напряжения Uбэ и Uкэ направлены встречно друг другу, т.е. потенциал коллектора выше потенциала базы, и коллекторный переход оказывается при этом закрыт. Поэтому выходные характеристики не пересекают ось ординат:

а) кривая

совпадает с обратной ветвью p-n перехода;

б) выходные характеристики с ОЭ отличаются от аналогичных с ОБ начальным участком при Uк = 0, Iк = 0, так как разность потенциалов на коллекторном переходе равна нулю;

в) кривая при Iб = 0 соответствует режиму с оборванной базой. Через транзистор течет ток Iк0с - сквозной ток коллектора. Iк0С > Iк0, т.к. течет не только I к0, но и Iэр.

Определим ток коллектора для схемы с общим эмиттером. Для схемы с ОБ

Iк=Iэ+Iко=Iб+Iк+Iко;

Iк(1-)=Iб+Iко, отсюда

Iк = ;

,

ток коллектора Iк растет сильнее с увеличением температуры. Температурная стабильность хуже, чем в схеме с ОБ;

г) характеристики имеют больший наклон, чем в схеме с ОБ, так как сильно зависит от .При увеличении Uкэ семейства и постоянном токе базы увеличивается Uэб, следовательно, увеличивается ток эмиттера Iэ и коллектора Iк.

Характеристики прямой передачи тока

приведены на рисунке 5.10:

а) кривые составляют значительно больший угол наклона, чем с ОБ. (Iб масштаб крупнее, чем Iэ);

б) отклонение характеристик от прямолинейного закона с увеличением тока базы объясняется снижением времени жизни неосновных носителей в базе с ростом уровня инжекции;

в) смещение характеристик в зависимости от есть следствие модуляции ширины базы и соответственно роста тока коллектора при уменьшении .

Достоинства схемы с ОЭ:

а) схема универсальна, имеет усиление по току, напряжению и мощности;

б) малая разница входного и выходного сопротивлений, а также

.

Недостатки:

а) сильная зависимость от температуры;

б) хуже линейность характеристик;

в) ниже рабочая частота.

Схема с ОЭ широко используется в усилителях, генераторах и других устройствах.

Схема приведена на рисунке 5.11. Здесь IВХ Iб; I ВЫХ = IЭ;

а) коэффициент усиления по току

равен нескольким десяткам и единицам сотен;

б) коэффициент усиления по напряжению



,

т.к. 0, то КU 1, т.е. усиление по напряжению отсутствует;

в) коэффициент усиления по мощности

- десятки тысяч;

г) входное сопротивление

- сотни килоомов;

д) выходное сопротивление

сотни омов;

е) фазовый сдвиг выходного напряжения равен нулю.

Достоинствами схемы являются:

а) больший динамический диапазон;

б) большое входное сопротивление ;

в) большой коэффициент усиления по току.

Недостаток - отсутствие усиления по напряжению Кu 1.

Используется как согласующий каскад схем с высоким выходным сопротивлением со схемами с низким входным сопротивлением.

Эквивалентные схемы и системы параметров транзистора

1. Физическая Т-образная эквивалентная схема

На рисунке 5.12 приведена физическая Т-образная эквивалентная схема транзистора с общей базой, где:? объемное сопротивление активной области базы (100…400) Ом;

IЭ - генератор тока, отражающий активные свойства транзистора ? эффект передачи тока эмиттера Iэ в цепь коллектора;

? коэффициент передачи тока эмиттера;

rэ? дифференциальное сопротивление эмиттерного перехода;

(десятки килоом),

обычно Iэ>>Iэо, тогда rэ=. Допустим Iэ=1мА, тогда rэ=26 Ом;

rк ? дифференциальное сопротивление коллекторного перехода,

rк = сотни кОм;

Ск - барьерная емкость коллекторного перехода;

Сэ - диффузионная емкость эмиттерного перехода.

На рисунке 5.13 приведена эквивалентная физическая Т-образная схема с общим эмиттером, где генератор тока Iб отражает передачу тока базы в цепь коллектора.

Т.к. приращение напряжения коллектора распределено на обоих переходах, то Скэ Ск; rкэ rк;



Схема замещения транзистора эквивалентным четырехполюсником

В справочниках для биполярных транзисторов, как правило, приводятся так называемые малосигнальные h-параметры. Эти параметры удобны для использования, так как при любой схеме включения транзистор может быть представлен в виде активного четырехполюсника (рисунок 5.14), на входе которого действует напряжение U1 и протекает ток I1, а на выходе - напряжение U2 и ток I2. Система уравнений имеет вид

;

.

Указанные h-параметры, входящие коэффициентами в уравнения, имеют следующий физический смысл

- входное сопротивление при коротком замыкании на выходе (по переменному току);

h12 = =0

- коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе на входе (по переменному току), имеет величину порядка 10-5 и в большинстве случаев при расчетах этим коэффициентом из-за его малости пренебрегают;

h21 = =0

- коэффициент передачи тока при коротком замыкании на выходе;

h22 = =0

- выходная проводимость транзистора при холостом ходе на входе.

Для транзисторов обычно задают не коэффициенты , , а равные им в первом приближении параметры h21б и h21э соответственно для схем с ОБ и ОЭ.

Связь h-параметров с физическими параметрами для схемы с ОЭ имеет вид

h11 = r'Б + rЭ•(1+);

h12 = rЭ•(1+)/rК;

h21 =;

h22 =.

Дрейфовым называется биполярный транзистор, перенос неосновных носителей заряда в базе у которых происходит в основном за счет дрейфа в электрическом поле. Поле создается из-за неравномерной начальной концентрации примесей в базе, экспоненциально уменьшающейся от эмиттера к коллектору. Например, в n-p-n-транзисторе из-за градиента концентрации акцепторной примеси дырки диффундируют от эмиттерного перехода к коллекторному. Создается избыток положительных зарядов у КП за счет дырок, а у ЭП создается некомпенсированный заряд из отрицательных ионов. В базе создается электрическое поле Е, ускоряющее движение электронов от эмиттера к коллектору со скоростью в 2…5 раз большей, чем диффузия. Граничная частота усиления транзистора увеличивается в 2 - 5 раз.

Технология изготовления дрейфовых транзисторов - метод двойной диффузии.

В сводной таблице 5.1 приведены основные параметры трех схем включения транзистора.

Таблица 5.1

Параметры	ОЭ	ОБ	ОК
КI	? десятки - сотни единиц		?десятки ? сотни единиц
КU	десятки - сотни единиц	десятки - сотни тысяч
КР	сотни единиц - дес. тысяч	десятки - сотни	десятки - сотни
RВХ	сотни Ом - ед. кОм	единицы - сотни Ом	десятки - сотни кОм
RВЫХ	единицы - десятки кОм	сотни кОм - единицы МОм	сотни Ом
	р	0	0

Ключевой режим работы транзистора

1. Транзисторный ключ с общим эмиттером

Наибольшее распространение в цифровой и импульсной технике имеет ключ с общим эмиттером.

В схеме - коллекторная нагрузка, с которой снимается выходной сигнал



Входной сигнал U1 подается на транзистор через резистор Rб, который ограничивает входной ток при изменениях U1. Схема по внешнему виду не отличается от схемы усилительного каскада. Главное отличие заключается в режиме работы ключа. Режим обеспечивается величиной входного сигнала и параметрами схемы. Если транзистор в усилительном режиме работает только в активной области в режиме малого входного сигнала (линейный режим), то в ключе - в режиме большого сигнала (ключевой режим). Входное напряжение выходит за пределы уровня включения и выключения ключа.

Транзистор находится после очередного переключения или в состоянии отсечки, или в состоянии насыщения (или близком к насыщению, если ключ ненасыщенный). При переключении же он в активном режиме.

определяется из известного условия насыщения iб ? Iбн.

Подставив в него значения

;

получим.

На выходе ему соответствует напряжение , равное остаточному напряжению на коллекторе Uкн.

Для запертого транзистора

,

где Iб0 - обратный ток базы при запирании транзистора.

Транзистор запирается при

,

и уровень выключения

.

Так как ,

то можно считать

.

Соответствующее этому уровню выходное напряжение

.

Так как , то можно считать .

На характеристике CD - участок насыщения (ключ включен), AB - участок отсечки (ключ выключен), BC - активный режим (переключение ключа).

Рассмотрим эти режимы на выходных характеристиках.

По заданному типу транзистора строится семейство выходных характеристик



с ОЭ (рисунок 5.23) и линия нагрузки для некоторого заданного сопротивления Rк по уравнению

.

При , при .

Эти координаты отмечаются на графике, соединяются прямой линией. Это и будет линией нагрузки.

Точка 1 соответствует режиму отсечки.

.

В этом режиме оба перехода (эмиттерный и коллекторный) смещены в обратном направлении (,) и заперты. Однако текут небольшие тепловые токи ,,. Но тепловой ток эмиттера намного меньше теплового тока коллектора, поэтому можно считать

, а .

Напряжение на коллекторе при этом равно

.

При большом положительном входном напряжении транзистор находится в состоянии насыщения (точка 2 на рисунке 5.23). Оба перехода смещены в прямом направлении (, ). Напряжения на переходах малы, остаточное напряжение близко к нулю. Все три электрода эквипотенциальны, т.е. транзистор можно рассматривать как место короткого замыкания, и тогда токи в ключе определяются только параметрами внешних цепей.

Активному режиму соответствует точка 3 (рисунок 5.23). При изменении тока базы ток коллектора увеличивается

а напряжение на коллекторе уменьшается

ТЕМА №9 Полевые транзисторы

Полевой транзистор - это полупроводниковый прибор, работа которого основана на модуляции сопротивления полупроводника поперечным электрическим полем (полевой). Его усилительные свойства обусловлены потоком основных носителей заряда одного знака (униполярный), протекающими через проводящий канал (канальный).

Делятся на транзисторы:

а) с управляемым p-n переходом (ПТУП);

б) с изолированным затвором (МДП, МОП);

в) пленочные полевые (ППТ) на диэлектрической подложке.

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом

Существует несколько разновидностей. В 1952 г. Шокли впервые описал унитрон - полевой транзистор плоской конфигурации. В транзисторе проводящий канал изолирован от затвора p-n переходами, смещенными в обратном направлении. По каналу между электродами стока и истока протекает ток основных носителей.

Истоком (И) называется электрод, от которого начинают движение (истекают) основные носители заряда в канале. Электрод, к которому движутся (стекают) носители заряда, называется стоком (С). Управляющее напряжение прикладывается к третьему электроду - затвору (З). Структура такого транзистора со схемой подачи напряжений и направлений тока изображена на рисунке 6.1. Допустим :

а) если , образуется равномерный р-п переход, чем больше напряжение |Uзи |, тем шире переход и уже проводящий канал;

б) если напряжение не равно нулю, то ширина канала неравномерна из-за падения напряжения на сопротивлении канала от тока стока Ic. В точке а напряжение равно Uа=Uзи, в точке б - Uб = Uзи + Uси.

Принцип работы транзистора с управляющим р-п переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения под действием обратного напряжения ширины области р-п перехода, обедненной носителями заряда. При увеличении Uзи увеличивается р-п переход в сторону канала, поперечное сечение канала уменьшается, уменьшается ток стока. При большом напряжении затвора Uзи канал смыкается, ток стремится к нулю. Это напряжение Uзи между затвором и истоком называется напряжением отсечки Uзо.

Основными характеристиками транзистора являются стокозатворная Ic = f(Uзи) при Uси = const (рисунок 6.3,а) и стоковые или выходные характеристики Ic = f(Ucи) при Uзи = const (рисунок 6.3,б). На выходных характеристиках можно выделить две области: область 1 крутого изменения тока (линейный омический участок характеристики) и область П (нелинейный пологий, рабочий участок), соответствующую режиму насыщения. При малых Ucи расширение запирающего слоя незначительно. При увеличении Ucи ток стока увеличивается по закону Ома. С некоторого момента (Ucи = Ucи нас) наступает насыщение. Ток стока не растет с увеличением напряжения Ucи. Наступает своеобразное динамическое равновесие: увеличение тока стока вызывает увеличение падения напряжения на р-п переходе и сужение канала, которое уменьшает ток стока. Сужение идет в сторону стока. Сечение при этом минимально. Последующее увеличение Ucи не уменьшает сечение, а увеличивает длину узкого участка сечения, называемого «коридор» или «горловина». Поэтому ток стока постоянный.

В точке В напряжение стока достигает напряжения пробоя перехода. При дальнейшем увеличении Ucи увеличивается ток стока, и прибор может выйти из строя. При увеличении Uзи (следовательно, при меньших первоначальных сечениях) процессы аналогичны, но сужение канала наступает раньше, это приводит к более раннему выходу на участок насыщения. Ток стока ограничен на более низком уровне.

Стокозатворная или характеристика передачи

Ic = f(Uзи) при Uси = const

приведена на рисунке 6.3,а). Ее используют для вычисления параметра - крутизны характеристики S, показывающего эффективность управляющего действия затвора

S = |Ucи=соnst.

Другим важным параметром транзистора является выходное сопротивление



|Uзи=const

Усилительные свойства полевых транзисторов характеризуются коэффициентом усиления

|Uзи=const,

который связан с крутизной характеристики и выходным сопротивлением уравнением м=Ri?S.

Типовые значения параметров кремниевых полевых транзисторов с управляющим р-п переходом следующие: S = 0,3…3 мА/В; Ri = 0,1…1 МОм; м = 10…100. Кроме того, в справочниках приводятся параметры, характеризующие физические и электрические свойства транзисторов, например, сопротивление затвора Rз=(109 - 1012 Ом); сопротивление канала Rк = (50…800 Ом); емкость затвора Сз =(0,2…10 пФ) и др.

Основными преимуществами полевых транзисторов с управляющим переходом являются высокое входное сопротивление, малые шумы, простота изготовления, отсутствие в открытом состоянии остаточного напряжения между стоком и истоком открытого транзистора.

Разновидность полевого транзистора с цилиндрическими электродами называется текнетроном. У него выше крутизна характеристики. Полевой транзистор с кольцеобразными электродами и дополнительным дисковым управляющим электродом - престриктором - называется алкатрон. Получается он вращением унитрона вокруг вертикальной оси через сток.

Полевые транзисторы с изолированным затвором отличаются от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом тем, что электрод затвора изолирован от полупроводниковой области канала слоем диэлектрика. Эти транзисторы имеют структуру металл - диэлектрик - полупроводник и называются кратко МДП-транзисторами. Если в качестве диэлектрика используется оксид кремния, то их называют также МОП-транзисторами. Сопротивление канала изменяется за счет изменения концентрации подвижных носителей в поверхностном (подзатворном) слое полупроводника под действием внешнего электрического поля. Поле создается напряжением, которое прикладывается к затвору. Затвор - это металлический электрод, который отделен от поверхности полупроводника слоем тонкой диэлектрической пленки. Наличие пленки позволяет подавать на затвор либо положительное, либо отрицательное напряжение. Ток через затвор в обоих случаях отсутствует. Транзисторы подразделяется на два класса:

а) со встроенным (проводящим) каналом;

б) с индуцированным (непроводящим) каналом.

Полевой транзистор со встроенным каналом

Структура транзистора приведена на рисунке 6.5.

Здесь р+ -- область с повышенной концентрацией примесей; Д - диэлектрик; Ме - металл; И - исток; С- сток; З - затвор.

При Uси ? 0 и = 0 течет ток стока Iс.

При <0 в канал притягиваются дырки - режим обогащения, ток Iс растет.

При >0 от затвора отталкиваются дырки - режим обеднения, ток Iс снижается.

Стокозатворные характеристики транзистора

приведены на рисунке 6.6,а).

Выходные характеристики транзистора



- на рисунке 6.6,б). Как видно из рисунков, характеристики МДП-транзистора похожи на характеристики унитрона, но при Uз < 0 ток Iс растет.

Транзистор с индуцированным каналом (рисунок 6.7)

В этом транзисторе отсутствует структурно выраженный канал.

При Uз =0,

,

так как отсутствует проводимость между стоком и истоком. Здесь имеет место два встречновключенных р-п переходов.

При Uз > 0 электроны притягиваются к поверхности . Режим обеднения не применяется.

При Uз < 0 притягиваются дырки и образуется индуцированный канал К, по которому течет ток.

Наиболее широко используется транзистор с индуцированным р каналом из- за простоты изготовления.

Технология изготовления - диффузия примесей с использованием литографии, эпитаксиального наращивания, напыления тонких пленок.

Некоторые типовые значения параметров МДП-транзисторов следующие: крутизна характеристики S = 0,1…3 мА/В; выходное сопротивление Ri =105...107 Ом; коэффициент усиления м=1…100; входное сопротивление

; .

При может быть пробой оксидного слоя затвора и транзистор необратимо повреждается. Такие перенапряжения могут возникнуть из-за высокого входного сопротивления и малой входной емкости. Особенно опасны статические заряды, которые могут привести к пробою даже при касании его рукой. Поэтому при пайке МДП-транзистора надо заземлять паяльник, прибор и самого монтажника. Для защиты МДП-транзистора между затвором и подложкой включают стабилитроны. При этом уменьшается входное сопротивление до Rвх полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.

Полевые транзисторы могут быть включены по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение в цепи затвор - исток.

Полевые транзисторы успешно применяют в различных усилительных и переключающих устройствах, их часто используют в сочетании с биполярными транзисторами.

Достоинствами транзисторов с изолированным затвором являются:

а) высокое входное сопротивление -

Rвх = (с р-п переходом); Rвх мдп = ;

б) высокое быстродействие и термостабильность, так как ток образуется основными носителями - отсутствует инжекция и экстракция;

в) простота и технологичность изготовления;

г) малые габариты и площадь;

д) шире функциональные возможности, можно использовать в качестве резистора, емкости, диода - технологически эффективные ИС;

е) гальваническая развязка входной и выходной цепи;

ж) возможность работы без специального смещения (упрощает ИС);

и) малый уровень шумов;

к) возможность параллельной работы без специального выравнивания, благодаря термоустойчивости.

Недостатками являются:

а) низкая добротность;

б) низкая временная стабильность из-за старения (ухудшаются свойства диэлектрика);

в) необходимость принятия мер предосторожности из-за возможности пробоя тонкого слоя диэлектрика статическим или наведенным зарядом;

г) ухудшение частотных свойств из-за большой входной емкости.

В таблице 6.1 приведены условные графические обозначения полевых транзисторов.

Таблица 6.1

Наименование прибора	Обозначение
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с n-каналом
Полевой транзистор с управляющим р-п переходом с p-каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным n_каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным p_каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным n_каналом
Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным p__каналом

ТЕМА №10. Переключательные полупроводниковые приборы

К переключательным полупроводниковым приборам относятся тиристоры, однопереходные и лавинные транзисторы. Тиристоры - это многослойные переключающие структуры с двумя устойчивыми состояниями равновесия. Имеют 4 или более p-n слоев и 3 или более p-n переходов.

Делятся на:

а) неуправляемые тиристоры - двухэлектродные - динисторы или диод-тиристоры;

б) управляемые тиристоры - управляются по одному из средних электродов - тринисторы или триод-тиристоры.

Приборы с выводом от всех четырех электродов с управлением по средним электродам - тетрод-тиристор.

На рисунке 7.1 приведена структура динистора.

Эту структуру можно представить, как сочетание двух транзисторов:p-n-p и n-p-n типов (рисунок 7.2), где по аналогии с биполярным транзистором p1, n2 - эмиттеры, n1, p2 - базы, П1, П3 - эмиттерные переходы, П2 - коллекторный переход.

П1 и П3 смещены в прямом, П2 - в обратном направлении. Почти всё внешнее напряжение U падает на переходе П2. Через прибор течет ток I = Iко запертого коллекторного перехода.

При увеличении U до Uвкл на П2 развивается ударная ионизация и лавинный пробой, образуются новые пары носителей. Полем П2 электроны отбрасываются в n1-базу., а дырки в р2-базу. Концентрация основных носителей в базах увеличивается. Электроны в n1-базе, подходя к левому ЭП _ П1, нейтрализуют положительный заряд ионов, уменьшая потенциальный барьер. Это увеличивает поток дырок из р1 в n1, затем через П2. Аналогичные процессы происходят с правым П3 переходом. Увеличивается поток электронов. Процесс развивается лавинообразно.

Ток через П2 и весь прибор увеличивается. Через П2 протекает суммарный ток

,

где М - коэффициент умножения;

б1, б3 - коэффициенты передачи тока от П1 и П3 к П2.

Так как токи через все три перехода одинаковы и равны внешнему, то можно записать

I = . (7.1)

Здесь б = б1 + б3

- суммарный коэффициент передачи тока от обоих эмиттеров к коллектору.

Обычно базы изготавливаются разной толщины: Р2 - толстая, w › L (диффузионная длина) и коэффициент передачи тока б3 ‹‹ 1, n1 - тонкая, w ‹ L, б1 ?1.

Выражение (7.1) является ВАХ в неявном виде, т. к. М=f(U).

Построим по (7.1) ВАХ динистора (рисунок 7.3).

ВАХ можно разбить на 4 участка:

а) 1 - при малых значениях напряжения П2- закрыт, б ‹‹ 0,5. C увеличением напряжения, б увеличивается, но слабо, сильно растет М. Участок характеризуется: малыми токами и большими напряжениями - прибор выключен;

б) П - при U = Uвкл произведение М•б=1, т.е. знаменатель в (7.1) = 0. Коллекторный переход П2 смещается в прямом направлении. Коэффициенты передачи тока б1 и б3 сильно возрастают, но знаменатель не может быть меньше нуля, т.к. ток прямой. Следовательно, увеличение б должно сопровождаться уменьшением М, а уменьшение М возможно при уменьшении U, поэтому возрастание тока сопровождается уменьшением U. Это переходный участок с отрицательным сопротивлением, процесс идет лавинообразно;

в) Ш - динистор включен, напряжения малы, токи велики и ограничиваются включением последовательного сопротивления в цепи динистора;

г) 1У - прибор выключен, обратная ветвь ВАХ, как у обычного диода.

У динистора габариты меньше по сравнению с другими переключающими схемами (реле), но он имеет и недостаток - невозможность управления моментом включения.

Прибор имеет дополнительный вывод от управляющего электрода, от n1 или р2 (рисунок 7.4) - обычно от тонкой базы n1 (б ?1). Поэтому возможно управление моментом включения прибора. На рисунке 7.5 приведена ВАХ тиристора. Здесь Iу _ ток управления, при Iy0 характеристика совпадает с характеристикой динистора. Изменяя Iу, можно менять Uвкл независимо от внешнего напряжения.

С увеличением Iу увеличивается б, Мб = 1 наступает раньше при меньшем Uвкл. При некотором Iу участок отрицательного сопротивления исчезает и получается спрямленная характеристика.

Достоинством тиристора является возможность управления моментом его включения. Применяются тиристоры в импульсных схемах, усилителях, генераторах, выпрямителях и др.

Обычные триодные тиристоры не запираются с помощью управляющей цепи, необходимо уменьшить ток в тиристоре до тока удерживающего или до тока выключения.

Используются разновидности:

а) запираемые триодные тиристоры - запираются при подаче через управляющий электрод короткого импульса Uобр на эмиттерный переход;

б) симисторы или симметричные тиристоры проводят ток в оба направления.

На рисунке 7.6,а) приведена структура симметричного динистора - диака, а на рисунке 7.6,б) _ его вольт-амперная характеристика.

В таблице 6.1 приведены условные графические обозначения тиристоров.

Таблица 6.1

Наименование прибора	Обозначение
Динистор
Тиристор с управлением по тонкой базе
Тиристор с управлением по толстой базе
Запираемый тиристор с управлением по тонкой базе
Запираемый тиристор с управлением по толстой базе
Диак
Триак

Однопереходный транзистор _ это полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и тремя выводами. Также называется двухбазовым диодом, т.к. он имеет один р-n переход и два базовых вывода, но это менее точное название. Представляет собой кристалл n-типа (база), в котором создается эмиттерная область р-типа. Однопереходный транзистор напоминает по структуре полевой транзистор с управляющим p-n переходом, но принцип действия другой. Здесь база не является каналом, меняющим свое сопротивление за счет изменения площади поперечного сечения.

Участки n-базы мысленно разделим на верхнюю Б2 и нижнюю Б1. Участок базы Б1 - р-n переход - эмиттер Э выполняют роль диода. Участок базы Б2 - плечо в делителе напряжения смещения Uб.

Вольт-амперная характеристика транзистора

IЭ = f(Uэ)| =const



приведена на рисунке 7.2.

В точке 0 при UБ > 0 и Uэ = 0 через Б1 и Б2 течет небольшой ток смещения и создает падение напряжения UБ1 на участке базы Б1, которое является обратным для эмиттерного перехода. Через переход течет обратный ток IЭ0.

На участке 0А напряжение UБ > 0, 0 ? UЭ ? UБ1, переход (ЭБ1) смещен в обратном направлении и течет ток IЭ0, причем при увеличении UЭ ток IЭ0 уменьшается.

В точке А ток IЭ0 = 0 при UЭ0 = UБ1.

На участке АВ (UЭ > UЭ0) р-n переход смещается в прямом направлении и течет прямой ток IЭ, который увеличивается с ростом UЭ.

В точке В при протекании прямого тока IЭ в базе Б1 идет накопление носителей, сопротивление RБ1 и напряжение UБ1 уменьшаются, а уменьшение UБ1 равносильно увеличению UЭ относительно Б1. При UЭ = UВКЛ этот процесс идет лавинообразно: допустим IЭ увеличивается, тогда RБ1 уменьшается, уменьшается UБ1, Uэ увеличивается, уменьшается потенциальный барьер цк, увеличивается инжекция и ток Iэ, уменьшается RБ1 и т. д.

На участке ВС резко увеличивается IЭ, уменьшается UЭ, это участок отрицательного сопротивления.

В точке С, когда слой Б1 насыщается зарядами, его сопротивление перестает уменьшаться.

На участке СД ток Iэ увеличивается из-за увеличения Uэ.

При увеличении IЭ ВАХ смещается параллельно вправо, при уменьшении UБ _ влево, при UБ = 0 _ совпадает с характеристикой диода.

На рисунке 7.3 приведена схема включения транзистора.

Однопереходные транзисторы используются как ключевые элементы в генераторах, переключателях, усилительных устройствах.

Достоинствами прибора являются простота и стабильность UЭВКЛ.

Недостатки - низкое быстродействие (100…300 кГц ), большие мощность рассеивания и остаточное напряжение, несовместимость по уровню сигналов с другими дискретными элементами

ТЕМА № 11. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы

Оптоэлектроника - область электроники, занимающаяся вопросами преобразования оптических сигналов в электрические и наоборот. Новое направление в радиоэлектронике - оптоэлектроника (ОЭ), возникло на стыке трех наук - физики твёрдого тела, оптики и электроники. Элементную базу ОЭ составляют: источники света, оптические среды (световоды) и фотоприемники.

Световоды - пучки тончайших нитей из прозрачного стекла, по которым свет распространяется, в результате многократного внутреннего отражения от стенок. Через стекловолокно толщиной примерно нескольких микрон может быть передано более ста оптических сигналов с незначительными потерями. Если волокна изготовлены с примесью определенных химических элементов, то они могут усиливать световой сигнал.

Принцип действия ИС основан на использовании индуцированного излучения и электролюминесценции.

Индуцированное излучение осуществляется под действием внешних фотонов. Излучатели, работающие на этом принципе, - лазеры (аббревиатура от слов: light amplification by stimulated emission of radiation - усиление света за счёт индуцированного излучения.)

Наиболее распространённым является лазер на кристалле рубина (Al2O3) с примесью атомов хрома. Ионизированные атомы хрома являются источником лазерного излучения в рубине. На рисунке 8.1 представлено изображение лазера, на котором: 1 - когерентные световые лучи; 2 - полупрозрачное зеркало; 3 - отражающее серебряное зеркало; 4 - кристалл рубина; 5- лампа вспышки-накачки.

На лампу вспышки-накачки 5 подаётся высоковольтное импульсное напряжение. Излучение оптической накачки (процесса перехода электронов в зону проводимости под действием светового излучения) возбуждает атомы хрома. Кристалл рубина 4 является оптическим резонатором, в котором когерентный луч многократно отражается между поверхностями 2 и 3 перед прохождением через полупрозрачный отражающий слой 2. КПД лазера равен 0,5%, Рнакачки = 100 кВт, Рл = 500 Вт.

Широко используется в медицине и особенно широко в голографии (полная запись - метод записи и воспроизведения волнового поля).

Электролюминесценция - испускание света при рекомбинационных переходах электронов в возбуждённых полупроводниках. Она возникает при самопроизвольном (спонтанном) возвращении электронов в валентную зону. А возбуждение осуществляется сильным электрическим полем, ударной ионизацией в запертом p-n переходе или инжекцией носителей через открытый p-n переход.

Используются как индикаторы, источники света в оптопарах, источники излучения для фиксации на светочувствительном материале.

На стеклянную подложку 5 нанесён полупрозрачный проводящий слой - нижний электрод 4. Электрическое поле между электродами (верхний 1 и нижний 4)возбуждает электролюминесценцию в люминофоре 3, который отделен от верхнего электрода 1 диэлектриком 2. Свет выходит через полупрозрачное стекло.

Недостатком является большое время разгорания и затухания (10-3 _ 10-4с).

На рисунке 8.3,а приведена яркостная характеристика

B = f(U),

где Umin- опорное напряжение, на рисунке 8.3,б - характеристика старения прибора. Видно, что срок службы зависит от материала изготовления.

В основе работы светодиода лежит излучательная рекомбинация в p-n- переходе. При прямом смещении инжектированные неосновные носители вблизи перехода рекомбинируют в базе с основными. При этом излучаются кванты света. Излучение может быть в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой частях спектра.

Основные характеристики светодиодов:

а) диаграмма направленности

P = f()

- определяется конструкцией и оптическими свойствами материала (рисунок 8.4)

б) спектральная характеристика

B/B0=f()

- зависимость яркости от длины волны _ представлена на рисунке 8.5, где B - яркость (кандела/м2); В0 - максимальная яркость; В/В0 - относительная яркость;

в) яркостная характеристика

B=f(IД)

- зависимость яркости от тока диода _ представлена на рисунке 8.6;

г) ВАХ IД = f(UД)

- такая же, как у выпрямительного диода, но более линейная.

Используются плоская и полусферическая конструкции л.

Плоская конструкция (рисунок 8.7,а) наиболее простая. Рабочая поверхность большая (несколько мм2), но мала эффективность. Используется в матричных устройствах с большой плотностью упаковки.

Полусферическая конструкция (рисунок 8.7,б) по технологии сложней, но выигрывает в эффективности. Это делает её более предпочтительной.

Светодиод с перестраиваемым цветом свечения (рисунок 8.7,в) представляет двухдиодную структуру, каждый из p-n переходов управляется независимо. Верхний p-n переход, допустим, излучает зелёный цвет, нижний - красный. Если смещены оба перехода, то цвет излучения - жёлтый. Изменяя ток, можно изменять цвет, получая большую гамму излучения. Может быть использован как индикатор для отображения четырех состояний.



На светодиодах могут быть построены в интегральном исполнении инжекционные лазеры - источники когерентного излучения, которые концентрируют большое количество энергии в узкой спектральной области при высоком КПД и быстродействии (в виде матриц на базовом кристалле). Они широко используются в информационных табло.

Недостатками являются:

а) низкая эффективность;

б) деградация характеристик при старении.

Достоинства:

а) механическая прочность;

б) высокая надёжность;

в) малые габариты;

г) низкие рабочие температуры;

д) малое потребление энергии;

е) безынерционность.

В фотоприемнике или фотоэлектрическом приборе происходит преобразование лучистой энергии в электрическую.

Строится на трех основных фотоэлектрических явлениях:

а) внутренний фотоэффект - изменение электропроводности проводника при его освещении за счёт увеличения концентрации носителей тока (фоторезистор);

б) фотоэффект в запирающем слое - возникновение ЭДС на границе двух материалов под воздействием света (фотодиод, фототранзистор);

в) внешний фотоэффект - испускание электронов веществом под действием света - фотоэлектронная эмиссия (фотоэлемент, фотоэлектронный умножитель).

Фотодиод - фотоэлектронный прибор, в основу работы которого положен фотоэффект в запирающем слое, возникает ЭДС в p-n переходе под действием светового потока.

Имеет структуру обычного p-n перехода. Изготавливается из германия или кремния, чаще кремния, так как он имеет более высокий коэффициент преобразования.

Можно подвергать световому воздействию:

а) параллельно p-n переходу, но все процессы идут сверху в небольшой области;

б) перпендикулярно к p-n переходу, одна из областей делается прозрачной для лучей.

При облучении происходит ионизация атомов исходного вещества в p-n переходе. Увеличивается собственная электропроводность, т.е. количество пар электронов и дырок.

Фотодиод может включаться с и без внешнего источника:

а) без внешнего источника - называется вентильным или фотогенераторным режимом;

б) при наличии внешнего источника питания Евн - фотодиодным или фотопреобразовательным режимом.

а) вентильный режим фотодиода - Евн = 0: