книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства

тушки индуктивности), которые связаны замыкающимся по магнитопроводу (сердечнику) магнитным потоком (рис. 1.9,<я).

Рис. 1.9. Трансформатор (я) и его схема замещения (б)

Наличие магнитной связи позволяет обмениваться электрической энергией без непосредственного (гальванического) соединения между об­ мотками. В информационных системах наряду с гальванической развязкой цепей трансформатор используют для преобразования сопротивлений с целью согласования режимов работы источника и приемника сигналов.

Основным элементом эквивалентной схемы трансформатора с фер­ ромагнитным сердечником является нелинейная индуктивная проводи­ мость b, определяющая магнитный поток, который пронизывает обе об­ мотки (рис. 1.9,б). Индуктивности Ls\ и Ь$2 связаны с магнитными потоками рассеяния, которые сцеплены только с первичной и вторичной обмотками. Нелинейная проводимость g отражает потери мощности в сердечнике, а сопротивления г\ и г2- потери в проводниках обмоток.

Полупроводниковые материалы, в силу существенной зависимости их электропроводности от внешних воздействий (электрических и магнит­ ных полей, температуры, давления), обеспечивают большие возможности для реализации элементов с заданными нелинейными характеристиками.

Нелинейные резисторы, называемые в а р и с т о р а м и , предназна­ чены для ограничения и регулирования напряжения (рис.1.10,я).

Рис. 1.10. Варистор (а) и его характеристика (б), датчик Холла (в)

тонких изолирующих пленок, окружающих элементарные области (кри­ сталлы) полупроводника (карбида кремния), и сопротивление материала резко уменьшается. Варисторы обладают симметричной характеристикой с напряжениями ограничения для различных экземпляров от 15 до 25000 В.

Резисторы, имеющие заранее предусмотренные зависимости от за­ данного физического воздействия, используются в качестве датчиков (тер­ морезисторы, фоторезисторы, магниторезисторы), например преобразова­ тель Холла, представляющий собой полупроводниковую пластину, поме­ щенную в магнитное поле (рис.1.10,в). При прохождении по ней электри­

ческого тока под действием силы Лоренца движущиеся заряды (дырки и электроны) отклоняются и накапливаются на одной из граней. В результа­ те появляется ЭДС, значение которой пропорционально произведению ин­ дукции магнитного поля на ток. На основе таких преобразователей строят датчики индукции магнитного поля (при фиксированном токе) или датчи­ ки тока (при неизменной индукции магнитного поля).

Большие возможности преобразования сигналов заложены в струк­ турах на основе явлений, возникающих при контакте материалов с различ­ ными электрофизическими свойствами.

1.5. Электрические переходы и приборы на их основе

Большое число элементов с заданными характеристиками получено на основе явлений, возникающих в структурах, содержащих электрические переходы, которые образуются при контакте материалов с различными электрофизическими свойствами.

Явления в электрических переходах, под которыми понимают узкую область вблизи поверхности раздела разных материалов, широко приме­ няют для построения электронных приборов и датчиков. Электронно­ дырочные (р - п) переходы составляют основную часть разнообразных по­ лупроводниковых структур. При образовании металлургического контак­ та полупроводниковых пластин и- и p -типа с концентрациями электронов пп= 1019см-3 и дырок рр = 1013 см "3 вблизи соединения наблюдается боль­ шой градиент (разница) концентраций отрицательных и положительных свободных зарядов. Диффузия электронов в p -слой и дырок в «-слой и их рекомбинация со свободными зарядами приводит к образованию вблизи контакта областей носителей, обладающих объемным зарядом оставшихся неподвижных ионов, который создает собственное электрическое поле пе­ рехода £ вт (рис. 1.11,<?). Это поле создает в обедненном основными носите­ лями слое потенциальный барьер cpü? препятствующий дальнейшему пере­ мещению зарядов и обеспечивающий динамическое равновесие.

диод (в) и его эквивалентная схема (г)

Приложение внешнего напряжения прямого направления (плюсом к р - области) снижает потенциальный барьер и приводит к возникновению тока, который незначителен пока приложенное напряжение меньше уровня отпирания перехода U , который для кремниевых структур составляет от

0,5 до 0,7 В (рис. 1.11,6). Дальнейшее увеличение напряжения вызывает значительный рост тока. Изменение полярности приложенного напряже­ ния приводит к повышению потенциального барьера и поддержанию через переход весьма малого обратного тока, обусловленного перемещением не­ основных носителей (дырок в п- области и электронов в р - области) с не­ значительными концентрациями.

Для математического описания внешней характеристики р-п перехо­ да, т. е. зависимости i(u\ используют выражение (модель Шокли)

i = I0( e ^ -1 ),

где /0 - обратный ток перехода; срт = kT/qe = 0,025 В - тепловой потенци­ ал, вычисленный при температуре T = 300К с учетом заряда электрона qe= 1,6-10~19Кл и постоянной Больцмана к -- 1,38-10 23 Дж/К.

Характеристика отражает вентильные свойства перехода, проявляю­ щиеся в значительно различающейся проводимости при прямом и >0 и об­ ратном и< 0 напряжениях. Прямую ветвь при и > 4срт = 0,1В можно опи­

сать соотношением i ~ I 0eu,(^ y из которого следует выражение дифферен­

циального сопротивления rd = du/di=q>Tl 1 , зависящего от выбора рабочей точки на характеристике, задаваемой током /. Например, значениям тока в пределах/= 1...25мА соответствует изменениегс!о т25 до Юм. При м<0в соответствии с принятой моделью имеем / = - /о и обратную ветвь можно представить источником весьма небольшого тока, значения которого ле­ жат в пределах 10 7 10 5 А, с теоретически нулевой проводимостью.

Существенное различие проводимости р - п перехода при прямом и обратном напряжениях обусловило его применение в качестве выпрями­ тельного диода (рис. 1.11,в). В конструктивно завершенном полупроводни­ ковом диоде выпрямляющий переход заключен в изолирующий корпус и снабжен металлическими выводами. Эквивалентная схема диода содержит: нелинейное сопротивление и емкость перехода, резистор г, включающий сопротивления выводов и областей полупроводника вне переходной об­ ласти, а также сопротивление Rm, учитывающее наличие тока утечки через изолирующий корпус (рис. 1.11 .г).

При небольшом запирающем переход обратном напряжении диод можно представить плоским конденсатором, диэлектриком которого слу­ жит область перехода, а обкладками проводящие области (р, п). Использо­ вание емкостного эффекта полупроводниковой структуры служит основой создания нелинейного конденсатора - варикапа (рис. 1.12,о). Емкость плос­ кого конденсатора Сд =£0es/A, называемая б а р ь е р н о й , определяется

площадью перехода 5 и зависит от напряжения (рис. 1.12,б)* Нелинейность барьерной емкости обусловлена вариацией толщины запирающего слоя А при изменении напряжения. При прямом напряжении переход характери-

зуется диффузионной емкостью Сдиф= dq/ d t, которая шунтирована весьма

малым сопротивлением гл.

Рис. 1.12. Варикап (а) и зависимость емкости от напряжения (б); характеристика про­ боя перехода (в) и стабилитрон (г), характеристики «металл - полупроводник» (б) и ди­

од Шоттки (б)

При больших значениях обратного напряжения диода u= -U np малое его повышение \u\>Unp приводит к резкому возрастанию тока (рис. 1.12,в), вызванного явлением электрического пробоя. Неизменность напряжения при лавинном пробое позволяет изготовить на основе перехода стабили­ трон (рис. 1.12^), используемый для стабилизации уровня напряжения.

Создание контакта металла с полупроводником приводит к перерас­ пределению носителей зарядов в прилегающей области, т.е. образует элек­ трический переход, который обладает различными характеристиками в за­ висимости от параметров полупроводника и типа металла.

Выбор металла, в качестве которого обычно используют алюминий или медь, и параметров полупроводника так, чтобы работа выхода его электронов была больше, приводит к переходу электронов в полупровод­ ник и его обогащению основными носителями. При этом сопротивление переходной области полупроводника снижается, потенциальный барьер отсутствует и вольт-амперная характеристика (рис. 1.12,д) имеет вид ли­ нейной зависимости с малым переходным сопротивлением. Такой контакт, называемый омическим, применяют для подключения полупроводниково­ го прибора к другим устройствам.

Если энергия выхода электронов металла больше энергии носителей заряда полупроводника, то контакт (переход Шоттки) обладает нелиней­ ной зависимостью /(и), аналогичной характеристике р - п перехода, но с меньшим значением напряжения отпирания £/*ш= 0,4 В (рис. 1.12,д). В из­ готовленном на основе полученного перехода диоде Шоттки (рис. 1.12,е) напряжение управляет потоком основных носителей, что обеспечивает вы­ сокую скорость переходных процессов и позволяет использовать его для создания быстродействующих переключателей.

1.6.Управляемые полупроводниковые приборы

Спомощью многослойных полупроводниковых структур, содержа­ щих взаимосвязанные переходы, получают возможность электрического управления потоками зарядов и построения на их основе широкого класса приборов (транзисторов, тиристоров).

Одним из наиболее распространенных полупроводниковых приборов является биполярный транзистор (БТ), в структуре которого можно выде­ лить эмиттерную (э), коллекторную (к) и базовую (б) области, образую­ щие два взаимодействующих р-п перехода: эмиттер - база и база - коллектор (рис. 1.13,а).

РП

а) б Т

Рис. 1.13. Структура биполярного транзистора (я), его включение (б) и эквивалентная схема (в)

Внешние источники подключают так, чтобы обеспечить усилитель­ ный (активный) режим работы транзистора, при котором £/бэ смещает пе­ реход в прямом, а (УКб в обратном направлении (рис. 1.13,6).

Приложение к эмиттерному переходу напряжения (7бэ >11\ превы­ шающего порог отпирания, приводит к переходу электронов из высоколе­ гированной области эмиттера п в базу, создающему ток /э. При малой ши­ рине базы лишь небольшое число электронов рекомбинирует со свобод­ ными дырками, а основная их часть достигнет коллекторного перехода и, захваченная его ускоряющим полем, будет втянута в коллекторную об­ ласть, образуя ток iK= ai3. Небольшое изменение заряда базы, связанное с процессом рекомбинации, компенсируется током /б =/э - /к = (1—сх)/3. Близ­ кую к единице величину а = 0,9...0,999 называют к о э ф ф и ц и е н т о м п е р е д а ч и тока эмиттера.

Эквивалентная схема (модель Эберса - Молла) на рис. 1.13,в отража­ ет принцип действия биполярного транзистора. Она содержит управляе­ мые источники, учитывающие взаимодействие токов переходов и модели­ рующие р-п переходы диоды, которые характеризуются зависимостями

где Кб-к, Мб-э —напряжения на переходах; /ко, /эо - токи обратно смещенных переходов.

Дифференциальное сопротивление открытого эмиттерного перехода значительно меньше дифференциального сопротивления обратно смещен­ ного коллекторного перехода, что при практически равных токах /э = /к свидетельствует об усилении транзистором напряжения и мощности.

Созданы также транзисторы со структурой р-п-р, которые имеют эк­ вивалентную схему такого же вида, но при этом полярности включения диодов и направления всех источников следует заменить на противопо­ ложные.

Наряду с рассмотренным нормальным активным режимом в зависи­ мости от полярности внешних источников возможны другие направления

Рис. 1.15. Включение транзистора с общим эмиттером (а) и эквивалентная схема (б)

Источники тока на эквивалентной схеме (рисЛ. 15,6) управляются током базы. Коэффициент передачи тока базы в нормальном активном ре­ жиме Р=а/(1-а), связывающий токи базы и коллектора, имеет большое значение P » 1 (например, значение а = 0,99 приводит к Р = 100), что сви­ детельствует об управлении током коллектора, существенно меньшим тока базы. Коэффициент передачи в инверсном режиме ри имеет значительно меньшее значение, чем р. Эквивалентная схема реального транзистора включает сопротивления областей коллектора гк, эмиттера г3 и базы гб, а также емкость коллекторного перехода Ск.

Принцип действия п о л е в о г о транзистора базируется на измене­ нии удельной электрической проводимости полупроводникового материа­ ла. Управление выходным током в транзисторной структуре возможно с помощью электрического поля через диэлектрик в структуре «металл - ди­ электрик - полупроводник» (МДП).

МДП-транзистор формируется на полупроводниковой подложке из слабо легированного кремния p -типа или диэлектрической (сапфир) подложке в виде областей я+-типа истока (И) и стока (С), между которыми расположен канал для прохождения тока (рис. 1.16,а).

Рис. 1.16. Структура МДПтранзистора (я), его проходная (б) и выходные (в) характеристики

Над каналом помещают управляющий электрод из алюминия - за­ твор (3), изолированный от подложки диэлектриком (обычно используют окись кремния Si02).

При отсутствии напряжения на затворе U2= 0 ток /с отсутствует при любой полярности напряжения на стоке ис , так как область полупроводни­ ка между стоком и истоком представляет собой п - р - п структуру (два встречно включенных перехода).

Если между затвором и полупроводниковой подложкой приложить напряжение щ, то созданное электрическое поле изменяет концентрацию носителей заряда в прилегающем к диэлектрику слое полупроводника и влияет на удельную электрическую проводимость слоя с.

При небольшом положительном напряжении электрическая проводи­ мость приграничной зоны уменьшается из-за оттока под действием электри­ ческого поля свободных положительных зарядов (дырок). Значительное уве­ личение положительного напряжения на затворе и сильное возрастание на­ пряженности электрического поля приводит к ионизации и появлению сво­ бодных электронов (отрицательного заряда в приграничной области). При пороговом напряжении £/0 в приграничном слое полупроводника изменится характер проводимости (инверсия типа проводимости), т. е. в подложке р- типа под действием поля создается канал «-типа.

В образовавшемся при щ > £/0 проводящем канале «-типа возникнет ток 1с от истока (область «+) к стоку (область «+). Проходная характеристи­ ка транзистора /с(и3) отражает влияние напряжения затвора щ на ток ic ка­ нала (рис.1.16,6). Кроме того, ток ic через канал зависит от приложенного к нему напряжения ис. При небольшом значении напряжения «сток - исток» можно считать сопротивление канала RKпостоянным (не учитывать не­ значительное изменение концентрации электронов вдоль канала) и вы­ ходную характеристику транзистора ic(wc) на начальном участке при не­ изменном напряжении затвора (рис. 1.16,в) описать линейной зависимо­ стью uQ=RKic.

Увеличение напряжения на стоке при неизменном напряжении за­ твора вызовет заметное уменьшение концентрации электронов от истока к стоку за счет падения напряжения на канале, что приведет к возрастанию сопротивления канала и отклонению зависимости ic(uc) от линейной. При дальнейшем Увеличении напряжения ис в области стока напряжение меж­ ду затвором , ! каналом ик приблизится к пороговому UQ и ток стока ic не будет измеш гься, т.е. на выходной характеристике транзистора образуется пологий учас гок.

Напряжение затвора влияет на выходную характеристику в силу из­ менения сопротивления канала, и при разных значениях щ получим семей­ ство выходных характеристик (рис.1.16,в).

Для описания характеристик МДП-транзистора можно использовать кусочную модель Хофстайна, которая представляет аналитические зави­ симости по участкам:

1)отсутствие канала ic = 0 (транзистор закрыт) при щ - U0 <0 ;

2)линейная область ic =k0[2(u3 - U 0)uc-w 2] при малых значениях на­ пряжения на стоке «с < щ - U0;

где ко - крутизна характеристики.

Эквивалентная схема МДП-транзистора с индуцированным (наве­ денным) каналом н-типа (рисЛ. 17,а) содержит источник тока, управляе­ мый напряжениями затвора и стока, а также емкости полупроводниковой структуры (рис. 1.17,6).

Рис. 1Л7. МДП транзисторы с индуцированным каналом w-типа {а - обозначение, б - эквивалентная схема), р -типа (в) и встроенным каналом и-типа (г)

Наряду с рассмотренным транзистором МДП-технология позволила создать широкий класс полевых транзисторов: с индуцированным каналом p -типа (рис. 1.17,в), с технологически сформированными или встроенными каналами (рис. 1.17,г) и другие, обладающие различными параметрами.

С использованием черырехслойной структуры (рис.1.18,я) разрабо­ тан полупроводниковый прибор - т и р и с т о р , позволяющий без затрат энергии по цепи управления сохранить одно из устойчивых состояний: от­ крытое (проводящее) или закрытое (изолирующее).

Тиристоры применяют в качестве мощных коммутаторов (токи до 500 А и напряжения до 1000В) в силовых преобразователях. Управляемый тиристор имеет внешние выводы катода (К), анода (А) и управляющего электрода (У).

Для анализа процессов в тиристоре полупроводниковую структуру удобно представить как соединение транзисторов Ti типа П\-рг пг и Т2 ти­ па р2~пг-р\ (рис. 1.18,6). При положительном напряжении U на аноде транзи­ сторы Ti и Т2 находятся в активном режиме, так как переходы п\-р\ и п2-р2 смещены в прямом, а переход п2-р\ в обратном направлении.

Поданный в цепь управляющего электрода ток 1Уусиливается тран­ зистором Ti и создает в цепи базы Т2 ток /62 =р,/у, который усиливается до

значения /к2 =p,p2/6i. Процесс усиления тока в замкнутом контуре продол­ жается до состояния насыщения транзистора.

С помощью эквивалентной схемы можно получить уравнения, опи­ сывающие процесс перехода тиристора из закрытого состояния в прово­ дящее (насыщения) при отсутствии тока управления 1У= О Из соотноше­ ний для токов J32= ^K2 +A<I +4 O>где /к0 - ток закрытого перехода, с учетом /к2 =а2^э2и /к. =aiAi = а,/ несложно записать выражение анодного тока в ви­ де / =/к0/[1-(а, +а2)]. Скачкообразное увеличение тока будет наблюдаться

при значениях коэффициентов передачи базовых токов (ai+ a2) = 1. Начальный этап нарастания напряжения (рис. 1.18,в) проходит при

значении тока, близком к 1ко, и малых коэффициентах передачи ai и а 2, ко­ торые зависят от токов и напряжений переходов. При напряжении U= UB, обеспечивающем выполнение условия (aj + a 2) = 1, происходит лавинооб­ разное увеличение тока, отраженное на характеристике отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Ток /в гарантирует положительное напряжение смещения на всех пе­ реходах; и дальнейшее его увеличение дает характеристику открытого диода. Изменение полярности приложенного напряжения на противопо­ ложное практически не изменяет начального тока / = /к0 вплоть до элек­ трического пробоя.

Введенный ток /у1 управляющего электрода складывается с током коллектора Т2, что увеличивает общий ток через базу Ti и снижает напряжение включения тиристора UB\.

Разработано несколько разновидностей тиристоров - симметричные, запираемые и др., обладающие различными свойствами и характеристика­ ми.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Каковы принципы классификации электронных средств?

2.Чем объясняется отличие свойств проводников, диэлектриков, полупроводников?

3.Что влияет на свойства электронно-дырочного перехода и определяет его харак­ теристику?

4.Какие приборы реализованы на базе электронно-дырочного перехода?

5.В чем состоит эффект взаимодействия электронно-дырочных переходов и как это отражено в эквивалентной схеме транзистора?

6.От каких факторов зависят характеристики биполярного транзистора?

7.Какую роль играет затвор полевого транзистора?

8.Что такое МОП-транзистор с индуцированным /7-каналом?

9.Чем объяснить наличие отличающихся участков на характеристике тиристора?

10.Какова связь структуры тиристора с его вольт-амперной характеристикой?