книги / Электроника электрофизические основы, микросхемотехника, приборы и устройства
..pdfтушки 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)
Нелинейность характеристики |
варистора (рис. 1.10,6) обусловлена |
тем, что при повышении напряжения |
происходит электрический пробой |
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
напряжений на переходах и соответствующие им характеристики. Актив ный инверсный режим можно получить, поменяв точки подключения эмит тера и коллектора. При этом открыт переход «база - коллектор», задающий ток коллектора /к, а ток эмиттера определяется соотношением i3~ аи гк.
Несимметричность конструкции транзистора (высокая степень легированности области эмиттера при большей площади коллектора) приводит к меньшему значению коэффициента передачи тока в инверсном включе нии аи = 0,7...0,9. В режиме насыщения полярность и напряжения источ ников таковы, что оба перехода смещены в прямом направлении. Напря жения при насыщении {/„ невелики ({У6эм = 0,5...0,7В и UK3U= 0,2...0,4В). Если к переходам приложены запирающие напряжения, то транзистор на ходится в режиме отсечки тока. Отсечку и насыщение используют в им пульсной электронике для получения замкнутого и разомкнутого состоя ний транзисторного ключа.
Модель Эберса - Мола является универсальной, позволяющей рас считать токи и напряжения в любом режиме работы транзистора.
Если пренебречь незначительным влиянием напряжения коллектор ного перехода на ток эмиттера, то входная характеристика транзистора *э(Ибэ) представляет собой прямую ветвь вольт-амперной характеристики эмиттерного перехода (рис. 1.14,о).
Рис. 1.14. Входная (а) и выходные (б) характеристики биполярного транзистора
При нулевом токе эмиттерного перехода /э = 0 выходная характери стика транзистора /к(^Кб) совпадает с обратной ветвью характеристики кол лекторного перехода, представленной током /к<> Семейство выходных ха рактеристик при различных значениях эмиттерного тока /э можно полу чить смещением характеристики для /э= 0 по оси тока на значение /К= а /Э|-
Всоответствии с выходными характеристиками эквивалентное со противление Rk6= UK/ÎK зависит токов эмиттера или базы, т. е. ими управ ляется; поэтому рассматриваемый прибор называют биполярным (двупо лярным) т р а н з и с т о р о м (transfer resistor), поскольку в образовании тока участвуют два типа носителей заряда - электроны и дырки.
Взависимости от способа присоединения источника и нагрузки раз личают три схемы включения транзистора, названные по типу электрода, являющегося общим для входа и выхода: с общей базой (ОБ), эмиттером (ОЭ) или коллектором (ОК). В схемах с ОЭ и ОК в качестве входного ис пользуется зажим базы (рис. 1.15,а), и токи эмиттера и коллектора удобно
выразить через ток базы iK=Pie> и
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;
3) |
режим насыщения (постоянного тока) /с |
-£/0)2 при uc>u3-U 0, |
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?