книги из ГПНТБ / Воронков Э.Н. Основы проектирования усилительных и импульсных схем на транзисторах учеб. пособие [для сред. спец. учеб. заведений]

Э. Н . Воронков Ю . А . Овечкин

о с н о в ы : -

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

УСИЛИТЕЛЬНЫХ И ИМПУЛЬСНЫХ СХЕМ

НА ТРАНЗИСТОРАХ

■\

t

В75

УДК 621.382.3.001.2(075.3)

,-0 - . п у б л и ч н а *

к&уѴо - технике-на*

библ»:от«#'■ , с ^ г

э К3 С ^ СіДЯР"

ЧИТАЛЬНОГО "

' ЪЬІоЧЪ

Рецензент — Предметная комиссия Московского техникума электроприборов

(^Издательство„Машиностроение" ,1973г

ПРЕДИСЛОВИЕ

Полупроводниковые приборы в настоящее время являются основными элементами большинства радиоэлектронных уст­

ники сделали возможным переход от производства и примене­ ния дискретных приборов к микросхемотехнике, интегральной электронике. Все это значительно повысило надежность элек­ тронной аппаратуры.

Однако реализовать достоинства полупроводниковых прибо­ ров можно только при знании их физических свойств, парамет­ ров, характеристик и эксплуатационных особенностей.

Полупроводниковые приборы способны работать с большой эффективностью при низком напряжении источников питания п в отдельных случаях при малом рабочем токе. В то же время они весьма чувствительны к перегрузкам, поэтому при проекти­

. Большая чувствительность транзисторов 'и диодов кшзменению температуры и режимов, а также разброЬ параметров, изме­ нение их величин во время хранения и работьг являются особенностями полупроводниковых приборов.

В соответствии с этим в настоящей книге наряду с рассмот­ рением принципов работы полупроводниковых приборов, схем с их применением и способов расчета этих схем даны основные рекомендации по конструированию, изготовлению и эксплуата­ ции радиоэлектронной аппаратуры на полупроводниковых при­ борах.

Книга состоит из четырех разделов. В первом разделе рас­ смотрены характеристики полупроводниковых приборов и физи­ ческие процессы в них. При этом авторы не охватили все типы известных в настоящее время приборов, количество которых очень велико. Предполагается, что усвоение физической сущно­ сти процессов, происходящих в транзисторах и полупроводнико­

3

Раздел первый

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Г л а в а I

ПОЛУПРОВОДНИКИ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

§ 1.1. СОБСТВЕННЫЙ ПОЛУПРОВОДНИК

Во всех современных электронных приборах используется воз­ можность управления потоком свободных электронов, образую­ щих электрический ток. Однако в электронных лампах и полу­ проводниковых приборах образование свободных электронов и управление ими происходит по-разному. Это связано, в первую очередь, с тем, что движение электронов в этих приборах проис­ ходит в различны-х объемах в вакууме и в кристалле полупро­ водника.

При движении в вакууме электрон не встречает на своем пути препятствий и, если приложено электрическое поле, движется равноускоренно по направлению к положительному потенциалу под действием электростатической силы. При этом свободный пробег электрона, т. е. длина его пути без столкновений, значи­ тельно превышает размеры электронной лампы.

В кристалле электрон движется среди правильно располо­ женных в пространстве атомов, образующих кристаллическую решетку, совершающую периодические тепловые колебания. Кроме того, в полупроводниковых приборах свободные элек­ троны получаются принципиально другим способом и для управ­ ления ими используются иные физические явления.

Для правильного проектирования схемы с применением полу­ проводниковых приборов необходимо знать основные физические процессы, происходящие в полупроводниковых приборах.

Всякий кристалл, в том числе и полупроводниковый, харак­ теризуется закономерным расположением атомов в пространстве. Взаимное расположение атомов и расстояния между ними опре­

связи, осуществляются благодаря валентным электронам, нахо­ дящимся во внешней оболочке атома. Внешняя оболочка таких полупроводников как германий и кремний состоит из четырех электронов, вращающихся вокруг ядра по четырем орбитам.

5

При образовании кристаллов атомы настолько сближаются, что их внешние электронные оболочки перекрываются. Взаимодей­ ствие электронных оболочек приводит к тому, что у валентных электронов соседних атомов появляются общие орбиты, на каж­ дой из которых может находиться не более двух электронов. Эти общие орбиты связывают между собой атомы кристалла, обра­ зуя так называемые ковалентные или парноэлектронные связи. Причем электроны связи принадлежат обоим связанным между собой атомам.

Для наглядности атомную решетку германия или кремния изображают в виде плоской сетки, в которой каждый атом соеди­ няется парноэлектронной связью с четырьмя ближайшими ато­ мами (рис. 1.1).

Кристаллическая решетка, показанная на рис. 1.1, является идеальной. Полупроводники с идеальной кристаллической ре­ шеткой (не имеющие примесей и дефектов) называются собст­ венными. При температуре абсолютного нуля (—273° С) все валентные электроны в собственном полупроводнике связаны. Если поместить такой кристалл в электрическое поле, то элек­ трический ток не возникнет, поскольку нет свободных электро­ нов; поэтому в этих условиях полупроводник обладает свойст­ вами идеального изолятора. Свободный электрон или электрон проводимости может появиться в собственном полупроводнике только- в том случае, если валентный электрон освободится из какой-либо связи. Для этого необходима определенная энергия. Энергия, которую необходимо сообщить свободному электрону для того, чтобы он стал электроном проводимости, зависит от силы связи валентных электронов с атомами; для разных полу­ проводников она различна. Так как при освобождении электрон

6

получает дополнительную энергию, то его полная энергия будет ■больше, чем у связанных электронов на величину, необходимую для разрыва связи. Если отложить по вертикальной оси полную энергию свободных и связанных электронов, то получим диа­ грамму, показанную на рис. 1.2.

Энергиями выше уровня Ес могут обладать только свободные электроны, а ниже уровня Е ѵ будут обладать связанные, валент­ ные электроны. Поэтому зону выше уровня Ес называют зоной проводимости, а ниже уровня Е ѵ — валентной зоной. Поскольку в идеальных кристаллах электроны не могут обладать энер­ гиями, лежащими в зоне между Ес и Е ѵ, эту зону называют зо­ ной запрещенных энергий или просто запрещенной зоной.

Ширина запрещенной зоны характеризует энергию, необхо­ димую для освобождения электрона из валентной связи. Чем больше ширина запрещенной зоны, тем труднее валентный элек­ трон сделать свободным. Для германия ширина запрещенной зоны составляет 0,78 эВ, для кремния 1,21 эВ *. Это значит, что получить свободные электроны в германии легче, чем в кремнии.

Освобождение валентных электронов может происходить за счет тепла, света, электрического поля и различных видов излу­ чений. При нагревании полупроводника атомы кристаллической решетки находятся в колебательном движении с амплитудой, пропорциональной температуре. Строго говоря, энергия, полу­ чаемая отдельными атомами за счет теплового движения, неоди­ накова, поэтому при температуре, отличной от нуля, всегда имеется вероятность того, что какие-то электроны за счет тепло­ вых колебаний получат энергию большую ширины запрещенной

Из теории полупроводников известно, что число свободных электронов в собственном полупроводнике увеличивается по экс­ поненциальному закону

где п — концентрация свободных электронов в единице объема; ЛЕ — ширина запрещенной зоны;

Т — абсолютная температура в К;

k — постоянная Больцмана, равная 1,38-ІО-23 Дж/град; Nc — максимально возможная эффективная плотность элек­

тронов проводимости.. Действительно, как видно из формулы (1.1), при Т-уоо, n-yNc-

Если валентный электрон разорвал ковалентную связь и стал электроном проводимости, то в том месте, где он находился, на-

* Ширина запрещенной зоны указана для К. Электронвольт — единица энергии, численно равная 1,6. 10-19 Дж.

7

блюдается местное нарушение электрической нейтральностиДействительно, если связи заполнены, то положительный заряд ядер компенсируется отрицательным зарядом электронов, а освобождение одного из электронов приводит к тому, что в том месте, откуда он ушел, будет преобладать положительный заряд, ядер, равный по абсолютной величине заряду электрона. Таким образом, получается, что место, освободившееся от валентногоэлектрона, обладает положительным зарядом. Эти вакантные места, появляющиеся в валентных связях,' называют дырками.

Дырка может быть заполнена ва­ лентным электроном из соседней связи. При этом одна связь за­ полнится, а другая станет дефект­ ной (рис. 1.3). Следовательно,

и вновь стать валентным, при этом должна выделиться энергия, затраченная первоначально на образование свободного элек­ трона и дырки, т. е. энергия, равная ширине запрещенной зоны (эта энергия обычно выделяется в виде тепла или света). Такой процесс превращения свободного электрона в связанный, при­ водящий к исчезновению свободного электрона и дырки, назы­ вается рекомбинацией. Обратный процесс возникновения свобод­ ного электрона и дырки называется генерацией, он идет с погло­ щением энергии.

Из закона сохранения энергии следует, что в стационарных условиях число рекомбинирующих носителей заряда (электронов или дырок) должно равняться числу генерируемых.

При отсутствии электрического поля в полупроводнике элек­ трический ток не возникает, несмотря на то, что имеются подвиж­ ные носители (электроны и дырки). Это связано с тем, что элек­ троны и дырки находятся в состоянии хаотического теплового движения, претерпевая многочисленные столкновения с атомами решетки и друг с другом. При этом все направления теплового движения зарядов равновероятны, так как вероятность столкно-

8

вення в любом направлении одна и та же и направленного дви­ жения носителей не происходит.

Если поместить кристалл в электрическое поле, то электроны и дырки, продолжая участвовать в хаотическом тепловом дви­ жении, будут смещаться под действием электрических сил вдоль поля, что и создаст электрический ток.

Движение электронов и дырок под действием поля происхо­ дит в противоположных направлениях. Однако, так как они

В отличие от ламп, в которых электроны от катода к аноду движутся ускоренно, в полупроводнике электроны под дейст­ вием поля движутся с постоянной скоростью. Это можно объяс­ нить следующим образом: свободный электрон в кристалле под действием поля ускоряется до техпор, пока не столкнется с ато­ мом кристаллической решетки, при этом он отдаст энергию, которую получил от электрического поля, и начинает снова уско­ ряться под действием поля до следующего столкновения с ре­ шеткой и т. д. В результате электрон движется через кристалл с некоторой средней скоростью ѵп, которая пропорциональна напряженности электрического поля Е, т. е.

где — коэффициент пропорциональности, который называют подвижностью электронов.

Как видно из формулы (1.3), подвижность носителей заряда характеризует среднюю добавочную скорость, которую они при­ обретают под действием электрического поля: Чем выше по­ движность носителей заряда, тем большую скорость они при­ обретут под действием одного и того же электрического поля. Подвижность носителей зависит от степени чистоты материала и от температуры образца. Для чистого германия подвижность электронов составляет 3900 см2/В-с, а для кремния 1350 см2/В-с (при комнатной температуре).

Для дырок можно записать

9