Вольт-амперная характеристика, пробой и общие параметры диодов

Если к выводам диода подключен источник внешнего напряжения плюсом к аноду, а минусом к катоду, то диод будет включен в прямом направлении, и через него будет протекать значительный инжекционный ток, называемый прямым током. При изменении полярности внешнего напряжения на выводах диода на обратную (плюс на катоде, минус на аноде) он будет включен в обратном направлении. В этом случае через диод протекает незначительный по величине ток, называемый обратным током, обусловленный экстракцией неосновных носителей заряда через электрический переход.

Зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к его выводам внешнего напряжения называется вольт-амперной характеристикой диода:

, (1)

где – температурный потенциал, равный 26 мВ при Т=300 К; I₀ – обратный ток насыщения. Уравнение (1) называют теоретической или идеализированной ВАХ диода. В нем не учтено суммарное сопротивление базы, омических контактов и выводов диода r_д. С учетом этого сопротивления реальная ВАХ диода имеет вид

. (2)

На рис. 3 пунктиром изображена теоретическая ВАХ, а сплошной линией – реальная ВАХ. Из-за существенного различия значений прямого и обратного токов и напряжений прямые и обратные ветви ВАХ имеют различный масштаб. Прямая ветвь ВАХ, как следует из (2), сдвинута в сторону больших прямых напряжений при I_пр = соnst. Различие между теоретической и реальной ВАХ в области обратных напряжений обусловлено неучтенной в (1) и (2) генерацией носителей заряда в переходе. Поэтому I_обр не остается постоянным, а медленно возрастает с ростом U_обр. Более того, при достижении некоторого критического значения U_обр ток I_обр начинает резко расти при почти неизменном обратном напряжении. Это явление называется пробоем перехода диода (рис. 3, кривая а).

Различают два вида пробоя: электрический пробой и тепловой. В свою очередь электрический пробой делится на лавинный и туннельный. Лавинный пробой характерен для широких переходов. Если длина свободного пробега носителей заряда меньше ширины перехода, то при достаточно больших значениях U_обр (от 7 до 400 В) носители заряда приобретают кинетическую энергию, достаточную для развития лавинообразного процесса ионизации атомов полупроводника, что и вызывает резкий рост тока при почти неизменном U_обр.

Туннельный пробой развивается в узких переходах при сильном электрическом поле за счет туннельного проникновения через тонкий потенциальный барьер электронов из валентной зоны одной области в зону проводимости другой без изменения энергии.

Рис. 3

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева электрического перехода протекающим через него током при недостаточном теплоотводе. За счет термогенерации носителей в переходе резко возрастает ток, что ведет к еще большему разогреву перехода. Если температура перехода превысит допустимое значение, структура перехода претерпевает необратимые изменения, и диод выходит из строя. На участке теплового пробоя (рис. 3, кривая б) U_обр уменьшается при возрастании I_обр. При достаточно больших прямых токах I_пр также может развиться тепловой пробой, если не ограничить I_пр.

Величину называют коэффициентом выпрямления (характеризует односторонний характер проводимости диода, т.к. I_пр >> I_обр).

На ВАХ диода существенно влияет температура окружающей среды (рис. 4). С ростом температуры ток I₀ возрастает по экспоненциальному закону , где DW – ширина запрещенной зоны материала полупроводника. В инженерных расчетах полагают, что ток I₀ удваивается на каждые 10 °С в германиевых диодах, а в кремниевых на каждые 7 °C.

Температурные изменения прямого падения напряжения на диоде оценивают температурным коэффициентом напряжения при I_пр = const. В расчетах его принимают равным –2 мВ/°С.

Все диоды характеризуются общими параметрами, к которым относятся:

рабочий диапазон температур;

допустимый прямой ток I_{пр макс}, при котором температура перехода достигает T_макс;

допустимое обратное напряжение U_{обр макс}, при котором не происходит пробоя p-n-перехода, обычно U_{обр макс} £ 0,8U_пр;

Рис. 4

допустимая мощность, рассеиваемая на диоде , где R_T – тепловое сопротивление перехода, характеризующее условия теплоотвода, обычно R_T определяется экспериментально и приводится в справочниках;

прямое и обратное сопротивления диода постоянному току

; ;

прямое и обратное дифференциальные сопротивления (сопротивления переменному току)

; .

Кроме общих параметров некоторые виды диодов характеризуются специальными параметрами, присущими только этим диодам.

 

 

4. Устройство и принцип действия биполярных транзисторов

Транзистором называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности и имеющий три и более выводов. Действие транзисторов основано на управлении движением носителей электрических зарядов в кристалле полупроводника.

По характеру переноса носителей заряда различают биполярные и полевые транзисторы. В биполярных транзисторах (БТ) в процессах токопрохождения участвуют основные и неосновные носители зарядов, а в полевых (униполярных) – носители одного знака. По числу р-n-переходов транзисторы подразделяются на однопереходные, двухпереходные и многопереходные. Наибольшее распространение среди биполярных транзисторов получили двухпереходные транзисторы.

В транзисторе чередуются по типу проводимости три области полупроводника. В зависимости от порядка чередования областей различают транзисторы типа р-n-p и n-p-n. Принцип действия обоих типов транзисторов одинаков. По характеру распределения атомов примеси и движению носителей заряда транзисторы разделяются на бездрейфовые и дрейфовые.

Структура и условные изображения транзисторов n-p-n и р-n-p приведены на рис. 3.1, а, б соответственно. Стрелки на рисунке указывают направление прямого тока эмиттерного перехода. В этих структурах существуют два перехода с неодинаковой площадью. Одна из крайних областей легирована сильнее, чем другая. Сильнолегированная область с меньшей площадью называется эмиттером (Э), а другая область – коллектором (К). Средняя область называется базой (Б). К областям эмиттера, базы и коллектора припаиваются невыпрямляющие контакты, служащие выводами эмиттера, базы и коллектора.

 

б

а

 

Рис. 3.1

Устройство реального транзистора типа p-n-p представлено на рис. 3.2 а, б.

 

 

а б

Рис. 3.2

Рабочей (активной) областью транзистора является область объема структуры, расположенная ниже эмиттерного перехода (не заштрихована). Остальные участки являются пассивными (паразитными), что обусловлено конструкторско-технологическими причинами. Основные свойства биполярного транзистора определяются процессами в базовой области, которая обеспечивает взаимодействие эмиттерного и коллекторного переходов. Поэтому ширина базовой области должна быть малой (1 мкм), меньше диффузной длины неосновных носителей в базе. Если распределение примеси в базе от эмиттера к коллектору однородное (равномерное), то в ней отсутствует электрическое поле, и носители совершают в базе только диффузное движение. В случае неравномерного распределения примеси в базе существует «внутреннее» электрическое поле, вызывающее появление дрейфового движения носителей: результирующее движение определяется как диффузией, так и дрейфом. Биполярные транзисторы с однородной базой называют бездрейфовыми, а с неоднородной базой – дрейфовыми. При изготовлении транзисторов добиваются, чтобы концентрация основных носителей в эмиттере значительно превышала концентрацию носителей в базе. Для защиты транзисторной структуры от воздействия внешней среды кристалл помещают в герметизированный корпус.

При включении транзисторов в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды подаются напряжения от внешних источников, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим, различают схемы включения (рис. 3.3, а, б, в): с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК). В обозначениях напряжений (см. рис. 3.3) вторая буква индекса обозначает общий для входа и выхода схемы электрод.

в

б

а

Рис. 3.3

5. Режимы работы биполярного транзистора. Токораспределение в биполярном транзисторе

 

Режимы работы биполярных транзисторов

В зависимости от полярности и величины напряжений на электродах различают четыре режима работы транзистора:

Активный режим (АР) — эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

Режим отсечки (РО) — оба перехода смещены в обратном направлении.

Режим насыщения (РН) — оба перехода смещены в прямом направлении.

Инверсный режим (ИР) — коллекторный переход смещен в прямом, а эмиттерный – в обратном направлении.

Связь режимов работы биполярного транзистора с включением переходов показана на (рис. 3.4).

 

 

Рис. 3.4

 

Классификация режимов проводится по комбинации напряжений переходов. В схеме с ОБ напряжения переходов равны напряжению источников питания эмиттера () и коллектора ().

В схеме с ОЭ напряжение на эмиттерном переходе определяется напряжением первого источника , а напряжение коллекторного перехода зависит от обоих источников и по общему правилу определения разности потенциалов .

В схеме с ОК напряжение на коллекторном переходе определяется одним источником , а напряжение на эмиттерном переходе зависит от обоих источников .

Правило знаков остается прежним.