Биполярный транзистор, принцип работы
Методические указания к лабораторным работам по организации ЭВМ. Теоретическое введение Физические основы полупроводниковой электроники Полупроводниковые материалы · полупроводники - материалы, занимающие по своему удельному сопротивлению промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. · При производстве полупроводниковых приборов наибольшее применение нашли германий Ge и кремний Si. · У идеальных кристаллов Ge и Si, относящихся к четвертой группе периодической системы Менделеева, все валентные электроны образуют связанную пару (ковалентная связь). · у элементов IV группы на наружной электронной оболочке располагаются по четыре валентных электрона, то в идеальном кристалле полупроводника все ковалентные связи заполнены, и все электроны прочно связаны со своими атомами. Такие идеальные кристаллы не проводят электрический ток (рис. 2). · При добавлении в кристалл кремния элементов из пятой группы, например сурьмы Sb или фосфора P появляется несвязанный, свободный электрон. Таким образом, в кристалле кремния возникает электронная проводимость, а полупроводник называется полупроводником n–типа.
Рис. 2. Структура ковалентных связей атома кремния
· Примесь, образующая электронную проводимость, называется донорной (рис. 3). Для получения монокристаллов кремния с электронной проводимостью используют легирующие добавки Р, As, Sb – донорные примеси. · Добавление в кремний трехвалентной примеси, например, галлия Ga или индия In приводит к тому, что три валентных электрона индия участвуют в образовании ковалентных связей с атомом кремния, а одна связь остается свободной. Таким образом, для образования четвертой ковалентной связи примесным атомам не хватает по одному электрону.
Рис. 3. Структура полупроводника с электронной проводимостью
В кристалле кремния образуется «дырка», способная присоединить свободный электрон. Такой полупроводник называется полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа, а соответствующая примесь называется акцепторной (рис. 4).
Рис. 4. Структура полупроводника с дырочной проводимостью
Для получения монокристаллов кремния с дырочной проводимостью используют легирующие добавки В, Al, Ga, In – акцепторные примеси. · Под действием внешнего электрического поля в полупроводнике o n-типа наблюдается движение электронов в направлении поля, o p-типа происходит движение дырок, имеющих положительный заряд, в обратном направлении. Хотя в обоих рассмотренных случаях в образовании электрического тока участвуют только электроны, введение фиктивных дырок с положительным зарядом удобно с методической точки зрения. Подвижные носители электрического заряда, которые преобладают в полупроводнике данного типа, называются основными, остальные – неосновными. · В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а неосновными – дырки. · В полупроводнике p-типа основные носители заряда – дырки, неосновные – электроны. Электроны и дырки в кристалле полупроводника находятся в состоянии хаотического теплового движения. Действие электрического поля приводит к направленному движению зарядов в кристалле. Возникает электрический ток, который называется дрейфовым. Причиной, вызывающей электрический ток в полупроводнике, может быть не только электрическое поле, но и градиент концентрации подвижных носителей заряда. В соответствии с законами теплового движения возникает диффузия электронов и дырок из области с большей их концентрацией в область с меньшей концентрацией, причем плотность диффузионного тока пропорциональна градиенту концентрации носителей заряда. Таким образом, электрический ток в полупроводниках, обусловленный движением электронов и дырок, имеет дрейфовую и диффузионную составляющие. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными видами проводимости. Электронно-дырочный переход или р-n переход образуется путем сплавления полупроводников типа n и типа р в единый монокристалл. · В области р избыток дырок, часть мест для электронов в ковалентных связях свободна, · в области n имеются слабо связанные электроны, не захваченные ковалентной связью. Наличие градиента концентрации зарядов на границе p и n областей вызывает появление диффузионного тока – переноса заряженных частиц (электронов) через р-n переход. · Таким образом, в области р, вследствие заполнения свободных дырок электронами, возникает некомпенсированный отрицательный заряд, · а в области n, вследствие ухода электронов, – положительный заряд.
Диффузионное поле оказывается тормозящим для движения дырок из области р и электронов из области n через р-n переход, т. е. на границе между р и n областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей (рис. 5).
Рис. 5. Перераспределение зарядов при соединении р и n областей · Р-n переход обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. · Это свойство называется вентильным, · а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем. При подключении к р и n областям внешнего напряжения, направленного навстречу диффузионному, при Евн ≥ Едиф, через р-n переход начнется движение основных носителей (дырок из области р и электронов из области n), образующих прямой ток (прямое включение). При подключении внешнего напряжения плюсом к области n, а минусом к области р (обратное включение р-n перехода) электрический ток будет определяться только неосновными носителями (электронами в области р и дырками в области n). Поскольку концентрация неосновных носителей очень мала, обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения. При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n перехода, вызывающий резкое увеличение обратного тока. Различают электрический и тепловой пробой. · При электрическом пробое число носителей заряда возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки полупроводника. o Электрический пробой не приводит к выходу р-n перехода из строя. После выключения поля свойства р-n перехода полностью восстанавливаются. · При тепловом пробое возникает перегрев полупроводника, наблюдается нарушение теплового баланса и выход р-n перехода из строя.
Биполярный транзистор, принцип работы Биполярный транзистор – трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя, расположенными на близком расстоянии, параллельными p-n переходами (рис. 6).
Рис. 6. Структура p-n-p и n-p-n биполярных транзисторов Транзистор состоит из трех основных областей: o эмиттер, o база и o коллектор. Для того, чтобы транзистор обладал усилительными свойствами, толщина области базы должна быть меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, т. е. большая часть носителей, инжектированных эмиттером, не должна рекомбинировать по пути к коллектору. На границах между p и n областями возникает область пространственного заряда, причем электрические поля в эмиттерном и коллекторном переходах направлены так, что для p-n-p транзистора базовая область создает энергетический барьер для дырок, стремящихся перейти из эмиттера в коллектор, для n-p-n транзистора базовая область создает аналогичный барьер для электронов эмиттерной области. При отсутствии внешнего смещения на переходах потоки носителей заряда через переходы скомпенсированы и токи через электроды транзистора отсутствуют. На рис. 7 показана структура биполярного транзистора как элемента микросхемы; такое расположение слоев несложно создать при помощи современных технологий производства микросхем. Однако МДП транзисторы более технологичны и поэтому они, в основном, используются в современных микросхемах. Рис. 7. Биполярный транзистор
Чтобы транзистор работал в режиме усиления входного сигнала, эмиттерный переход смещают в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Приложенное к эмиттерному переходу смещение уменьшает потенциальный барьер и из эмиттера в базу инжектируются электроны (в n-p-n транзисторе), или дырки (в p-n-p транзисторе), инжектированные носители достигают коллектора. Между базой и коллектором для инжектированных носителей барьера нет, поэтому все дошедшие до коллектора носители заряда переходят через коллекторный переход и создают коллекторный ток. Поскольку коллекторный переход расположен близко от эмиттерного, основная часть инжектированных эмиттером носителей достигает коллектора; таким образом, инжекционный ток эмиттера примерно равен току коллектора. Управляющий потенциал (входной сигнал), изменяя высоту потенциального барьера, регулирует поток неосновных носителей, создающий коллекторный ток.
Популярное: Как вы ведете себя при стрессе?: Вы можете самостоятельно управлять стрессом! Каждый из нас имеет право и возможность уменьшить его воздействие на нас... Почему двоичная система счисления так распространена?: Каждая цифра должна быть как-то представлена на физическом носителе... Почему люди поддаются рекламе?: Только не надо искать ответы в качестве или количестве рекламы... ©2015-2024 megaobuchalka.ru Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. (576)
|
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку... Система поиска информации Мобильная версия сайта Удобная навигация Нет шокирующей рекламы |