Электроника: материалы электронной техники и их электрофизические свойства

1. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

Квалификация - бакалавр
4. ТРЕБОВАНИЯ К ОБЯЗАТЕЛЬНОМУ МИНИМУМУ СОДЕРЖАНИЯ ОСНОВНОЙ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ
Индекс
Наименование дисциплин и их основные разделы
ОПД.Ф.03.03
Электроника:
материалы
электронной
техники
и
их
электрофизические свойства; характеристики p-n
перехода; полупроводниковые диоды, биполярные и
полевые
транзисторы;
фотоэлектрические
и
излучательные приборы; характеристики, параметры и
модели полупроводниковых приборов; элементы
интегральных схем; базовые логические элементы на
основе
биполярных
и
полевых
транзисторов;
запоминающие
логические
элементы;
основы
функциональной электроники; приборы вакуумной
электроники: электронные лампы, электронно-лучевые
трубки, электронные и квантовые приборы СВЧ.
Всего
часов
144
ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЭЛЕКТРОНИКА
составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом высшего
профессионального образования и рекомендуется Минобразования России
Электроника
1

2.

Объем дисциплины и виды учебной работы
Вид учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины
Аудиторные занятия
Лекции
Лабораторные работы
Практические занятия (упражнения)
Самостоятельная работа
Итоговый контроль
Электроника
Всего часов
144
68
24
18
26
76
Экзамен
Семестры
4
4
4
4
4
4
4
3

3. Объем дисциплины и виды учебной работы

Лабораторный практикум
№ раздела
№
дисциплип/п
ны
1
2
3
4
7
3
4
4
Наименование лабораторных работ
Исследование пассивных элементов интегральных схем
Исследование интегрального диода
Исследование интегрального транзистора в схеме с ОЭ
Исследование интегрального транзистора в схеме с ОБ
Электроника
7

4. Объем дисциплины и виды учебной работы

Требования к уровню освоения содержания
дисциплины и формы промежуточного и
итогового контроля
В результате изучения дисциплины студенты должны:
- иметь представление
о тенденциях развития электроники, элементной и
технологической базы радиотехники и влиянии этого развития на выбор перспективных
технических
решений,
обеспечивающих
конкурентоспособность
разрабатываемой
аппаратуры;
- знать
основные
типы
нелинейных
компонентов
и
активных
приборов,
используемых в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), их характеристики, параметры,
модели, зависимости характеристик и параметров от условий эксплуатации, возможности и
особенности
реализации
различных
приборов, компонентов и их соединений
технологическими средствами микроэлектроники;
- уметь экспериментально определять основные характеристики и параметры наиболее
широко применяемых нелинейных компонентов и активных приборов.
Промежуточный контроль освоения содержания дисциплины осуществляется в
процессе практических занятий и выполнения лабораторных работ.
Итоговый контроль – экзамен.
Электроника
8

5. Тематический план дисциплины

Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Жеребцов И.П. Основы электроники. – Л.: Энергоатомиздат,1989. - 352 с.
2. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие для вузов.- СПб.: БХВПетербург, 2006. – 800 с.
3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. Учебное пособие для вузов. – М.:
Высшая школа, 1991. - 622 с.
4. Аваев Н.А., Наумов Ю.Е., Фролкин В.Т. Основы микроэлектроники.
Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь,1991. – 288с.
5. Полупроводниковые приборы и пассивные элементы интегральных
схем: методические указания к лабораторным / Рязан. гос. радиотехн. ун-т;
сост.: В.А.Степашкин, Н.М.Прибылова. Рязань: РГРТУ, 2011. 52 с. (№4536)
Электроника
9

6. Тематический план дисциплины

Рекомендуемая литература
Дополнительная литература
6. Электронные приборы. Учебник для вузов / Под ред. Г.Г.Шишкина – М.:
Энергоатомиздат, 1989. – 496 с.
7. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – СПб.:
КОРОНА принт, 2004. – 416 с.
8. Миловзоров О.В., Панков И.Г. Электроника: Учеб. пособие для вузов.
М.: Высшая школа, 2005. – 288 с.
9. Лачин В.И., Савелов Н.С. Электроника. – Ростов н/Д: Феникс, 2000. –
448 с.
10. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем. М.:
Энергия, 1976. – 256 с.
Электроника
10

7. Лабораторный практикум

Электроника
– область науки и техники, которая изучает физические
процессы, протекающие при движении заряженных
частиц в вакууме, газе, жидкости и твердом теле, а
также занимается вопросами теории производства и
применения приборов, основанных на этих процессах.
Электронные приборы – это устройства, через которые
протекает электрический ток и в которых возможно
управление током за счет изменения концентрации
подвижных носителей при движении между электродами.
Основные принципы действия электронных приборов:
1. Формирование потока заряженных частиц.
2. Управление потоком с помощью электрических и (или)
магнитных полей.
3. Отбор энергии от потока заряженных частиц в выходном
устройстве.
Электроника
11

8. Требования к уровню освоения содержания дисциплины и формы промежуточного и итогового контроля

Классификация электронных приборов
По применению (назначению):
Генераторные, усилительные, выпрямительные и др.
По мощности: малой, средней, высокой
По частоте (диапазону частот, длине волны)
НЧ
СЧ
ВЧ
СВЧ
Инфракрасное излучение
<0,4 мм
λ = ct = c/ƒ
По роду среды: электровакуумные, газоразрядные, жидкостные,
твердотельные
Электроника
15

9. Рекомендуемая литература

Основные требования
к электронным приборам
1. Главные параметры должны иметь определенные
номинальные значения (с заданными допусками).
2.Надежность
(безотказность,
долговечность,
ремонтопригодность).
3. Стойкость к различным воздействиям и стабильность
параметров (термостабильность, влагостойкость, стойкость к
повышенному
давлению
и
радиации,
ударостойкость,
вибростойкость и т.п.).
4. Требования к электрическим свойствам: должны работать в
нужном
диапазоне
частот
и
обладать
необходимым
быстродействием,
минимальной
потребляемой
энергией,
электрической прочностью.
5. Минимальные размеры и масса (микроминиатюризация),
технологичность, стоимость.
Электроника
16

10. Рекомендуемая литература

Надежность. Количественная оценка
n
Интенсивность отказов
N t
n – число однотипных элементов, отказавших в
течение промежутка времени t ,
N – число работоспособных элементов в начале
этого промежутка времени.
Электроника
17

11. Электроника

Надежность. Количественная оценка
Задача:
состав РЭУ и параметры надежности компонентов
Интенсивность
отказов
λi x 10-6 1/час
Количество Ni
Микросхемы
0,1
20
Транзисторы
0,05
21
Диоды
0,04
6
Резисторы
0,5
30
Конденсаторы
0,03
25
Разъемы
3
5
Электроника
18

12. Электроника

Надежность. Количественная оценка
Общая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
i 1
где aэ = 7,6 – поправочный коэффициент
с учетом условий эксплуатации
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
Вероятность безотказной работы РЭУ за время работы
t
t
P(t ) e
Определить: λ, tср, P(tср), график P(t)
Электроника
19

13. Электроника

Надежность. Количественная оценка
Общая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Электроника
20

14. Классификация электронных приборов

Надежность. Количественная оценка
Общая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
3.865 *10
3
часов
Электроника
21

15. Классификация электронных приборов

Надежность. Количественная оценка
Общая интенсивность отказов РЭУ
k
aэ i N i
λ = 2.587 .10 - 4
1/час
i 1
Среднее время работы устройства до отказа
tср
1
3.865 *10
3
часов
Вероятность безотказной работы РЭУ за время работы
P(tср ) e
tср
tср
0.368
Электроника
22

16. Основные требования к электронным приборам

Надежность. Количественная оценка
Вероятность безотказной работы РЭУ за время работы
t
1
0.8
0.6
P (t)
0.4
0.2
0
0
0
2 10
3
4 10
3
6 10
3
3
8 10
4
1 10
t
час
Электроника
4
4
4
1.2 10 1.4 10 1.6 10 1.8 10
4
2 10
4
20000
23

17. Надежность. Количественная оценка

Термостабильность. Количественная оценка
Характеризуется температурным коэффициентом параметра.
Например, для резисторов
R
ТКС
R t
Задача:
ТКС = 5.10-4 1/К.
R = 10 кОм.
Определить изменение сопротивления резистора
при изменении температуры на 20 градусов.
Электроника
24

18. Надежность. Количественная оценка

Термостабильность. Количественная оценка
R ТКС R t
ΔR =
Электроника
25

19. Надежность. Количественная оценка

Термостабильность. Количественная оценка
R ТКС R t
ΔR = 100 Ом.
Электроника
26

20. Надежность. Количественная оценка

Основные положения теории
электропроводности твёрдых тел
(зонная теория)
Электроны вращаются вокруг ядра по
орбитам, сгруппированным в слои.
Каждому слою соответствует строго
определенная энергия электрона W –
разрешенный энергетический уровень.
Распределение электронов по уровням
энергии изображают схематически (рис.1.1).
Электроника
27

21. Надежность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Электроника
28

22. Надежность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Энергетические уровни объединяются в
зону.
Совокупность
энергетических
уровней,
соответствующих
внешнему
слою
электронов, образует валентную зону (рис1.2).
Разрешенные уровни энергии, которые
остаются незанятыми, составляют зону
проводимости (уровни этой зоны могут
занимать
возбужденные
электроны,
обеспечивающие
электропроводность
вещества).
Электроника
29

23. Надежность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Между валентной зоной и зоной проводимости
может быть запрещенная зона.
Электроника
30

24. Термостабильность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Зонная структура лежит в основе разделения
веществ на проводники (металлы),
полупроводники и диэлектрики (изоляторы).
Электроника
31

25. Термостабильность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Проводники: валентная зона и зона
проводимости перекрывают друг друга.
Электропроводны.
Полупроводники и диэлектрики: зона
проводимости пуста. Электропроводность
отсутствует.
Диэлектрики: ΔW
> 6 эВ
Полупроводники: 0,1 эВ < ΔW < 3 эВ.
Ge: ΔW =0,72 эВ, Si: ΔW =1,12 эВ, GaAs: ΔW =1,43 эВ.
Электроника
32

26. Термостабильность. Количественная оценка

Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)
Полупроводники: между атомами молекулы
ковалентные связи, образующиеся за счет
обобществления валентных электронов соседних
атомов.
Электроника
33

27. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Под
воздействием
внешних
факторов
(например,
при
повышении
температуры)
отдельные электроны атомов кристаллической
решетки приобретают энергию, достаточную для
освобождения
от
ковалентных
связей,
и
становятся свободными.
При освобождении электрона от ковалентной
связи в кристаллической решетке возникает как бы
свободное место, обладающее положительным
зарядом. Такое место называется «дыркой», а
процесс образования пары «свободный электрон
— дырка» — генерацией.
Электроника
34

28. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В дырку может «перескочить» валентный электрон
из ковалентной связи соседнего атома. В результате
ковалентная связь в одном атоме восстановится (этот
процесс называется рекомбинацией), а в соседнем
разрушится, образуя новую дырку.
Такое
перемещение
дырки
по
кристаллу
равносильно перемещению положительного заряда.
При отсутствии внешнего электрического поля
дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к
кристаллу разность потенциалов, то под действием
созданного электрического поля движение дырок и
электронов становится упорядоченным и в кристалле
возникает электрический ток.
Электроника
35

29. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Таким образом, проводимость полупроводника
обусловлена
перемещением
как
отрицательно
заряженных
электронов,
так
и
положительно
заряженных дырок. Соответственно различают два
типа
проводимости
—
электронную,
или
проводимость
n-типа,
и
дырочную,
или
проводимость р-типа.
У абсолютно чистого и однородного полупроводника
при температуре, отличной от 0 К, свободные
электроны и дырки образуются попарно, т. е. число
электронов равно числу дырок. Электропроводность
такого полупроводника, обусловленная парными
носителями теплового происхождения, называется
собственной.
Электроника
36

30. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Если в полупроводнике создать электрическое
поле напряженностью Е, то хаотическое движение
носителей заряда упорядочится, т. е. дырки и
электроны
начнут
двигаться
во
взаимно
противоположных направлениях, причем дырки — в
направлении,
совпадающем
с
направлением
электрического поля. Возникнут два встречно
направленных потока носителей заряда, создающих
токи, плотности которых равны
Jn др = q n μn E ,
Jp др = q p μp E
(1-1)
где q — заряд носителя заряда (электрона); n, p —
число электронов и дырок в единице объема
вещества; μn , μp — подвижность носителей заряда.
Электроника
37

31. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Так как носители заряда противоположного знака
движутся в противоположном направлении, то
результирующая плотность тока в полупроводнике
Jдр = Jn др + Jp др = (qnμn + qpμp)E
(1.3)
Движение носителей заряда в
полупроводнике, вызванное наличием электрического
поля и градиента потенциала, называют дрейфом, а
созданный этими зарядами ток — дрейфовым
(или ток проводимости).
Электроника
39

32. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Удельная проводимость полупроводника:
σ = J др / E = q(nμn + pμp )
(1.4)
Таким образом, удельная проводимость зависит от
концентрации носителей и от их подвижности.
Всегда μp
< μn
и, следовательно, σр
Электроника
< σn.
41

33. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В полупроводниках может быть еще
диффузионный
ток,
причиной
возникновения
которого является разность концентраций носителей
(т.е. градиент концентрации).
Так
как
носители
имеют
собственную
кинетическую энергию, то они всегда переходят из
мест с более высокой концентрацией в места с
меньшей
концентрацией,
т.
е.
стремятся
к
выравниванию концентрации.
Диффузионный ток, так же как ток проводимости, может быть
электронным или дырочным.
Электроника
42

34. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Если носители заряда распределены равномерно по
полупроводнику, то их концентрация является
равновесной.
Под влиянием каких-либо внешних воздействий в
разных частях полупроводника концентрация может
стать неодинаковой, неравновесной.
Например,
если
часть
полупроводника
подвергнуть действию излучения, то в ней усилится
генерация
пар
носителей
и
возникнет
дополнительная
концентрация
носителей,
называемая избыточной.
Диффузионный ток также возникает в месте контакта двух полупроводников с различным типом проводимости.
Электроника
44

35. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Для создания полупроводниковых элементов
широко применяют примесные полупроводники.
С четырехвалентными германием и кремнием
используют
пятивалентные
примеси
(мышьяк,
сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор,
алюминий, индий, галлий).
Электроника
45

36. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В случае пятивалентной примеси
Электроника
46

37. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

В таких полупроводниках электропроводность
обеспечивается главным образом избытком свободных
электронов.
Их называют полупроводниками n-типа, а
примеси — донорными.
За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа
могут образовываться и отдельные дырки при
генерации пар «свободный электрон — дырка».
Электроны в полупроводнике n-типа называют
основными, а дырки — неосновными носителями
зарядов.
Донорный уровень находится в верхней части запрещенной зоны (рис. 1.5,б).
Переход электрона с донорного уровня в зону проводимости происходит тогда,
когда он получает небольшую дополнительную энергию.
Электроника
47

38. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

При введении трехвалентной примеси
Электроника
48

39. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Дырки в таких полупроводниках становятся основными
носителями зарядов, создавая эффект перемещения
положительных зарядов. Трехвалентные примеси
называют акцепторными, а полупроводники с такой
примесью — полупроводниками p-типа.
Неосновными носителями в этом случае выступает
небольшое
количество
свободных
электронов,
образовавшихся в результате тепловой генерации пар
«свободный электрон — дырка».
Валентные уровни акцепторной примеси расположены в нижней части
запрещенной зоны, поэтому при небольшой дополнительной энергии (0,01—
0,05 эВ) электроны из валентной зоны могут переходить на этот уровень,
образуя дырки.
Электроника
49

40. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

Уровень Ферми, температурный потенциал
Уровень Ферми — это такой энергетический уровень,
вероятность
заполнения
которого
подвижными
зарядами равна 1/2 (при любой температуре тела).
В общем случае уровень Ферми характеризует работу, затрачиваемую
на перенос заряженных частиц, обладающих массой и находящихся в среде,
имеющей градиент электрического потенциала и какое-то количество этих
частиц. Поэтому для полупроводников это энергия, значение которой зависит
от концентрации носителей заряда в данном теле. Зная уровень Ферми, можно
вычислить концентрации носителей заряда, и наоборот.
Электроника
50

41. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

При увеличении температуры вероятность нахождения
подвижных носителей в зоне проводимости F > 0, и
уровень Ферми поднимается вверх.
Электроника
52

42. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Электрический переход – это граничный слой между двумя
областями, физические характеристики которых существенно
отличаются.
• Переходы между двумя областями полупроводника с различным
типом электропроводности называют электронно-дырочными
или p-n-переходами.
• Переходы между двумя областями с одним типом
электропроводности, отличающиеся концентрацией примесей (и
следовательно
удельной
проводимостью),
называют
электронно-электронными (n+-n-переход) или
дырочнодырочными (p+-p-переход),
• Переходы между двумя полупроводниковыми материалами,
имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют
гетеропереходами.
Если одна из областей, образующих переход, является металлом,
то такой переход называют переходом металл —
полупроводник.
Электроника
55

43. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Чаще всего используется переход между двумя областями
полупроводника, имеющими различный тип электропроводности.
При соединении полупроводников p и n типа уровень Ферми становится
общим.
Электроника
56

44. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ
Электронно-дырочный переход, у которого pp ≈ nn, называется
симметричным.
Если концентрации основных носителей заряда в областях различны
(nn >> pp или pp >> nn), то такие р-n-переходы называют
несимметричными.
В
зависимости
от
характера
распределения
примесей,
обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях,
различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный.
В резком переходе концентрации примесей на границе раздела
областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной
длиной; в плавном — на расстоянии, значительно большем
диффузионной длины.
Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном pn-переходе трудно получить те вентильные свойства, которые
необходимы для работы диодов и транзисторов.
Электроника
58

45. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ
ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Здесь происходит диффузия
носителей заряда из одного
п/п в другой: из п/п n-типа в п/п
p-типа
диффундируют
электроны, а в обратном
направлении из п/п p-типа в
п/п
n-типа
диффундируют
дырки.
В результате по обе стороны
границы раздела создаются
объемные заряды различных
знаков. В области n возникает
положительный
объемный
заряд, а в области p возникает
отрицательный
объемный
заряд.
Электроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.31-33
59

46. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Между образовавшимися объемными зарядами
возникают контактная разность потенциалов
uК = φn — φp
и электрическое поле (вектор
напряженности ЕК).
Электроника
61

47. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Например, для германия
концентрации примесей
uК = 0,3 - 0,4 В
и
при
средней
d = 10-4 - 10-5 см.
Электроника
62

48. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ
Перемещение носителей за счет диффузии — это
диффузионный ток (iДИФ),
а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (iДР).
В установившемся режиме (динамическом равновесии
перехода)
iДИФ = iДР.
Поэтому полный ток через переход равен нулю
iДИФ + iДР = 0.
Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие.
Электроника
64

49. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
Электроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.33-35
67

50. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
Напряжение на переходе равно uК — uПР.
При прямом напряжении iДИФ > iДР и поэтому
полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не
равен нулю:
iПР = iДИФ — iДР > 0. (3.1)
Если барьер значительно понижен, то
iДИФ >> iДР
и можно считать, что
iПР ≈ iДИФ,
т.е. прямой ток в переходе является чисто
диффузионным.
Электроника
69

51. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
Введение носителей заряда через
пониженный под действием прямого
напряжения потенциальный барьер в
область, где эти носители являются
неосновными, называется инжекцией
носителей заряда.
Область п/п прибора, из которой
инжектируются
носители,
называется
эмиттерной
областью
или
эмиттером. А область, в которую
инжектируются неосновные для этой
области носители заряда, называется
базовой областью или базой.
Электроника
70

52. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ
При
прямом
напряжении
также
уменьшается толщина запирающего слоя
(dПР < d) и его сопротивление в прямом
направлении становится малым (единицы
— десятки Ом).
Т.к. иК = десятые доли В, то для значительного понижения барьера и
существенного уменьшения r запирающего слоя достаточно подвести к
переходу ипр = десятые доли В. Поэтому большой прямой ток можно
получить при очень небольшом прямом напряжении.
Электроника
73

53. Основные положения теории электропроводности твёрдых тел (зонная теория)

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Поле ЕОБР складывается с
полем ЕК. Результирующее поле
усиливается,
и
высота
потенциального барьера теперь
равна uК + uОБР.
Уже при небольшом повышении
барьера
диффузионное
перемещение основных носителей
через переход прекращается, т. е.
iДИФ = 0, ток проводимости iДР
остается почти неизменным.
Выведение
неосновных
носителей
через
р-n
переход
ускоряющим
электрическим
полем,
созданным
обратным
напряжением, называют
экстракцией носителей
заряда.
Электроника
Жеребцов. Основы 74
электроники. с.35-36

54. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ
Таким образом, обратный ток iОБР представляет собой ток
проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей
(iОБР = iДР), так как таких носителей мало, то iОБР очень небольшой.
C увеличением обратного напряжения увеличивается не
только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего
слоя (dОБР > d). Этот слой обедняется носителями, и его
сопротивление значительное, т. е. RОБР >> RПР.
Электроника
75

55. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Дано
Концентрации:
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (кремний) ni = 1,4 .1010 1/см3 .
Подвижность носителей:
электронов µn = 1350 см2/В.с, дырок µp = 500 см2/В.с.
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,5 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
76

56. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Электроника
77

57. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Дополнительные справочные данные:
ε0 = 8,854*10-14 Ф/см, ε = 12 (для кремния).
Заряд электрона q = 1,6*10-19 Кл.
Постоянная Больцмана k = 1.38*10-23 Дж/град .
Электроника
78

58. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Решение:
1. σ = J др / E = q(nμn + pμp )
а) σn = q(nn μn + pn μp )
т.к. nn >> pn , то
б)
σn ≈ q nn μn
σp = q(np μn + pp μp )
т.к. pp >> np , то σp ≈ q pp μp
в) σгр = q(nгр μn + pгр μp )
Электроника
79

59. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
Электроника
80

60. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
б)
σp = 0,8 Сим/cм
Электроника
81

61. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 216 Сим/cм
б)
σp = 0,8 Сим/cм
в)
σгр = 0,022 Сим/cм
Электроника
82

62. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Решение:
2.
nn p p
uК T ln
2
ni
где
kT
T
q
Электроника
83

63. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 0,817 В
Электроника
84

64. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 0,817 В
φ = 0.817 В
Электроника
85

65. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Решение:
3а.
1
2 0
1
d dn d p
uK
n
q
p
p
n
Электроника
86

66. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответ по п.3а:
d = 3.31 * 10 -5 см
Электроника
87

67. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Решение: 3б.
Поскольку внутри p-n перехода общий отрицательный заряд
ионизированных акцепторов равен общему положительному
заряду ионизированных доноров, то
nn. dn.S = pp.dp. S , где S – площадь поперечного
сечения p-n перехода, dn и dp – ширина перехода со стороны n- и
p- областей, отсчитываемая от металлургической границы.
Отсюда
С учетом того, что
dn p p
d p nn
d = dn + dp
dn = d – dp
Электроника
dp
d
pp
1
nn
88

68. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 3.277 * 10 -5 см
Электроника
89

69. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 3.277 * 10 -5 см
dn = 3.277 * 10 -7 см
Электроника
90

70. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Решение:
3в.
1
2 0
1
d
uK U
n
q
p
p
n
Высота потенциального барьера
uK U
Электроника
91

71. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
Электроника
92

72. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
Электроника
93

73. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
Электроника
94

74. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
φобр = 5.817 В
Электроника
95

75. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД
Задача 1.1
Сравните:
dпр = 2.061 * 10 -5 см
φпр = 0.317 В
dобр = 8.833 * 10 -5 см
φобр = 5.817 В
d = 3.31 * 10 -5 см
φ = 0.817 В
Электроника
96

76. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
4. Напряженность электрического поля в p-n переходе
максимальна на металлургической границе и равна
Emax
2 uK
d
Электроника
97

77. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.4:
Emax = 4.935 * 10 4 В/см
Электроника
98

78. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Дано
Концентрации:
Задача 1.2
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (германий) ni = 2,33 .1013 1/см3 .
Подвижность носителей (германий):
электронов µn = 3800 см2/В.с, дырок µp = 1800 см2/В.с.
ε = 16 (для германия).
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,3 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
99

79. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
1. а)
σn ≈ q nn μn
б)
σp ≈ q pp μp
в)
σгр = q(nгр μn + pгр μp )
Электроника
100

80. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
Электроника
101

81. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
б)
σp = 2,88 Сим/cм
Электроника
102

82. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 608 Сим/cм
б)
σp = 2,88 Сим/cм
в)
σгр = 0,061 Сим/cм
Электроника
103

83. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
2.
nn p p
uК T ln
2
ni
где
kT
T
q
Электроника
104

84. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 0,433 В
Электроника
105

85. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
3а.
1
2 0
1
d dn d p
uK
n
q
p
p
n
Электроника
106

86. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.3а:
d = 2,782 * 10 -5 см
Электроника
107

87. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение: 3б.
dp
d
pp
1
nn
dn = d – dp
Электроника
108

88. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 2, 755 * 10 -5 см
Электроника
109

89. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 2, 755 * 10 -5 см
dn = 2,755 * 10 -7 см
Электроника
110

90. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
3в.
1
2 0
1
d
uK U
n
q
p
p
n
Высота потенциального барьера
uK U
Электроника
111

91. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
Электроника
112

92. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
Электроника
113

93. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
φпр = 0.133 В
Электроника
114

94. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 1.542 * 10 -5 см
dобр = 9.857 * 10 -5 см
φпр = 0.133 В
φобр = 5.433 В
Электроника
115

95. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Решение:
4.
2 uK
Emax
d
Электроника
116

96. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.4:
Emax = 3,111 * 10 4 В/см
Электроника
117

97. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Дано
Концентрации:
Задача 1.3
основных носителей (электронов) в n-области nn = 1018 1/см3 ,
основных носителей (дырок) в p-области pp = 1016 1/см3 ,
неосновных носителей (электронов) в p-области np = 1010 1/см3 ,
неосновных носителей (дырок) в n-области pn = 108 1/см3 ,
электронов в приграничной области nгр = 1014 1/см3 ,
дырок в приграничной области pгр = 1012 1/см3 ,
носителей в нелегированном п/п (GaAs) ni = 1,1 .107 1/см3 .
Подвижность носителей (GaAs):
электронов µn = 8500 см2/В.с, дырок µp = 400 см2/В.с.
ε = 10,9 (для арсенида галлия).
Найти при температуре Т = 300 К :
1. Проводимости n- и p-областей и граничного слоя
2. Контактную разность потенциалов
3. Ширину p-n перехода и высота потенциального барьера
при U0 = 0, U1 = + 0,5 В, U2 = -5 В,
4. Максимальную напряженность электрического поля.
Электроника
118

98. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.1:
а)
σn = 1360 Сим/cм
б)
σp = 0,64 Сим/cм
в)
σгр = 0,136 Сим/cм
Электроника
119

99. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.2:
uк = 1,187 В
Электроника
120

100. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.3а:
d = 3,802 * 10 -5 см
Электроника
121

101. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3б:
dp = 3, 765 * 10 -5 см
dn = 3,765 * 10 -7 см
Электроника
122

102. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответы по п.3в:
dпр = 2.892 * 10 -5 см
dобр = 8.682 * 10 -5 см
φпр = 0.687 В
φобр = 6.187 В
Электроника
123

103. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Задача 1.1
Ответ по п.4:
Emax = 6,242 * 10 4 В/см
Электроника
124

104. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Электроника
Жеребцов. Основы
электроники. с.37
127

105. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК
Электроника
129

106. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
p-n ПЕРЕХОДА
В равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий
две составляющие:
IДИФ+ IДР = 0,
IДИФ= IДР= IТ.
При приложении к p-n-переходу прямого напряжения равновесие
IДИФ за счет снижения потенциального барьера
увеличивается в eU/φ раз и является функцией приложенного
нарушается.
T
напряжения:
IДИФ = IТ eUпр/φ ,
T
где IТ — ток, протекающий в одном направлении через р-n переход,
находящийся в равновесном состоянии,
φT = kT/q – тепловой потенциал.
IДР= IТ - остается практически неизменным.
Электроника
131

107. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
Результирующий ток, протекающий через p-n переход:
I пр I диф IТ IТ e
U пр / T
1
Уравнение Эберса-Молла
IТ
называется тепловым или обратным током насыщения. Для п/п с
определенными концентрациями примесей этот ток зависит только от
температуры и не зависит от приложенного напряжения.
При обратном смещении результирующий ток перехода:
Выводы. Идеализированный p-n-переход имеет вентильные
свойства.
Электроника
132

108. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА
1
rдиф
При
увеличении
t0 растут и
прямой и
обратный
ток
rдиф
I I I T
U
T
T
I IT
nn p p
uК T ln
2
ni
Nа Nд
uК T ln
2
ni
Электроника
133

109. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода.
Под пробоем
p-n-перехода понимают значительное
уменьшение
обратного
сопротивления,
сопровождающееся
возрастанием обратного тока при увеличении приложенного
напряжения.
Различают три вида пробоя: туннельный, лавинный и
тепловой. Первые два иногда называют электрическим пробоем.
Электроника
135

110. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
В основе туннельного пробоя
лежит туннельный эффект, т. е.
«просачивание» электронов сквозь
потенциальный
барьер,
высота
которого больше, чем энергия
носителей заряда.
Туннельный пробой чаще всего
возникает при узком переходе и
малом удельном сопротивлении.
Начало пробоя оценивается по
десятикратному
превышению
туннельного тока над обратным.
При увеличении температуры
напряжение, при котором возникает
туннельный пробой, уменьшается.
Электроника
136

111. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА
Электроника
138

112. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
Емкостные свойства перехода обусловлены наличием по обе
стороны от его границы электрических зарядов, которые созданы
ионами примесей, а также подвижными носителями заряда,
находящимися вблизи границы p-n-перехода.
В общем случае емкость определяется как приращение заряда
на переходе к приращению падения напряжения на нем, т.е.
C=
dQ/du.
Емкость p-n-перехода подразделяют на две составляющие:
барьерную, отражающую перераспределение зарядов в p-nпереходе, и диффузионную, отражающую перераспределение
зарядов вблизи p-n-перехода.
Величину С6ар для резкого перехода можно определить из
приближенного выражения
Сбар
0 S
d0
uK
uK U
где S, d0—площадь и толщина p-n-перехода при U = 0.
Электроника
139

113. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
Электроника
140

114. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА
При подключении к p-n-переходу прямого напряжения емкость
p-n-перехода определяется в основном
диффузионной
составляющей емкости, которая зависит от значения прямого тока
I и времени жизни неосновных носителей τP :
Сдиф I пр р / Т
При обратном смещении перехода диффузионная емкость
отсутствует.
Электроника
141

115. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ p-n-ПЕРЕХОДА
Миловзоров О. В., Панков И.Г. Электроника —
М.: Высш. шк., 2004., с.12-13.
Метод сплавления.
Метод диффузии.
Метод эпитаксиального наращивания.
Ионное легирование.
Оксидное маскирование.
Фотолитография.
Электроника
142

116. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковым
диодом
называют полупроводниковый прибор
с двумя выводами (приставка «ди-»
означает два) и одним электрическим
переходом.
Электроника
143

117. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Электроника
144

118. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
• Идеализированная
вольтамперная
характеристика
диода
описывается уравнением Эберса-Молла. Но вольтамперная
характеристика диода и p-n-перехода примерно совпадают только
в области малых токов.
• В реальных диодах обратная ветвь вольтамперной характеристики
отличается от идеализированной. Это обусловлено тем, что
тепловой ток IТ при обратном включении составляет лишь часть
обратного тока диода.
У германиевых диодов Iобр ≈ IТ, у кремниевых Iобр >> IТ
(Iобр≈103IТ).
Так как обратный ток в кремниевых диодах на несколько
порядков меньше, чем в германиевых, им часто пренебрегают.
Для инженерных расчетов Iобр в зависимости от температуры окружающей
среды можно пользоваться упрощенным выражением
Iобр (T) ≈ Iобр (T0)2∆T/T*,
где Т* — приращение температуры, при котором обратный ток Iобр(T)
удваивается (Т* ≈ 8÷10 °С для германия и Т* ≈ 6÷7 °С для кремния).
Электроника
145

119. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Прямая ветвь вольтамперной характеристики диода
отклоняется от идеализированной из-за:
• наличия токов рекомбинации в p-n-переходе,
• падения напряжения на базе диода,
• изменения сопротивления базы при инжекции в нее
неосновных носителей заряда,
• наличия в базе внутреннего поля, возникающего при
большом коэффициенте инжекции.
С учетом падения напряжения на базе диода запишем
уравнение прямой ветви вольт-амперной характеристики
диода:
I IT e
U I rБ / T
1
где rБ—омическое сопротивление базы диода.
Электроника
146

120. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Падение напряжения на диоде:
U = [φT ℓn(I / IТ + 1)] + IrБ.
Для малых токов I
U ≈ φT ℓn(I / IТ + 1).
Падение напряжения на диоде U зависит от тока
I, протекающего через него, и имеет большее значение у
диодов с малым IТ.
Электроника
147

121. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Так как IТ Si мал, то и
начальный участок прямой
ветви значительно более
пологий, чем у Ge диодов.
Сравним ВАХ диодов из
кремния и германия:
• Прямая ветвь:
при Uпр = const IGE > ISI ,
при
Iпр=const UGE < USi.
Потери в кремниевом диоде
больше.
• Обратная ветвь:
Iобр GE>Iобр SI ,
Uпроб SI > Uпроб GE .
Преимущество у кремниевого
диода.
Электроника
148

122. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
• При увеличении температуры прямая ветвь характеристики
становится более крутой из-за увеличения IТ и уменьшения
сопротивления базы. Падение напряжения, соответствующее тому же
значению прямого тока, при этом уменьшается.
• С ростом температуры увеличивается и обратный ток (рис.5.3).
• Германиевые диоды допускают разогрев p-n-перехода не более,
чем до 70 0С, кремниевые – до 120-150 0С, арсенид-галлиевые – до
150 0С.
Электроника
149

123. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Эквивалентная схема диода
R0
а)
Rнл
Lв
Cб
Cдиф
б)
в)
г)
R0
Cв
Rпр
Rобр
R0
Rпр
Cдиф
д)
Rобр
Cб
R0 – суммарное (сравнительно
небольшое) сопротивление n- и
р-областей и контактов этих
областей с выводами.
Rнл – нелинейное сопротивление
(при прямом напряжении равно
Rпр, т. е. невелико, а при
обратном напряжении Rнл =
Rобр, т. е. оно очень большое.
Электроника
150

124. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Выпрямительные диоды
Предназначены для преобразования (выпрямления)
переменного тока в постоянный.
К их быстродействию, емкости p-n-перехода и
стабильности параметров высоких требований не
предъявляют.
Их выполняют на сплавных и диффузионных
несимметричных p-n-переходах.
Характеризуются малым сопротивлением в прямом
направлении и позволяют пропускать большие токи (до
десятков и сотен ампер) при допустимых обратных
напряжениях до 1000 В.
Для этого площадь p-n-перехода выполняется относительно
большой и, следовательно, емкость p-n-перехода достаточно велика
(десятки пикофарад). Поэтому переходные процессы в этих диодах
(длительность перехода из открытого состояния в запертое и
наоборот при перемене полярности приложенного напряжения)
протекают относительно долго.
Электроника
151

125. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основные параметры выпрямительных диодов:
• Uобр доп – напряжение, которое диод может выдержать в течение
длительного времени без нарушения работоспособности;
• Iпр ср – наибольшее допустимое значение постоянного тока,
протекающего длительно в прямом направлении;
• Iпр имп – максимально допустимый импульсный прямой ток при
указанной в паспорте наибольшей длительности импульса;
• Iобр ср – среднее за период значение обратного тока;
• Uпр ср – среднее прямое падение напряжения на открытом диоде;
• Pср рас – средняя за период мощность, выделяющаяся в диоде
при выпрямлении переменного тока;
• дифференциальное сопротивление
rдиф = ∆Uпр ср /∆Iпр ср .
Электроника
152

126. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
Электроника
154

127. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
Электроника
155

128. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
Электроника
156

129. ПЕРЕХОД МЕТАЛЛ-ПОЛУПРОВОДНИК

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
Резистор R0 ограничивает ток Iст во избежание теплового пробоя.
т.А : Uст при среднем значении Uвх, а
т. В и С — изменения ∆Uст при изменениях ∆Uвх.
Дифференциальное сопротивление на участке BС равно
rдиф = ∆Uст/∆Iст
(5.5)
По 2-ому закону Кирхгофа
Uвх = Uст + Iст R0.
∆Uвх = ∆Uст + ∆Iст R0.
а подставив ∆Iст из (5.5) получим
При
R0>> rдиф
U СТ
U ВХ
R0
1
rдиф
∆Uст <<∆Uвх
Электроника
157

130. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
При наличии нагрузки RН
I СТ
U ВХ U СТ
I R0 I Н
IН
R0
Условие стабилизации
IСТ min ≤ IСТ ≤ IСТ max
Электроника
158

131. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основные параметры стабилитронов:
• Uст – напряжение стабилизации (ед-десятки-сотни В);
• Iст min – при котором наступает устойчивый пробой перехода
(доли-десятки мА);
• Iст max – при котором рассеиваемая мощность не превышает
допустимой (неск.мА-неск.А);
• rдиф – доли Ом-сотни Ом;
• P рас max – при которой ещё не наступает тепловой пробой
(десятки мВт-ед.Вт);
• αст = ∆Uст /(Uст∆T)
– температурный коэффициент напряжения
стабилизации.
• Для снижения αст последовательно со стабилитроном включают
дополнительный диод (в прямом смещении) (рис.г) – это (помещенное
в одном корпусе) прецизионный стабилитрон.
Электроника
159

132. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Стабилитроны
Электроника
160

133. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Выпускаются также двуханодные стабилитроны
(например, 2С170А, 2С182А и др.), которые обеспечивают
стабилизацию и ограничение двухполярного напряжения.
Для стабилизации напряжения применяются также
стабисторы (например, типа КС107, 2С113А, 2С119А).
В них используется специальная форма прямой ветви
ВАХ. Поэтому стабисторы работают при прямом
напряжении и позволяют стабилизировать малые
напряжения (0,35—1,9 В). По основным параметрам они
близки к стабилитронам.
Особенность стабисторов – отрицательный αст, т.е.
Uст с повышением температуры уменьшается.
Электроника
161

134. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Импульсные диоды
Электроника
162

135. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
диоды Шоттки
Условное обозначение диода Шоттки
Электроника
165

136. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основной отличительной
особенностью ВАХ диодов
Шоттки является
значительно меньшее
прямое падение
напряжения, по сравнению
с диодами на основе p-nпереходов.
Электроника
167

137. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основные параметры импульсных
диодов
• Сд – емкость диода (доли пФ – несколько пФ).
• Unp и max – максимальное импульсное прямое
напряжение.
• Iпр и mах – максимально допустимый
импульсный ток.
• tycт – время установления прямого напряжения
диода (доли нс – доли мкс).
• tвос – время восстановления обратного
сопротивления диода (доли нс – доли мкс).
Электроника
170

138. ПРОБОЙ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Варикапы
Электроника
171

139. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Варикапы
uК
Cв (U ) Cв (0)
u
U
К
Cв ( 0 )
1
n
где
0 S
d0
— емкость при нулевом напряжении на диоде;
n=2
для резких переходов и
переходов.
Электроника
п=3
для плавных
173

140. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Варикапы
Электроника
174

141. ЕМКОСТИ p-n ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Варикапы
Условное обозначение варикапа (а);
Включение варикапа в состав резонансного контура (б).
Электроника
175

142. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ p-n-ПЕРЕХОДА

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Основные параметры варикапов:
• Св – общая емкость при заданном Uобр (десятки-сотни
пФ);
• Kc = Cв max / Cв min
– коэффициент перекрытия по
емкости (неск. ед.- неск. десятков);
• rп – суммарное активное сопротивление потерь;
• Qв = Xc / rп – добротность при заданном значении Св
или Uобр (десятки-сотни) ;
• fпред – предельная частота, при которой Qв = 1;
• αСв = ∆С /(С∆T)
– температурный коэффициент
емкости (ТКЕ).
Электроника
177

143. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

СВЕТОДИОДЫ
Электроника
178

144. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

СВЕТОДИОДЫ
Длина волны излучения
1 ,23 W2 W1 1 ,23 W ,
т.е. зависит от ширины запрещенной зоны
(здесь W 1 – исходный энергетический
уровень,
W2 – метастабильный уровень
возбуждения)
Электроника
180

145. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

СВЕТОДИОДЫ
Электроника
182

146. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Инжекционный лазер
Электроника
184

147. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
Электроника
187

148. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
В общем случае ток фотодиода определяется формулой
U / T
I IТ (e
1) IФ
где
IФ = SiФ — дрейфовый ток фотоносителей – фототок,
Si — интегральная чувствительность,
Ф — световой поток.
Электроника
188

149. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
Электроника
189

150. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
Без нагрузки фотодиод может работать в двух
режимах: 1) к.з. (U = 0) и 2) х.х. (I = 0) .
• В режиме к.з.
• В режиме х.х. :
I = –IФ = –SiФ
Uxx = φT ln(IФ/IТ + 1).
Таким образом, между электродами фотодиода
при освещении появляется разность потенциалов,
называемая фото-эдс, равная напряжению Uхх
< uк. (Для кремниевых фотодиодов Uхх <0,7В).
Электроника
190

151. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
На ВАХ можно выделить два участка:
1-й: I < 0, U ≤ 0 – соответствует режиму
фотопреобразования; используется в фотоприемниках.
2-й: 0 < U < UХХ, I ≤ 0 – соответствует режиму
фотогенерации: здесь прибор при его освещении
вырабатывает энергию; в таком режиме работают
солнечные батареи.
Электроника
191

152. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

ФОТОДИОДЫ
Основные параметры
• диапазон длин волн принимаемого излучения (∆λ =
0,4...2 мкм) – как видимое, так и невидимое излучение;
• интегральная чувствительность Si (зависит от
площади p-n-перехода и может изменяться в пределах
10-3... 1 мкА/люкс);
• темновой ток ( IТ = 10-2... 1 мкА);
• постоянная времени
= 10-3... 1 мкс) –
инерционность очень малая, т. к. ток обусловлен
дрейфом неосновных носителей и не связан с
диффузией носителей через переход.
Электроника
193

153. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Оптроны
.
Здесь
светочувствительная
площадка фотодиода
расположена напротив
излучающей площадки
светодиода.
Оптроны широко используются в электронной аппаратуре для
гальванической развязки входных и выходных цепей. Это позволяет
повысить помехоустойчивость аппаратуры, а также обеспечить
совместную работу устройств, находящихся под разными
потенциалами.
Электроника
194

154. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Интегральные диоды
Методичка №4536, А.А. Щука «Электроника» с.288
Электроника
200

155. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
Дано:
ВАХ диода, UП = 2 В, R = 1 кОм. Определить I и
UR , UД
UП
I
R1
VD1
Электроника
201

156. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
UП
I
R1
По 2 закону Кирхгофа:
UП = UR + UД
или
VD1
UП = I .R1 + UД
Электроника
202

157. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
UП = UR + UД
1.
тогда
UП = I .R1 + UД
или
I = 0,
UХХ = UП = 2 В
2.
UД = 0,
тогда
IКЗ = UП / R1= 2 мА
Электроника
203

158. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
о
O
O
Электроника
204

159. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
O
Нагрузочная
прямая
O
Электроника
205

160. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
UП = UR + UД
или
UП = I .R1 + UД
Электроника
206

161. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1
UП = UR + UД
или
UП = I .R1 + UД
UR = 1 В
UД = 1 В
I = 1 мА
Электроника
207

162. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
Определить:
IT , rБ , rдиф , R=
Электроника
208

163. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
I1 = 1 мА
U1 = 1 В
I2 = 1,5 мА
U2 = 1,17 В
Электроника
210

164. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
U T ln I T ln IT I rБ
U T ln I T ln IT
rБ
I
U T ln I T
rБ
ln IT
I
I
Электроника
211

165. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
U1 T ln I1 T
ln IT
I1
I1
U 2 T ln I 2 T
ln IT
I2
I2
T
T
A1
ln IT A2
ln IT
I1
I2
Электроника
212

166. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
T
T
A1
ln IT A2
ln IT
I1
I2
A2 A1
A2 A1
ln IT
T T
1
1
T
I1 I 2
I1 I 2
Электроника
213

167. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
IT e
A2 A1
1 1
T
I
I
1 2
Электроника
214

168. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
A1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
Электроника
215

169. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
A1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
IT = 3,717 .10-15 A
Электроника
216

170. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
A1 = 1,179 .103
A2 = 892,165
IT = 3,717 .10-15 A
rБ = 319,02 Ом
Электроника
217

171. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
Ранее для перехода
Для диода (по ВАХ)
По постоянному току
rдиф
T
rдиф
I IT
U
I
U
R
I
Электроника
218

172. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
Для перехода
r диф1= 25,875 Ом
r диф2= 17,25 Ом
Электроника
219

173. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
r диф1= 25,875 Ом
Для перехода
r диф2= 17,25 Ом
Для диода (по ВАХ)
Электроника
r диф= 340 Ом
220

174. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.1б
r диф1= 25,875 Ом
Для перехода
r диф2= 17,25 Ом
Для диода (по ВАХ)
По постоянному току
r диф= 340 Ом
R=1 = 1 кОм
R=2 = 780 Ом
Электроника
221

175. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача
Дано:
UВХ = 15 В, R1 = 1,0 кОм.
2.3
Определить UВЫХ
Электроника
233

176. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
Дано:
IТ = 10 мкА при Т = 300 К, UВХ = 40 В, R1 = 20 кОм.
Определить UВЫХ
R1
+
VD1
UВХ
UВЫХ
-
Электроника
234

177. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
Решение:
I ≈ UВХ / R1 т.к. R1 >> rпр
Для упрощения будем считать, что rБ = 0, тогда:
I IТ e
U
Т
Электроника
1
235

178. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
U ВЫХ
I
U T ln 1
IT
Точно, считая, что rБ = 100 Ом:
U ВЫХ
I
U T ln 1 I rБ
IT
Электроника
236

179. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
U ВЫХ 0,138 В
Электроника
237

180. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
U ВЫХ 0,138 В
Точно, считая, что rБ = 100 Ом:
U ВЫХ 0,338 В
Электроника
238

181. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.5
Дано:
ЕВХ = 20 В, UВХ~ = 3 В, R = 10 кОм.
Определить UВЫХ
Электроника
239

182. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.5
Решение:
Положение р.т. определяется постоянной составляющей тока диода
I ≈ ЕВХ / R1
т.к. R1 >> rпр
rдиф
T
I IT
U ВЫХ U Д U ВХ
Электроника
rдиф
rдиф R1
240

183. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
I 2
мА
Электроника
241

184. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.4
I 2
мА
U ВЫХ 3,876 мВ
Домашнее задание:
Используя формулу Эберса-Молла для прямой ветви
диода (с учетом падения напряжения на базе диода) определить
дифференциальное сопротивление диода и уточнить выходное
переменное напряжение.
Электроника
242

185. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.6
Дано:
rпр = 40 Ом, Rобр = 400 кОм, СД = 80 пФ.
Определить на какой частоте произойдет заметное увеличение
обратного тока (емкостное сопротивление станет равным Rобр ).
Электроника
243

186. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.6
Решение:
XC 1
f 1
2 f C
1
2 X C C
2 Rобр C
Электроника
244

187. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.6
Ответ:
f = 4,974 кГц
Электроника
245

188. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.7
Определить влияние сопротивления нагрузки на точность
стабилизации напряжения на нагрузке
Электроника
246

189. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.7
Решение:
IR1 = IСТ + IН
Учитывая, что
UН = UСТ ,
U ВХ U СТ
U СТ
I СТ
R1
RН
U ВХ
1
1
R1 I СТ R1
U СТ
RН R1
Переходим к приращениям с учетом, что
Электроника
I СТ
U СТ
rдиф
247

190. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.7
U СТ
U ВХ
R1
R1
1
rдиф RН
Для обеспечения стабилизации должны выполняться условия:
R1 >> rдиф
Электроника
и
R1 >> RН
248

191. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
Дано:
КС191 : UСТ = 9,1 В, IСТ.MIN = 3 мА, IСТ.MAX = 15 мА, rДИФ = 47 Ом.
RН = 1 кОм. Необходимо обеспечить ΔUВЫХ = 1 % при ΔUВХ = 10 %
Определить UВХ и R1
Электроника
249

192. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
Решение:
U СТ
U ВХ
R1
R1
1
rдиф RН
U СТ
1
U ВХ 1 R1 R1
rдиф RН
Электроника
250

193. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
U ВХ
1
U С Т
R1
1
1
rдиф RН
Электроника
251

194. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
R1 = 404,011 Ом
Выбираем ближайшее значение
сопротивления резистора из номинального
ряда Е24:
R1 = 390 Ом
Электроника
252

195. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
U ВХ.ном U R1.ср UСТ
где
U R1.ср IСТ.ср I Н R1
I С Т.ср
IН
I С Т.m ax I С Т.m in
U СТ
2
RН
Электроника
253

196. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
U R1.ср 7.059 В
Электроника
254

197. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8
U R1.ср 7.059 В
Ответ:
U ВХ.ном 16,159 В
Электроника
255

198. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8б
Для этой же схемы определить допустимые пределы
изменения входного напряжения при которых сохраняется
режим стабилизации.
Электроника
256

199. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8б
Решение:
U ВХ.MAX I Н I СТ . MAX R1 U СТ
U ВХ.MIN I Н I СТ . MIN R1 U СТ
Электроника
257

200. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8б
Ответы:
U ВХ.MAX 18.499 В
Электроника
258

201. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.8б
Ответы:
U ВХ.MAX 18.499 В
U ВХ.MIN 13.819 В
Электроника
259

202. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.9
Дано:
Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитрона
2С156Т 0,04 % /0С . Каким будет его напряжение стабилизации при
температуре 70 0С?
Дано:
UСТ = 5,6 В
при
Т1 = 20 0С. αСТ = – 0,04 % /0С. Т2 = 70 0С
Электроника
260

203. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.9
Решение:
αСТ = ∆UСТ /(UСТ∆T)
Отсюда нужно выразить
∆UСТ
Электроника
261

204. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.9
∆UСТ = αСТ .UСТ . ∆T = αСТ .UСТ . (T2 – T1)
Электроника
262

205. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.9
∆UСТ = - 0.112 В
UСТ2 = UСТ + ∆UСТ
Электроника
263

206. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.9
∆UСТ = - 0.112 В
UСТ2 = UСТ + ∆UСТ
UСТ2 = 5.488 В
Электроника
264

207. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.10
Дано:
Барьерная емкость диода составляет 200 пФ при обратном
напряжении 2 В. Какое требуется обратное напряжение, чтобы
уменьшить емкость до 50 пФ? (считать uК = 0,82 В).
Дано:
Св1(U) = 200 пФ
Св2(U) = 50 пФ
при
при
U1 = 2 В,
U2 = ?
Электроника
265

208. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.10
uК
C в (U ) C в (0)
uК U
Отсюда
где
C в ( 0)
C в 1 (U )
uК
uК U 1
U1 = 2 В, Св1(U) = 200 пФ
Электроника
266

209. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.10
Cв (0) 370,9 пФ
Из этой формулы нужно выразить U2 :
uК
C в 2 (U ) C в (0)
uК U 2
Электроника
267

210. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.10
1
U 2 uК
1
2
C в 2 (U )
C в ( 0)
Ответ :
Электроника
268

211. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Задача 2.10
1
U 2 uК
1
2
C в 2 (U )
C в ( 0)
Ответ :
U2 44.3 В
Электроника
269

212. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
.
270

213. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
.
272

214. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Важно учитывать, что p-n переходы транзистора из-за очень
малого расстояния между переходами, которое называют толщиной
базы, сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода
сильно влияет на ток другого, и наоборот.
Электроника
273

215. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
IК = IЭ – IБ = αIЭ
где α = 0,95...0,99 — коэффициент передачи тока эмиттера.
Электроника
275

216. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Электроника
276

217. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Модуляция толщины базы (эффект
Эрли).
Электроника
278

218. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Накопление
заряда в базе.
Рассасывание
заряда в базе.
неосновных
носителей
неосновных
Эти
два
процесса
быстродействие транзистора.
Электроника
носителей
влияют
на
281

219. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Схемы включения транзистора
VT1
Iвх
Iвых
Электроника
Rн
283

220. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Схемы включения транзистора
В зависимости от того, какой электрод
транзистора является общим:
с общей базой (ОБ),
общим эмиттером (ОЭ) и
общим коллектором (ОК).
Электроника
284

221. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Режимы работы транзистора:
активный, когда переходы
Э-Б ← UПР , К-Б ← UОБР ;
• насыщения,
когда оба перехода включены в прямом направлении;
• отсечки (запирания),
когда оба перехода включены в обратном направлении;
• инверсный, когда
Э-Б ← UОБР , К-Б ← UПР
Электроника
286

222. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Различают 3 вида коэффициентов усиления:
• коэффициент усиления по току
КI = ΔIВЫХ / ΔIВХ ;
• коэффициент усиления по напряжению
КU = ΔUВЫХ / ΔUВХ ;
• коэффициент усиления по мощности
КP = ΔPВЫХ / ΔPВХ = =КI * КU
Входное сопротивление:
RВХ = ΔUВХ / ΔIВХ .
Электроника
288

223. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩЕЙ БАЗОЙ (ОБ)
Iэ VT1
-
ЕБ
Uкб
Uэб
Iб
+
Iк
Полярность источников ЕБ
и ЕК соответствует активному
режиму работы транзистора.
Rн
Uн
UВХ = UЭБ , UВЫХ = IК RН
IВХ = IЭ, IВЫХ = IК.
- ЕК +
КI ОБ = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIК / ΔIЭ = α = 0,95...0,99.
RВХ ОБ = ΔUВХ / ΔIВХ = ΔUЭБ / ΔIЭ .
RВХ ОБ = единицы — десятки Ом.
Чем мощнее транзистор, тем больше будет ток эмиттера и тем
меньше его входное сопротивление.
Электроника
290

224. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩЕЙ БАЗОЙ
КU ОБ
U ВЫХ
I ВЫХ RН
I К RН
RН
RН
U ВХ
I ВХ RВХ ОБ I Э RВХ ОБ RВХ ОБ RВХ ОБ
При достаточно большом сопротивлении нагрузки коэффициент
КUОБ может достигать 1000.
КP ОБ = КI ОБ * КU ОБ = α α RН / RВХ ОБ ≈ RН / RВХ ОБ ,
Электроника
292

225. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ (ОЭ)
Полярность источников ЕБ и ЕК соответствует активному режиму
работы транзистора.
UВХ = UБЭ , UВЫХ = IК RН , IВХ = IБ, IВЫХ = IК.
Электроника
294

226. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
КI ОЭ = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIК / ΔIБ = β.
β – коэффициент передачи тока базы (коэффициент усиления
тока в схеме с ОЭ).
Найдем связь между β и α.
Определено ранее ΔIК = α ΔIЭ , а ток базы ΔIБ = ΔIЭ - ΔIК =
=ΔIЭ - α ΔIЭ .
Подставив это в предыдущую формулу получим
КI ОЭ = ΔIК / ΔIБ = α ΔIЭ /(ΔIЭ - α ΔIЭ) = α / (1- α)= β,
т.е. β = α / (1- α).
При α = 0,98
КI ОЭ = 0,98/ (1 — 0,98) ≈ 50.
RВХ ОЭ = ΔUВХ / ΔIВХ = ΔUБЭ / ΔIБ =
ΔIБ = ΔIК / β → = β ΔUБЭ / ΔIК ≈ β ΔUБЭ / ΔIЭ .
Так как ΔUЭБ / ΔIЭ= RВХ ОБ,
то RВХ ОЭ ≈ β RВХ ОБ, т.е. RВХ ОЭ>> RВХ ОБ (сотни Ом - ед. кОм).
Электроника
295

227. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
U ВЫХ
I К RН
RН
RН
КU ОЭ
КU ОБ
U ВХ
I Б RВХ ОЭ RВХ ОЭ RВХ ОБ
КP ОЭ = КI ОЭ * КU ОЭ = β2 RН / RВХ ОЭ
Благодаря отмеченным свойствам схема с ОЭ нашла очень
широкое применение.
Электроника
296

228. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ
При изменении режима работы транзистора коэффициент α изменяется
в абсолютном значении незначительно и остается близким к единице, в то
время как диапазон изменений коэффициента β будет большим.
Коэффициент передачи тока базы зависит также и от температуры.
Увеличение β связано с ростом времени жизни неосновных носителей в
базе при увеличении температуры.
Электроника
297

229. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
Сбл
+
Uкэ
Iб
Eк
-
Uвх
EБ
Uбэ
Rн
Iэ Uвых
Здесь RН включено не в
цепь коллектора, а в цепь
эмиттера (но по переменному
току оно включено между Э и
К).
UВХ – U между Б и
корпусом (коллектором по
переменному току),
UВЫХ = IЭ RН ,
IВХ = IБ, IВЫХ = IЭ.
Особенностью схемы с ОК является отсутствие усиления по
напряжению. Действительно (с учетом того, что UВХ = UВЫХ +
UБЭ )
U
U
КU ОК
ВЫХ
U ВХ
ВЫХ
U ВЫХ U БЭ
Электроника
1
300

230. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
С учетом того, что
β = ΔIК / ΔIБ,
КI ОК = ΔIВЫХ / ΔIВХ = ΔIЭ / ΔIБ = (ΔIК + ΔIБ) /
ΔIБ = (ΔIК / ΔIБ) + 1 = β + 1 ,
т. е. примерно такой же, как и в схеме с ОЭ.
RВХ ОК
U ВХ U БЭ U ВЫХ U БЭ I Э RН
I ВХ
I Б
I Б
UБЭ << UН, поэтому им можно пренебречь. Тогда, учитывая
что IЭ = IК + IБ = β IБ + IБ = IБ (β + 1), величина
входного сопротивления запишется как
RВХ ОК
I Б ( 1 ) RН
( 1 ) RН
I Б
Электроника
301

231. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
СХЕМА с ОБЩИМ КОЛЛЕКТОРОМ (ОК)
Таким образом, RВХ ОК многократно превосходит RВХ схем с
ОЭ и ОБ и составляет десятки-сотни кОм.
КP ОК = КI ОК КU ОК ≈ β+1 ≈ β,
Электроника
т.е. в десятки-сотни раз.
303

232. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1
VТ1
Показать полярности
питающих напряжений для
случаев работы транзистора:
а) в активном режиме,
б) в режиме отсечки,
в) в режиме насыщения,
г) в инверсном режиме
Электроника
304

233. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1а
VТ1
Режим работы
транзистора p-n-p типа:
активный
Электроника
305

234. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1а
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Режим работы
транзистора p-n-p типа:
активный
Электроника
306

235. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1а
Режим работы
транзистора p-n-p
активный
VТ1
-
+
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
-
+
Электроника
307

236. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1б
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим отсечки
308

237. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1б
VТ1
-
UЭБ
ЕБЭ
+
UКБ
ЕКБ
Режим отсечки
+
Электроника
309

238. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1в
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим насыщения
310

239. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1в
VТ1
+
+
UЭБ
ЕБЭ
-
UКБ
ЕКБ
Режим насыщения
-
Электроника
311

240. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1г
VТ1
ЕБЭ
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Электроника
Режим инверсный
312

241. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.1г
VТ1
ЕБЭ
+
+
UЭБ
UКБ
ЕКБ
Режим инверсный
-
Электроника
313

242. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.2 : домашнее задание
VТ1
Показать полярности
питающих напряжений для
случаев работы транзистора:
а) в активном режиме,
б) в режиме отсечки,
в) в режиме насыщения,
г) в инверсном режиме
Электроника
314

243. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Статические вольт-амперные характеристики
Эти характеристики показывают зависимости между токами и
напряжениями в транзисторе и снимаются при постоянном токе и
отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Входная характеристика — это IВХ = f (UВХ)
при
фиксированных значениях UВЫХ = const.
Выходные характеристики (обычно семейство характеристик)
— это IВЫХ = f (UВЫХ)
при
IВХ = const (или UВХ = const).
Иногда используется проходная характеристика –
IВЫХ = f (UВХ) при UВЫХ = const.
Для каждой из трех схем включения существует свое семейство
характеристик.
Электроника
316

244. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные характеристики схемы с ОЭ
IБ = f (UБЭ) при UКЭ = const .
UКБ
VТ1
Выход
Вход U
БЭ
UКЭ
Электроника
317

245. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные характеристики схемы с ОЭ
При ↑Uк
характеристика
будет
незначительно
смещаться
вправо.
Электроника
318

246. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные характеристики схемы с ОЭ
Это
объясняется
проявлением
эффекта Эрли:
При ↑Uк (которое
является обратным
для перехода К-Б)
будет ↑ dОБР =>
↓толщина базы =>
↓ I Б.
Электроника
319

247. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные характеристики схемы с ОЭ
С ростом
температуры
характеристика,
наоборот,
смещается влево.
Электроника
320

248. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Выходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UКЭ) при IБ =const
UКБ
VТ1
Выход
Вход U
БЭ
UКЭ
Электроника
321

249. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Выходные характеристики схемы с ОЭ
Пока │UКЭ│ < UБЭ
UКБ = UКЭ — UБЭ прямое, (режим
насыщения). Это резко ↓ IК (из-за встречного потока носителей,
инжектируемых коллектором).
При
│UКЭ│ > UБЭ
UБК становится обратным (активный
режим), => мало влияет на величину IК, который определяется в
основном током IЭ. При таком напряжении все носители,
инжектированные эмиттером в базу и прошедшие через область
базы, устремляются к внешнему источнику.
При напряжении UБЭ < 0 эмиттер носителей не инжектирует и
IБ = 0, однако в коллекторной цепи протекает ток IК0 (самая
нижняя
выходная
характеристика).
Этот
ток
соответствует
обратному току I0 обычного p-n-перехода.
Электроника
322

250. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Выходные характеристики схемы с ОЭ
По 2-ому закону Кирхгофа UКЭ
+ IК RН = EК .
Нагрузочная прямая
Электроника
324

251. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Выходные характеристики схемы с ОЭ
Точка р –
рабочая точка
Электроника
326

252. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Выходные характеристики схемы с ОЭ
(См. также Жеребцов И.П. Основы электроники, с.76-78)
328

253. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Проходные характеристики схемы с ОЭ
IК = f (UБЭ)
при (UКЭ =const).
Электроника
330

254. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3
UКБ
Дано:
VТ1
а) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
б) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКЭ
в) UБЭ = - 0,4 В,
UБЭ
UКЭ = 10 В.
Определить режимы
работы транзистора
для каждого случая.
Электроника
331

255. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
VТ1
UКЭ
UБЭ
Электроника
332

256. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
VТ1
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
2-й з.К.: UКЭ = UКБ + UБЭ
отсюда
Электроника
UКБ = UКЭ – UБЭ
333

257. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
UКБ = – 0,1 В.
VТ1
-
+
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Электроника
334

258. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3а
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 0,3 В.
UКБ
UКБ = – 0,1 В.
VТ1
-
+
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Режим работы транзистора: насыщения
Электроника
335

259. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3б
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
+
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
336

260. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3б
В
UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
UКБ = 9,6
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
+
ЕБЭ U
БЭ
-
-
Режим работы:
активный
Электроника
337

261. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
UКЭ
UБЭ
Электроника
338

262. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКЭ = 10 В.
UКБ
VТ1
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Электроника
339

263. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКБ
UКЭ = 10 В.
UКБ = 10,4 В
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Электроника
340

264. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.3в
UБЭ = – 0,4 В,
UКБ
UКЭ = 10 В.
UКБ = 10,4 В
VТ1
+
+
-
ЕКЭ
UКЭ
ЕБЭ U
БЭ
-
+
Режим
отсечки
Электроника
341

265. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Упражнения
Задача 3.4
UКБ
Дано:
VТ1
а) UБЭ = - 0,4 В,
UКЭ = - 0,3 В.
ЕБЭ U
БЭ
UКЭ
б) UБЭ = - 0,4 В,
ЕКЭ
UКЭ = - 10 В.
в) UБЭ = 0,4 В,
UКЭ = - 10 В.
Определить режимы
работы транзистора
для каждого случая.
Электроника
342

266. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
343

267. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
344

268. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
345

269. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
346

270.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.5
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.)
Построить IК= f(IБ) и IК=f(UБЭ) при UКЭ = -5 В =const
Электроника
347

271.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
IЭ = f (UЭБ) при UКБ = const.
VТ1
IЭ
UКЭ
IК
_
Вход
+
+
UЭБ
IБ
UКБ
Выход
_
Электроника
348

272.

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
IЭ = f (UЭБ) при UКБ = const.
UЭБ< 0 соответствует
прямому включению
эмиттерного перехода.
Характеристика при
UКБ = 0 практически
совпадает с прямой
ветвью ВАХ п/п диода
Электроника
349

273. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
UЭБ < 0, UКБ > 0 активный режим. Сдвиг ВАХ относительно
характеристики для UКБ = 0 влево обусловлен эффектом Эрли.
UЭБ < 0, UКБ < 0 режим насыщения. Сдвиг ВАХ относительно
характеристики для UКБ = 0 вниз.
С ростом температуры ВАХ (также как и в схеме с ОЭ) смещается
влево.
VТ1
IЭ
UКЭ
IК
_
Вход
+
+
UЭБ
IБ
UКБ
Выход
_
Электроника
351

274. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
Выходные характеристики — это зависимости IК = f (UКБ)
при IЭ = const.
При UКБ > 0
активный режим,
где IК = α IЭ,
т. к. α ≈ 1,
то IК ≈ IЭ.
Электроника
353

275. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Входные и выходные характеристики схемы с ОБ
Наклон характеристик численно определяется
дифференциальным сопротивлением коллекторного
перехода:
rК
U КБ
I К при I Э const
С учетом эффекта Эрли
и заданном UКБ.
IК = α IЭ + IК Б0 + UКБ / rК .
Область при UКБ < 0 – режим насыщения (полный ток IК
↓↓↓).
(См. также Жеребцов И.П. Основы электроники, с.79-81; Лачин, Савелов
Электроника, с.58-63)
Электроника
355

276. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Задача 3.6
VТ1
Дано:
UКЭ
UЭБ = - 0,5 В,
UКБ = 12 В.
Определить режим
работы транзистора
UЭБ
и напряжение UКЭ .
UКБ
Электроника
356

277. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Задача 3.6
VТ1
Дано:
UКЭ
UЭБ = - 0,5 В,
UКБ = 12 В.
_
+
UЭБ
+
Определить режим
работы транзистора
UКБ
_
Электроника
357

278. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Задача 3.6
VТ1
UКЭ
_
+
UЭБ
+
режим работы
транзистора:
активный
UКБ
_
Электроника
358

279. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Задача 3.6
VТ1
UЭБ = - 0,5 В, UКБ = 12 В.
UКЭ
_
UЭБ
+
UКЭ + UЭБ – UБК = 0
+
UКЭ = – UЭБ + UБК
UКБ
_
Электроника
359

280. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Задача 3.7
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ, IБ= f(UКБ) и
IЭ=f(UКЭ) для схем ОК
Электроника
360

281. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.7а БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ
VТ1
VТ1
UКЭ
IЭ
Вход
IЭ
IК
-
+
UЭБ
+
-
UКБ
UКЭ
Выход
Вход
+
-
UЭБ
UКБ
-
IБ
Электроника
IК
+
IБ
Выход
361

282. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.7а БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить IК= f(UКБ) и IЭ=f(UБЭ) для схем ОБ
VТ1
UКЭ
IЭ
IК
-
+
Вход
UЭБ
-
IЭ = I К + IБ
+
IБ
UКБ
Выход
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
362

283. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Из Задачи 3.5
Электроника
363

284. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Электроника
364

285. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ТРАНЗИСТОРЫ
Задача 3.7б БИПОЛЯРНЫЕ
Упражнения
Дано: ВАХ (вх. и вых.) для схемы с ОЭ
Построить
IБ= f(UКБ) и IЭ=f(UКЭ) для схем ОК
VТ1
IБ
UЭБ
+
_
UКЭ
+
Вход
I Э = I К + IБ
UБК
IЭ
_
Выход
IК
UКБ = UКЭ – UБЭ
Электроника
365

286. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Упражнения
Электроника
366

287. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Используются модели – в виде физической (эквивалентные
схемы) или активного четырехполюсника.
Простейшая модель в виде эквивалентной схемы –
модель Эберса-Молла.
368

288. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Токи IЭ и IК в общем случае содержат две составляющие:
инжектируемую (I1 или I2) и собираемую (αI I2 или α I1):
IЭ = I1 – α I I2 ,
I К = α I1 – I2 .
ВАХ идеальных диодов аппроксимируются формулами вида:
U БЭ
Т 1
I1 I Э 0 e
и
U БК
Т 1
I2 I К0 e
Сделав подстановку, получим:
Электроника
369

289. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
U БК
U БЭ
Т
Т 1
I Э I Э0 e
1 I IК0 e
IК
U БК
U БЭ
Т
Т 1
I Э 0 e
1 IК0 e
IБ IЭ IК
U БК
U БЭ
Т
Т 1
1 I Э 0 e
1 1 I I К 0 e
Из этих уравнений можно получить аналитические выражения
для любого семейства характеристик в любой схеме включения.
Электроника
370

290. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модифицированная модель Эберса-Молла
372

291. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Модель в виде физической схемы замещения малосигнального
интегрального транзистора.
Основное отличие интегрального транзистора от дискретного
заключается в наличие у него дополнительного rК ~100…200 Ом и
дополнительного («паразитного») диода, который можно
представить как параллельно соединенные RКП и CКП.
373

292. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов в
виде активных четырехполюсников
Электроника
376

293. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов
Система H-параметров
Здесь в качестве независимых переменных выбираются i1 и u2,
тогда
u1 = f1(i1,u2), i2 = f2(i1,u2) .
Для полных приращений зависимых переменных запишем:
U 1
U 1
dU1 I dI1 U dU 2
1
2
dI I 2 dI I 2 dU
2
2 I 1 1 U 2
Заменим dU 1 , dU 2 , dI 1 и dI 2 на комплексные составляющие,
а частные производные обозначим через H:
Электроника
377

294. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
U 1 H 11 I 1 H 12U 2
I
H
I
H
U
2
21 1
22 2
где коэффициенты H:
H11
U 1
I 1
H11
при U 2 0 или
Физический смысл H11 – входное
выходе.
H 12
U 1
U 2
при I 1 0
или
u1
i1
при U2 = const.
сопротивление
u
H12 1
u2
при к.з. на
при I1 = const.
Это коэффициент обратной связи по напряжению при х.х. на
входе.
Электроника
378

295. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
H 21
I 2
I 1
при U 2 0
i2
H
или
21
i1 при U2= const
Это коэффициент передачи тока при к.з. на выходе.
H 22
I 2
U 2
при I 1 0 или
H 22
i2
u2
при I1 = const
Это выходная проводимость при холостом ходе на входе.
На постоянном токе и низких частотах H-параметры считаются
действительными величинами и обозначаются h.
Электроника
380

296. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
I 2
I 1
h21 I 1
h11
U 1
h22
U 2
h12U 2
Здесь генератор ЭДС h12U 2 и генератор тока
связь входной и выходной цепей.
h21 I 1
учитывают
Можно установить связь h-параметров с собственными
параметрами транзисторов (см. Жеребцов, Основы электроники
с.86-87).
Электроника
382

297. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Система Y-параметров
Здесь напряжения u1 и u2 – независимые переменные,
i1 = f1(u1,u2) и i2 = f2(u1,u2) .
По аналогии с H-параметрами (также записывается система
уравнений для полных приращений зависимых переменных, а
затем dI , dI , dU и dU
заменяются на комплексные
1
2
1
2
составляющие, а частные производные обозначаются через y):
I 1 y11U 1 y12U 2
y U
I
y
U
2
21 1
22 2

298. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
В эквивалентной схеме, соответствующей системе уравнений,
y21U 1 учитывает усиление, создаваемое
генератор тока
транзистором, а генератор тока y1 2U 2 — внутреннюю обратную
связь в транзисторе.
y12U 2
Электроника
385

299. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Для низких частот y-параметры являются чисто активными, и
обозначаются буквой g с соответствующими индексами.
Входная проводимость (КЗ на выходе)
I 1
при U 0 или y
2
y11
11
i 1
U1
u1
при U2=const.
Нетрудно видеть, что y11 является величиной, обратной h11:
y11 = 1/h11.
Проводимость обратной связи (обратная проводимость) (КЗ на входе)
y12
I 1
U 2
при U 1 0
или y12
Электроника
i1
u2 при U1=const.
386

300. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Модели биполярных транзисторов - четырехполюсники
Проводимость управления (крутизна) при КЗ на выходе:
y21
I 2
U 1
при U
или y i2
0
2
21
u
при U2=const.
1
Параметр у21 связан с h-параметрами простым соотношением
y21 = h21 / h11
Величина у21 характеризует управляющее действие входного
напряжения u1 на выходной ток i2 .
Выходная проводимость (КЗ на входе):
y22
I 2
при U 1 0
U
или y 22
2
i 2
u2
при U1=const.
Заметим, что y22 и h22 являются различными величинами, так как
они определяются при разных условиях (КЗ на входе и ХХ на входе).
Электроника
387

301. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Влияние температуры на характеристики и
параметры биполярных транзисторов
При повышении температуры увеличивается проводимость
полупроводников и токи в них возрастают.
Особенно сильно растет с повышением температуры обратный
ток p-n-перехода. У транзисторов таким током является начальный
ток коллектора (IК0). Возрастание этого тока приводит к
изменению характеристик транзистора.
Увеличение температуры приводит к росту коллекторного тока
и выходные характеристики будут смещаться вверх.
Электроника
389

302. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторов
Электроника
390

303. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Влияние температуры на характеристики биполярных транзисторов
Влияние температуры на выходные характеристики в схеме с
ОЭ значительно больше, чем в схеме с ОБ. Схема ОЭ обладает
низкой температурной стабильностью, что является ее
существенным недостатком по сравнению со схемой ОБ.
Для обеспечения постоянства режима используется температурная стабилизация,
но она не может полностью устранить изменение параметров транзистора.
Влияние температуры на входные и проходные характеристики
было рассмотрено ранее.
Следует подчеркнуть, что при изменении температуры
изменяются не только характеристики, но и все параметры
транзистора.
Электроника
395

304. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
(И.П.Жеребцов Основы электроники, с.97-99)
С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами,
снижается. У этого явления две главные причины.
Во-первых, на более высоких частотах сказывается
вредное влияние емкости коллекторного перехода Ск.
На высоких частотах ХСК становится малым и в него ответвляется заметная
часть тока, создаваемого генератором, а ток через RH соответственно уменьшается.
Следовательно, уменьшаются КI, КU и КP , UВЫХ и PВЫХ.
Таким образом, вследствие влияния (главным
образом) емкости СК на высоких частотах уменьшаются
коэффициенты усиления α и β.
Электроника
396

305. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Вторая причина — отставание по фазе переменного
тока коллектора от переменного тока эмиттера.
Оно вызвано инерционностью процесса перемещения
носителей через базу от эмиттера к коллектору, а также
инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в
базе.
Электроника
399

306. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Iэ
Iб
Iэ
Iб
Iб
Iк
Iк
Iэ
Электроника
Iк
400

307. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Принято считать предельным допустимым уменьшение
значений α и β на 30% по сравнению с их значениями α0 и β0 на
низких частотах. Те частоты, на которых α = 0,7α0 и β = 0,7β0,
называют предельными частотами усиления для схем ОБ и
ОЭ (соответственно fα и fβ).
Т.к. β уменьшается гораздо сильнее, нежели α, то fβ<< fα .
(fβ ≈ fα / β).
Электроника
402

308. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Электроника
403

309. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Максимальная частота генерации fmах : КP = 1
Граничная частота усиления тока fгр (или fТ ):
КI = 1
Зависимость коэффициента передачи тока базы от частоты
f
0
f
1 j
f
при f >3 fβ
0 f fТ
f
f
f
На высоких частотах изменяются все параметры
транзистора и они будут комплексными величинами.
Электроника
405

310. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Частотные свойства биполярных транзисторов
Улучшение
транзисторов:
частотных
свойств
1. ↓СК
2. ↓τпр
Электроника
407

311. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

На самостоятельное изучение:
Технология изготовления биполярных транзисторов
Литература: Миловзоров, Панков Электроника с.31-32
Электроника
418

312. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
FET – Field Effect Transistor)
Электроника
419

313. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы
с управляющим p-n-переходом
Электроника
420

314. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Устройство и принцип работы
Электроника
421

315. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Выходная (стоковая) характеристика IC = f(UCИ) при UЗИ = const.
Проходная (управляющая, передаточная, стокозатворная)
характеристика IC = f(UЗИ) при UСИ = const.
Электроника
422

316. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом
Напряжение отсечки
UОТС= UЗИ ,
при котором IC ≈ 0.
Крутизна:
const.
S = ΔIC / ΔUЗИ
при UСИ =
RВХ - очень большое.
Электроника
423

317. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы
с изолированным затвором
МДП (металл–диэлектрик–полупроводник)
MISFET
и
МОП
MOSFET.
(металл–оксид–полупроводник)
Канал n или p-типа может быть встроенным (т.е.
созданным при изготовлении) и индуцированным (т.е.
наводящимся
под
влиянием
напряжения,
приложенного к затвору).
Электроника
424

318. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзистор с встроенным каналом
(обедненного типа)
С
П
З
И
с каналом
n-типа
с каналом
p-типа
Электроника
425

319. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
МДП транзисторы с встроенным каналом
Устройство и принцип работы
Электроника
426

320. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
МДП транзисторы с встроенным каналом
Вольт-амперные характеристики
Электроника
427

321. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с изолированным затвором
МДП транзисторы
с индуцированным каналом
(обогащенного типа)
С
П
З
И
с каналом
p-типа
с каналом
n-типа
Электроника
428

322. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
МДП транзисторы с индуцированным каналом
При
UЗИ = 0
канал отсутствует
Если UЗИ > UЗИпор, возникает канал
Электроника
429

323. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
МДП транзисторы с индуцированным каналом
UЗИпор = 0,1…0,2 В
для N-МДП ПТ
и UЗИпор = 2…4 В
для P-МДП ПТ.
Электроника
430

324. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с барьером
Шоттки (ПТШ)
(или полевые транзисторы с управлящим
переходом «металл-п/п» – MEП-транзисторы)
GaAs:
подвижность электронов 4…5 х103 см2/В.с
(0,8…1,3 х103 у Si)
ширина запрещенной зоны > чем у Si
Электроника
431

325. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Электроника
432

326. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Толщина проводящего канала
d К d К 0 L0 ,
где L0 f (U ЗИ )
- толщина обедненной области
При напряжении UЗИ < U0 ПТШ закрыт: IС = 0.
Пороговое напряжение отпирания
q NД d
U 0 U бШ
2 0 П
Электроника
2
К
433

327. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
где UбШ – высота барьера Шоттки (UбШ =0,8 В),
NД – концентрация донорных примесей в
канале,
εП =13,1 – относительная диэлектрическая
проницаемость GaAs.
Путем выбора значений NД и dК0, получают
ПТШ, имеющие U0 > 0 или U0 < 0.
Электроника
434

328. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ) (MEП-транзисторы)
Проходные (сток-затворные) и выходные (стоковые) ВАХ ПТШ
Обычно для НО ПТШ U0 ≈ - (0,4…0,8) В, для НЗ ПТШ U0 ≈ 0,1…0,2 В.
В СВЧ микросхемах перспективными являются ПТШ (МЕП-транзисторы) на
гетероструктурах (ГМЕП-транзисторы).
Электроника
436

329. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Эквивалентные схемы
Например, система y-параметров:
i1 i З y11U ЗИ y12U СИ
i2 iС y21U ЗИ y22U СИ
Электроника
439

330. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Основные параметры
1. Крутизна S = 0,1…500 мА/В.
2. Входное сопротивление 108÷10 Ом, у МОП – 1012÷14 Ом.
3. Начальный ток стока при UЗИ = 0
с управляющим p-n-переходом IСнач = 0,2…600 мА,
с встроенным каналом 0,1…100 мА,
с индуцированным каналом 0,01…0,5 мА.
4. Напряжение отсечки UЗИотс = 0,2…10 В
пороговое напряжение UЗИпор = 0,1…4 В.
или
5. Сопротивление С-И в открытом состоянии 2…300 Ом.
6. Максимальная частота усиления (Кр = 1) дес.–сотни МГц …ед.-дес. ГГц.
7. Емкости ССИ, СИЗ, СЗС.
Электроника
440

331. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ
Преимущества (по сравнению с БП)
1)
высокое входное сопротивление (особенно МДП);
2) малый уровень собственных шумов (нет
рекомбинационного шума);
3) высокая плотность расположения элементов при
изготовлении интегральных схем.
Недостаток: требуются особые меры
предосторожности от статического электричества
(особенно МДП).
Электроника
441

332. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
Интегральные микросхемы: классификация и их
основные компоненты – транзисторы, диоды,
резисторы, конденсаторы. Особенности активных и
пассивных элементов интегральных схем.
Литература:
1. Миловзоров, Панков. Электроника - с.40-45.
2. Методичка 4536.
Более подробно:
1. Жеребцов И.П. Основы электроники – с.143-158.
2. Щука А.А. Электроника – с.288-297.
Электроника
442

333. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные лампы
Электровакуумные приборы (ЭВП) – это приборы, в
которых ток образуется движением электронов в
вакууме или газе.
Электронные лампы: генераторные, усилительные,
выпрямительные и др.
Диод – имеет 2 электрода: катод и анод.
Триод (К, А + сетка).
Лампы с двумя и более сетками называются
многоэлектродными (тетрод, пентод, гексод, гептод и
октод).
Комбинированная лампа (двойной диод, двойной
триод, триод — пентод, двойной диод — пентод и др.).
Электроника
445

334. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные лампы
Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток
эмиссии
Ie = Nq,
где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд
электрона.
Электроника
448

335. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные лампы
Катоды
Алунд
(изоляция)
Прямого накала
Косвенного накала
Электроника
449

336. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электронные лампы
В приборах с накаленным активированным катодом (например,
оксидным) наблюдается значительное усиление термоэлектронной
эмиссии под влиянием внешнего ускоряющего поля (эффект
Шоттки). Если бы катод не был накален, то эмиссия отсутствовала бы. А при высокой температуре и
наличии внешнего ускоряющего поля вылетает дополнительно много электронов, которые при отсутствии поля
не могли бы выйти.
Электроника
452

337. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Электроника
454

338. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Электроны, ушедшие
определяют ток катода
с
катода
безвозвратно,
iК = nq < Ie,
где n — число
возвратившихся.
электронов, ушедших
В диоде:
за
1 с
с катода и не
iа = iК.
Электроника
455

339. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
При изменении
Uа
изменяется iК и
iа = iК.
В этом заключается электростатический
принцип управления анодным током.
Если Uа < 0
то
iа = iК = 0.
Основное
свойство
диода
—
способность проводить ток в одном
направлении от катода к аноду,
имеющему положительный потенциал.
Электроника
456

340. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Для диода, работающего в
режиме объемного заряда:
iа ≈ g ua3/2
(закон степени трех вторых)
Этот закон неприменим для режима
насыщения, когда iа = Is = const.
Кривая ОАБ –теоретическая характеристика диода.
Электроника
457

341. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Анодная характеристика диода
const
Электроника
iа= f (Uа) при UН =
459

342. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного диода
Параметры диодов:
U Н , IН , Ie .
Крутизна
S = Δiа / Δuа
при UН = const .
У современных диодов S = 1…50 мА/В.
Внутреннее дифференциальное сопротивление (Ri):
Ri = Δuа / Δiа= 1/ S
составляет сотни, а иногда десятки Ом.
R0 :
Обычно сопротивление
следует, что R0 = 3/2 Ri,
R0 = uа / iа .
R0
несколько больше
Электроника
Ri .
Из закона степени 3/2
460

343. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного триода
(Жеребцов Основы электроники с.224-226, 227-234, 249-250
Сетка служит для
электростатического
управления
анодным током.
Электроника
462

344. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного триода
iк = ia + ig .
В триоде катодный и анодный токи равны только
при ug < 0, так как в этом случае ig = 0.
Коэффициент усиления
ua
u g
при
ia = const
В современных триодах μ равен единицам или десяткам.
Электроника
464

345. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Устройство и работа электровакуумного триода
Проницаемость
D = 1/ μ .
Очевидно, что D < 1.
Запирающее ugзап (отрицательное), когда ia = 0 .
Электроника
465

346. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Статические ВАХ электровакуумного триода
Анодно-сеточные (проходные) характеристики iа= f(Ug) при Uа= const.
Электроника
466

347. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Статические ВАХ электровакуумного триода
Анодные (выходные) характеристики iа= f(Uа) при Ug = const.
Электроника
467

348. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Параметры электровакуумного триода
U Н , IН
а также максимальные допустимые параметры:
Ра max, Ua max, Uк-п mах, Iк mах .
Крутизна
S = Δiа / Δug
при Ua= const
У современных триодов S = 1...50 мА/В.
Ri = Δuа / Δiа при Ug = const
В триоде
(Ri = 0,5 — 100 кОм)
μ (или D), S и Ri связаны формулой Баркгаузена:
μ = S Ri (или
) 1
Электроника
D
S Ri
468

349. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Недостатки электровакуумного триода
1) с ними невозможно получить одновременно высокий коэффициент усиления и
«левую» анодно-сеточную характеристику.
Вследствие этого триоды делают с коэффициентом усиления не выше 100. Для
усиления мощных колебаний без искажений триоды должны иметь «левую» анодносеточную характеристику, т. е. малый коэффициент μ.
2) имеют сравнительно невысокое внутреннее сопротивление Ri.
Чем меньше сопротивление Ri тем сильнее оно шунтирует контур и тем в
большей степени ухудшается работа контура.
3) у них сравнительно высокая проходная емкость Са-g., которая оказывает
вредное влияние.
Основное назначение триодов — усиление электрических колебаний.
Триоды применяются также для генерации электрических колебаний
различной частоты.
Электроника
470

350. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Тетрод
Еа Rа
ia
Ua
g2
UВХ
g1
Rg2
ig2
Ug2
g2 – экранирующая (экранная),
Ca-g – проходная емкость .
Ослабление поля анода экранирующей
сеткой g2 учитывается проницаемостью этой
сетки D2.
Cбл
Ослабление поля управляющей сеткой g1
зависит от ее проницаемости D1.
Проницаемость тетрода
Коэффициент усиления
D = D1 . D2 .
μ ≈ 1/ D .
Электроника
(несколько сотен)
471

351. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
На экранную сетку подается положительное напряжение
Ug2 = (0,2…0,5)Ua .
Сеточное напряжение, запирающее лампу
Ug1 ≈ – D1Ug2 .
Электроника
472

352. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
Недостаток тетрода – динатронный
эффект («провал» в характеристике).
Электроника
473

353. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы. Тетрод
В тетроде, работающем с нагрузкой, при ↑Ug1 → ↑ia , а Ua↓
т.к.
Ua= Ea – iaRн.
При усилении сигнала Ug1 изменяется (например, по Cos-закону),
следовательно и ia будет изменяться по этому закону и в некоторые моменты
времени может быть Ua< Ug2 и вторичные электроны, выбитые с анода
будут притягиваться к экранирующей сетке.
Тогда ↑ig2 → ↓ ia, т.к. ia = iK – ig1 – ig2 . В анодной ВАХ появляется
«провал».
Динатронный эффект вреден, т.к. возникают сильные искажения при
усилении и может возникнуть паразитная генерация колебаний (из-за
участка с отрицательным Ri ).
Для исключения динатронного эффекта должно быть всегда:
Ug2 <Ua.
Электроника
474

354. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
+
Еа
_
Ug3
UВХ
Rа
ia
Ua
g3
g1
Rg2
ig2
g2 Ug2
Cбл
Электроника
–
защитная
(антидинатронная) сетка.
g3
Обычно Ug3 = 0.
Электрическое
поле,
создаваемое между g3-A,
тормозит, останавливает и
возвращает
на
анод
вторичные
электроны,
выбитые из анода.
476

355. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Проницаемость пентода D = D1 . D2 . D3 .
Коэффициент усиления μ ≈ 1/ D . (несколько тысяч).
Ri ↑до ед.МОм, Са-g1< чем у тетрода.
Электроника
477

356. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Анодно-сеточные характеристики
пентодов, как и у тетродов, «левые»,
но не используются для расчетов и
поэтому здесь не рассматриваются
На практике используются
зависимости токов iК , iа и ig2 от uа
при постоянных напряжениях на
сетках.
Электроника
478

357. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Семейство анодных
характеристик пентода
снимается при Ug2 = const
и Ug3 = const.
Электроника
480

358. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Многоэлектродные электровакуумные лампы.
Пентод
Соотношение μ = S Ri остается в силе. Но т.к. проницаемость D здесь
определяется при iК= const (а не iа= const как в триоде), D ≠ 1 /µ.
Особенность тетродов и пентодов – зависимость µ от режима.
Электроника
481

359. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Вакуумные интегральные схемы (ВИС)
– приборы, где активными элементами являются
электровакуумные микролампы с размерами,
близкими к размерам интегральных транзисторов.
Электровакуумные микролампы (ЭВмЛ) по своим
свойствам во многом подобны полевым транзисторам.
Вакуумные интегральные триоды называют также
вакуумными полевыми транзисторами.
В основе работы ЭВмЛ лежат те же физические
явления, что и в основе работы электровакуумных
триодов. В них используются холодные (не
подогреваемые) катоды, работающие на основе
электростатической (автоэлектронной) эмиссии.
При изготовлении ВИС используется хорошо
отработанная технология полупроводниковых ИС.
484

360. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электровакуумные микролампы
1 - холодный катод (изготовлен
в виде острия),
2 - управляющий электрод
(аналог управляющей сетки)
Между массивной частью
катода и УЭ, выполненным из
металлической пленки,
располагается
диэлектрический слой SiО2.
Структура выполнена на
поверхности диэлектрической
подложки и накрывается
диэлектрическим пустотелым
колпачком.
Электроника
485

361. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

ПРИБОРЫ ВАКУУМНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Электровакуумные микролампы
«+»
1) скорость электронов может быть намного
больше, чем в полупроводнике,
2) частотные свойства лучше частотных
свойств кремниевых интегральных схем и сравнимы
со свойствами арсенид-галлиевых ИС,
3) обладают лучшей радиационной
стойкостью.
Электроника
487