Основы электроники: учебное пособие [Андрей Владиславович Кириллов] (pdf) читать онлайн

Уральский
федеральный
университет
имени первого Президента
России Б. Н. Ельцина
Уральский
энергетический
институт

А. В. КИРИЛЛОВ
А. В. КОСТЫЛЕВ
Н. Д . ЯСЕНЕВ

ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие

Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. В. Кириллов, А. В. Костылев, Н . Д . Ясенев

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ
Учебное пособие

Под общей редакцией кандидата технических наук,
доцента А. В. Кириллова

Рекомендовано методическим советом
Уральского федерального университета
для студентов вуза, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 — Электроэнергетика и электротехника

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2022

УДК 655.5(075)
ББК 76.17я73
К43

Р ец ен зен ты :
начальник научно-инженерного центра ЗАО «Автоматизированные
системы и комплексы» канд. техн. наук, доц. С. И. Шилин;
ООО «ПФ Тяжпромэлектропривод», генеральный директор канд.
техн. наук, доц. В. И. Зеленцов

Кириллов, Андрей Владиславович.

К43

Основы электроники : учебное пособие / А. В. Кириллов,
А. В. Костылев, Н.Д. Ясенев ; под общ. ред. канд. техн. наук,
доц. А. В. Кириллова; М-во науки и высшего образования РФ. —
Екатеринбург : Изд-во Урал, ун-та, 2022.— 103, [1] с.
ISBN 978-5-7996-3531-2

В учебном пособии рассмотрены вопросы полупроводниковой электроники: фи­
зические основы, принцип действия и характеристики основных полупроводнико­
вых приборов.
Материал изложен в соответствии с программой обучения дисциплины «Ос­
новы электроники» для студентов, обучающихся по направлению подготовки
13.03.02 — «Электроэнергетика и электротехника.
Библиогр.: 9 назв. Табл. Рис. 62. Прил. 1.

УДК 655.5(075)
ББК 76.17я73

ISBN 978-5-7996-3531-2

© Уральский федеральный
университет, 2022

Оглавление

Введение....................................................................................................... 5
1. Электропроводность полупроводников. Беспримесные
и примесные полупроводники................................................................. 7
1.1. Особенности электропроводности твердых тел.........................9
1.2. Носители заряда в беспримесных (чистых)
полупроводниках.................................................................................. 11
1.3. Носители заряда в примесных полупроводниках....................14
1.4. Токи в полупроводниках...............................................................18
Тесты к главе 1 ...................................................................................... 21
2. Полупроводниковые диоды................................................................ 23
2.1. Электрические процессы в р -n переходе при отсутствии
внешнего напряжения......................................................................... 24
2.2. Электрические процессы в р -n переходе при наличии
внешнего напряжения......................................................................... 26
2.4. Емкости р -n перехода.................................................................... 33
2.3. Пробойp-n перехода..................................................................... 31
2.5. Стабилитроны................................................................................ 34
Тесты к главе 2 .......................................................................................37
3. Биполярные транзисторы....................................................................38
3.1. Общие положения......................................................................... 38
3.2. Принцип действия транзистора и его основные
параметры ............................................................................................. 39
3.3. Статические вольт-амперные характеристики
транзистора............................................................................................44
3.4. Параметры схем включения биполярного транзистора........51
3.5. Режим переключения биполярного транзистора
в схеме с общим эмиттером.................................................................52
Тесты к главе 3 ...................................................................................... 54
3

■гловление

4. Униполярные (полевые) транзисторы............................................... 55
4.1. Полевой транзистор с р -n переходом........................................ 55
4.2. МДП-транзисторы........................................................................ 59
4.3. Работа полевых транзисторов в импульсном режиме............. 64
4.4. Сравнительная характеристика МДПи биполярного транзистора.................................................................66
Тесты к главе 4 ...................................................................................... 68
5. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)..... 69
Тесты к главе 5 ...................................................................................... 74
6. Тиристоры.............................................................................................. 76
6.1. Типы тиристоров............................................................................76
6.2. Принцип действия однооперационного тиристора............... 77
Тесты к главе 6 .......................................................................................84
7. Оптоэлектронные полупроводниковые приборы........................... 86
7.1. Классификация оптоэлектронных приборов.......................... 86
7.2. Полупроводниковый излучатель................................................ 87
7.3. Полупроводниковый приемник излучения..............................88
7.4. Оптоэлектронные п ар ы ............................................................... 94
Тесты к главе 7 ...................................................................................... 97
Библиографический список ................................................................... 99
Приложение. Ответы к тестовым вопросам........................................101

4

Введение

Электроника представляет собой область науки и техники, включа­
ющую исследование явлений взаимодействия электронов с электро­
магнитными полями в вакууме, газовой среде или твердом теле, а так­
же разработку и практическое применение приборов, в которых это
взаимодействие используется для преобразования электромагнитной
энергии (электронных приборов).
В составе электроники выделяют следующие области: вакуумную,
твердотельную и квантовую электронику. Каждая из областей содер­
жит ряд разделов и направлений.
Раздел объединяет комплексы однородных физико-химических
явлений и процессов, которые имеют фундаментальное значение для
разработки многих классов электронных приборов данной области.
Совокупность разделов всех областей электроники составляет физи­
ческую электронику.
Направление охватывает методы конструирования и расчета элек­
тронных приборов, родственных по принципам действия или по вы­
полняемым функциям, а также способы изготовления этих приборов.
Совокупность направлений всех областей электроники образует тех­
ническую электронику. Одним из основных направлений технической
электроники является промышленная электроника, обеспечивающая
внедрение электронных устройств во все отрасли производства, нау­
ки, техники и быта.
Разделы и направления твердотельной электроники — полупрово­
дниковая, диэлектрическая электроника, магнитоэлектроника, аку­
стоэлектроника и пьезоэлектроника, криоэлектроника, разработка
и изготовление резисторов. Наиболее значимой на современном эта­
пе развития твердольной электроники является полупроводниковая.
5

ведение

Электроника находится в стадии интенсивного развития, для нее
характерно появление новых областей и создание новых направлений
в уже существующих областях. Одна из основных проблем, стоящих
перед электроникой, связана с требованием улучшения технических
параметров электронных систем с одновременным уменьшением их
габаритов и потребляемой энергии. Решение проблемы миниатюри­
зации электронной аппаратуры связано с современным этапом разви­
тия электроники — микроэлектроникой.
Микроэлектроника — это область электроники, охватывающая ис­
следование, конструирование, производство и применение электрон­
ных функциональных узлов, блоков и устройств в микроминиатюрном
интегральном исполнении. В курсе «Основы электроники» рассмо­
трены вопросы полупроводниковой электроники: физические осно­
вы, принцип действия и характеристики основных полупроводнико­
вых приборов.
Данное пособие может быть использовано для самостоятельного
изучения теоретического материала по курсу «Основы электриники»;
в конце каждой главы приведены контрольные тесты, ответы на кото­
рые даны в приложении.

6

1
Электропроводность
полупроводников.
Беспримесные и примесные
полупроводники
Особенности электропроводности твердых тел ► Носители заряда в беспримесных (чистых)
полупроводниках ► Носители заряда в примесных полупроводниках ► Токи в полупроводниках

олупроводники занимают по электропроводности промежу­
точное положение между металлами (проводниками электри­
ческого тока) и диэлектриками. Особенность электропровод­
ности полупроводников обусловливается спецификой распределения
по энергиям электронов атомов, которое характеризуется энергетиче­
ской диаграммой полупроводника.
В соответствии с принципами квантовой механики, электроны ато­
ма могут обладать определенными значениями энергии, т. е. находить­
ся на определенных энергетических уровнях, которые называются раз­
решенными (рис. 1.1).
В изолированном атоме существует конечное число энергетических
уровней, на каждом из них могут находиться одновременно не более
двух электронов. Электроны низших уровней сильно связаны с ато­
мом. По мере увеличения энергии уровня, занимаемого электроном,
эта связь ослабевает.
В качестве внешних воздействий, способных увеличивать энергию
электронов, могут быть:
• кванты тепла (фононы), иными словами — нагрев;

П

7

Э л еі

|.)о п р о в о д н о с г ь п о л у п р о в о д н и ко в. беспримесные и примесные полупроводники

• кванты света (фотоны), иными словами — освещение;
• электрическое поле;
• магнитное поле.

Рис. 1.1. Энергетическая диаграмма изолированного атома
В отсутствие внешних воздействий, атом находится в исходном
(невозбужденном) состоянии, при котором все низшие энергетиче­
ские уровни заняты электронами, а верхние — свободны.
При наличии внешних воздействий, электроны атома приобретают
дополнительную энергию и переходят на более высокие энергетиче­
ские уровни (возбуждение атома) или вовсе освобождаются от атома
и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация ато­
ма). При этом внешнему воздействию подвержены электроны высо­
ких энергетических уровней, слабее связанные с атомом.
Согласно квантовой теории, энергетическая диаграмма группы
близко расположенных однотипных атомов претерпевает изменения
по сравнению с изолированным атомом (рис. 1.2).
В результате взаимодействия атомов друг с другом, разрешенные
уровни энергии электронов соседних атомов смещаются, образуя близ­
ко расположенные смещенные уровни энергии — подуровни. Под­
уровни образуют так называемые зоны разрешенных уровней энергии,
которые отделены друг от друга запрещенными зонами. Число под­
уровней в каждой из разрешенных зон равно количеству атомов в груп­
8

пе (например, на рис. 1.2 показана энергетическая диаграмма для че­
тырех близко расположенных атомов).

Рис. 1.2. Энергетическая диаграмма группы
близко расположенных атомов

1.1. О с о б е н н о с т и
э л е к т р о п р о в о д н о с т и т в е р д ы х тел
На электропроводность твердого тела существенное влияние оказы­
вает расположение двух соседних зон разрешенных уровней энергии
в верхней части энергетической диаграммы (см. рис. 1.2). В зависимо­
сти от электронной структуры атома и строения кристаллической ре­
шетки, между соседними зонами разрешенных уровней энергии либо
может сохраниться запрещенная зона, либо ее может и не быть. Эти две
вероятности, а также ширина запрещенной зоны определяют три клас­
са кристаллических тел: проводники, диэлектрики и полупроводники.
На энергетических диаграммах (рис. 1.3) можно выделить две ха­
рактерные зоны разрешенных значений энергии: нижнюю (заполнен­
ную), она называется валентной зоной, и верхнюю (свободную), она
называется зоной проводимости.
9

1 Электропроводность полупроводников, эѳспримесныѳ и примесные полупроводники

а

б

в

Рис. 1.3. Энергетические диаграммы:
а — металл; б — полупроводник; в —диэлектрик

В отсутствие внешних воздействий на электроны (электрического
и магнитного полей, облучения квантами света, а также при Т= ОК),
все уровни энергии нижней зоны заполнены электронами, в верхней
зоне электронов нет.
Рассмотрим различие в электропроводности указанных трех клас­
сов кристаллических тел с точки зрения особенностей их энергетиче­
ских диаграмм.
В металлах зона проводимости непосредственно примыкает к ва­
лентной зоне (см. рис. 1.3, а). Электронам валентной зоны достаточ­
но сообщить весьма малую энергию, чтобы перевести их в зону сво­
бодных уровней. Поэтому уже при воздействии только электрического
поля, в металле имеется большое число свободных (не связанных с ато­
мами) электронов, которые и обеспечивают его высокую электриче­
скую проводимость.
В полупроводниках (см. рис. 13,6) свободная зона отделена от ва­
лентной зоны запрещенной зоной энергии AJ¥3. Величина AW3опреде­
ляет энергию (в электронвольтах), которую нужно сообщить электро­
ну, расположенному на верхнем энергетическом уровне в валентной
зоне, чтобы перевести его на нижний энергетический уровень в зоне
10

i.P. / іо с и т ѳ л и заряда в бѳапрі«іѳаных -чі іатьіх) полупроводниках

свободных уровней. Необходимость сообщения достаточной энергии
для преодоления запрещенной зоны затрудняет переход электронов
из валентной зоны в зону проводимости, что приводит к уменьшению
числа свободных электронов в полупроводнике по сравнению с метал­
лом и, как следствие, к уменьшению его электрической проводимости.
Способность преодоления электронами запрещенной зоны зави­
сит от внешних факторов. Особенно значительно влияние температу­
ры кристалла: с повышением температуры проводимость чистых по­
лупроводников возрастает.
Ширина запрещенной зоны кристаллических твердых тел, относя­
щихся к полупроводникам, не превышает 3 эВ (ДЖ3< 3 эВ). Их элек­
трическая проводимость возникает при температуре выше 80... 100 К.
Диэлектрики (см. рис. 1.3, в) отличаются от полупроводников бо­
лее широкой запрещенной зоной. У них АЖ3 > 3 эВ и может достигать
6. ..10 эВ. В связи с этим проводимость диэлектриков мала и становит­
ся заметной лишь при температуре не ниже 400...800 °С или сильных
электрических полях (пробой).

1.2. Н о с и т е л и з а р я д а в б е с п р и м е с н ы х
(чистых) п о л у п р о в о д н и к а х
Рассмотрим особенности образования носителей заряда в полупро­
водниках на примере германия и кремния, получивших наибольшее
распространение при изготовлении полупроводниковых приборов.
Германий и кремний принадлежат к IV группе Периодической си­
стемы элементов. На внешней оболочке их атомов находятся четы­
ре валентных электрона. Ширина запрещенной зоны германия равна
0,72 эВ, кремния — 1,12 эВ (ДЖ3 (Ge) = 0,72 эВ; ДЖ. (Si) = 1,12 эВ).
В отсутствие структурных дефектов и при Т= 0 К, четыре валентных
электрона внешней электронной оболочки каждого атома участвуют
в так называемых ковалентных связях с соседними атомами. Эти свя­
зи характеризуются перекрытиями внешней электронной оболочки
каждого атома с внешними электронными оболочками рядом распо­
ложенных четырех атомов кристалла. При таком перекрытии все че­
тыре электрона внешней оболочки атома участвуют в создании кова­
лентных связей с четырьмя соседними атомами.
11

. Элеі-дх-проводносгь полу пре-водников, эеспримѳсные и примесные полупроводники

Участие всех электронов атомов кристалла в создании ковалент­
ных связей между атомами свидетельствует о нахождении электронов
на уровнях энергии валентной зоны.
Повышение температуры кристалла вызывает увеличение энер­
гии фононов. При некоторой температуре энергия фонона становит­
ся достаточной для освобождения электрона от связей с атомами кри­
сталлической решетки. Валентный электрон освобождается от связей
и становится свободным (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Пример возникновения свободного электрона
и дырки в кристалле полупроводника
Освобождение электрона от связей с атомами соответствует на энер­
гетической диаграмме его переходу с уровня валентной зоны на уро­
вень зоны проводимости.
Свободный электрон способен изменять свою энергию и переме­
щаться между узлами кристаллической решетки под воздействием
электрического поля, т. е. участвовать в создании тока.
Образование свободного электрона сопровождается разрывом ко­
валентной связи между атомами и появлением в месте разрыва так на­
зываемой дырки (см. рис. 1.4). Отсутствие электрона в ковалентной
12

і.Р. і іоситѳли заряда о бѳапрі а і ѳсных -чі ядах) полупроводниках

связи равносильно появлению в данном месте положительного заря­
да, который и приписывают дырке.
На энергетической диаграмме образование дырки после перехо­
да электрона в зону проводимости отождествляют с появлением ва­
кантного уровня энергии в валентной зоне, позволяющего электро­
нам валентной зоны (находящимся в ковалентных связях с атомами)
изменять энергию под воздействием электрического поля, т. е. пере­
мещаться в кристалле от атома к атому и участвовать в создании тока.
Фактическое перемещение валентных электронов под воздействи­
ем внешнего электрического поля при их последовательном заполне­
нии образовавшегося разрыва ковалентной связи формально может
быть заменено движением дырки между узлами кристаллической ре­
шетки в противоположном направлении. Действительно, валентный
электрон, получив необходимую энергию, заполняет (компенсирует)
дырку с приближением к ней. Дырка исчезает, и восстанавливается
ковалентная связь у данного атома, но возникает новая дырка в той
ковалентной связи, откуда ушел электрон. Исчезновение дырки в од­
ном месте кристалла и ее появление в другом учитывают (условно) как
движение дырки (см. рис. 1.4).
Важность учета движения дырок как самостоятельных носителей за­
ряда обусловливается различием в подвижностях свободных электро­
нов и валентных электронов, перемещающихся по вакантным уров­
ням энергии.
При температуре выше абсолютного нуля переход из валентной
зоны в зону проводимости возможен у многих электронов. В резуль­
тате этого процесса, получившего название термогенерации носителей
заряда, в полупроводнике создается некоторая концентрация электро­
нов щ в свободной зоне и равная ей концентрация дырок р, в валент­
ной зоне (индекс «і» означает, что речь идет о чистых, беспримесных
полупроводниках). При этом nhpiназывают собственными концентра­
циями носителей заряда в полупроводнике. Концентрация носителей
заряда зависит от температуры кристалла, ширины запрещенной зоны
и определяется по выражению
W3

щ = Рі =Ае 2кТ ,

(1.1)

где А — коэффициент, значение которого зависит от рода кристалла;
к — постоянная Больцмана, к = 1,37*10 23Дж/К;
Т — абсолютная температура, К.
13

. Злеігропроводносгь полупроводников. эес п р имес ные и п р име с ные пол у п рс ■вс:д н ики

Таким образом, из выражения (1.1) можно сделать вывод, что
концентрация носителей заряда в беспримесном полупроводнике
и его электрическая проводимость увеличиваются с повышением
температуры и уменьшаются с ростом ширины запрещенной зоны.
Электроны и дырки являются подвижными частицами. Постоянство
их концентрации, определяемой из соотношения (1.1), при неизмен­
ной температуре обусловливается тем, что в любом элементе объема
полупроводника одновременно действуют два процесса: термогене­
рация носителей заряда, а также исчезновение электронов и дырок
за счет возвращения электронов из зоны проводимости на вакантные
уровни валентной зоны (рекомбинация носителей заряда). Соответ­
ствующая концентрация устанавливается из условия динамического
равновесия, при котором число вновь возникающих носителей заря­
да равно количеству рекомбинирующих носителей.

1.3.
Носители заряда
в примесных полупроводниках
При производстве полупроводниковых приборов помимо чистых
полупроводников, в частности чистых германия и кремния, являющих­
ся исходными материалами, используют примесные полупроводники.
Введение примеси связано с необходимостью создания в полупрово­
днике преимущественно электронной либо дырочной электропро­
водности и увеличения электрической проводимости в целом. В связи
с этим различают соответственно электронные («-типа) и дырочные
(p-типа) полупроводники.
По л у п р о в о д н и к п- тип а

Для получения полупроводника с электропроводностью «-типа,
в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в полупрово­
днике только свободные электроны. Вводимая примесь является «по­
ставщиком» электронов, в связи с чем ее называют донорной. Для гер­
мания и кремния, относящихся к IV группе Периодической системы
элементов, донорной примесью служат элементы У группы (сурьма
14

(Sb), фосфор (P), мышьяк (As)), атомы которых имеют пять валент­
ных электронов. При внесении такой примеси, атомы исходного по­
лупроводника в отдельных узлах кристаллической решетки замеща­
ются атомами примеси (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Пример возникновения свободного электрона
в кристалле полупроводника «-типа

Четыре электрона каждого атома донорной примеси участвуют в ко­
валентной связи с соседними атомами исходного материала, а пятый
(«избыточный») электрон, не участвующий в ковалентной связи, ока­
зывается значительно слабее связанным со своим атомом. Для того что­
бы оторвать его от атома и превратить в свободный носитель заряда,
требуется значительно менышее количество энергии, чем для освобож­
дения электрона из ковалентной связи. В результате приобретения та­
кой энергии (например, энергии фонона при комнатной температуре
кристалла) «избыточный» электрон покидает атом и становится сво­
бодным, а атом примеси превращается в положительный ион (иони­
зация атома примеси). Концентрация электронов в зоне проводимо­
сти (свободных электронов) при этом определяется преимущественно
концентрацией введенной примеси Na, а не собственными электрона­
ми валентной зоны, преодолевающими широкую запрещенную зону
А1Ѵ3. В соответствии с этим концентрация электронов п„ в полупровод­
нике «-типа существенно выше концентрации дырокр}„ образующей­
15

1. Электропроводность полупроводников. беспримесные и примесные полупроводники

ся в результате перехода электронов из валентной зоны в зону прово­
димости. Можно считать, что в полупроводнике д-типа ток создается
в основном электронами. Другими словами, электроны в этом случае
являются основными носителями заряда, а дырки — неосновными.
П о л у п р о в о д н и к р -т и п а

В полупроводниках д-типа введение примеси направлено на по­
вышение концентрации дырок. Задача решается путем использова­
ния в качестве примеси элементов III группы Периодической систе­
мы (индий (In), галлий (Ga), алюминий (А1), бор (В)), атомы которых
имеют по три валентных электрона (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Пример возникновения свободного электрона
в кристалле полупроводника р -типа

При наличии такой примеси каждый ее атом образует только три
заполненные ковалентные связи с соседними атомами исходного по­
лупроводника в кристаллической решетке. Четвертая связь остается
незаполненной. Недостающий валентный электрон, для заполнения
связи, принимается от одного из соседних атомов кристаллической ре­
шетки, т. к. требуемая для такого перехода энергия невелика. Переход
электрона приводит к образованию дырки в ковалентной связи сосед­
него атома, откуда ушел электрон, и превращению атома в неподвиж­
ный отрицательный ион. В результате этого, за счет примеси дости­
16

гается повышение концентрации дырок в полупроводнике. Атомы
примеси, принимающие валентные электроны соседних атомов, на­
зывают акцепторными, а саму примесь — акцепторной.
Концентрация дырок в валентной зоне в таком случае определяет­
ся преимущественно концентрацией внесенной акцепторной приме­
си Na, а не дырками, возникающими при термогенерации носителей
заряда за счет преодоления валентными электронами широкой запре­
щенной зоны АЖ,. В соответствии с этим концентрация дырокрр в по­
лупроводнике р-типа существенно больше концентрации свободных
электронов пр. По данной причине ток в дырочном полупроводнике
переносится в основном дырками. Дырки в этом случае являются ос­
новными носителями заряда, а электроны — неосновными.
Таким образом, в примесных полупроводниках концентрации
основных носителей заряда (п„ — электронного полупроводника
и Рр —дырочного полупроводника) создаются за счет внесения при­
меси, а концентрации неосновных носителей заряда (пр,р„ — соот­
ветственно электронного и дырочного полупроводников) — за счет
термогенерации носителей заряда, связанной с переходом электро­
нов из валентной зоны в зону проводимости.
Необходимая примесь вносится в количестве, при котором кон­
центрация основных носителей заряда существенно (на 2...3 поряд­
ка) превышает концентрацию неосновных носителей заряда. В зави­
симости от концентрации введенной примеси, удельная проводимость
примесного полупроводника возрастает по сравнению с чистым по­
лупроводником в десятки и сотни тысяч раз.
Характерной особенностью полупроводников рассматриваемых ти­
пов является то, что произведение концентраций основных и неоснов­
ных носителей заряда при данной температуре является постоянной
величиной и определяется по соотношениям
_т

п„Р„=Ррпр =ПіРі=А2е кТ,
где щ — собственные концентрации носителей заряда в чистом полу­
проводнике, П; = /?,-.
Зависимость концентрации носителей заряда от температуры накла­
дывает ограничения на температурный диапазон применения полупро­
водниковых приборов. Рабочий диапазон температур характеризуется
17

. Электропроводность полупроврднінов. эеспримесные и примесные полупроводники

существенным превышением в примесных полупроводниках концен­
трации основных носителей заряда над неосновными ( пк» рр, рр » пр)
при концентрации основных носителей заряда близкой к концентра­
ции внесенной примеси (пп ~ Лд;рр ~ NJ. При температурах, превыша­
ющих верхний температурный предел, причиной нарушения условия
пп ~ /Ѵд;рр ~ Naявляется повышение роли концентрации носителей за­
ряда, создаваемых в кристалле при термогенерации за счет преодоле­
ния валентными электронами запрещенной зоны АЖ... При этом может
оказаться, что концентрация носителей заряда и электрическая про­
водимость в полупроводнике будут определяться не по концентрации
внесенной примеси, а по концентрации собственных носителей заря­
да — электронов и дырок (вырождение примесного полупроводника
в собственный полупроводник). Верхний температурный предел за­
висит от ширины запрещенной зоны полупроводника и составляет
для германия 75...85 °С, а для кремния 150. ..170 °С. В этом проявляет­
ся существенное преимущество кремния как материала для полупро­
водниковых приборов.
При температуре ниже рабочего диапазона, концентрация неос­
новных носителей заряда, создаваемая термогенерацией, ничтожно
мала. Основную роль здесь играет понижение концентрации основ­
ных носителей заряда (и уменьшение электрической проводимости)
вследствие уменьшения количества ионизированных атомов приме­
си. Нижний температурный предел работы полупроводниковых при­
боров составляет —55...—60 °С.

1.4. Токи в п о л у п р о в о д н и к а х
Факторами, создающими упорядоченное движение носителей за­
ряда, т. е. обусловливающими электрический ток в кристалле полу­
проводника являются:
• электрическое поле;
• неравномерность распределения концентраций носителей
заряда.
В отсутствие электрического поля в кристалле и одинаковой кон­
центрации носителей заряда в объеме полупроводника, электроны
и дырки находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движе­
18

/А юки в полупроводниках

нии, распределенном по всем направлениям, и ток в кристалле равен
нулю.
Направленное движение носителей заряда под воздействием элек­
трического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воз­
действием разности концентраций носителей заряда — диффузией
(диффузионное движение). В зависимости от характера движения но­
сителей заряда различают соответственно дрейфовый и диффузион­
ный токи в полупроводниках, а в зависимости от типа носителей за­
ряда — электронные и дырочные составляющие этих токов.

1.4.1. Дрейфовый ток
Под воздействием электрического поля носители заряда перемеща­
ются в кристалле с некоторой средней скоростью цср, пропорциональ­
ной напряженности электрического поля Е:
( 1.2)

° с р ,= и Л
Коэффициент пропорциональности называют подвижностью элек­
тронов и дырок . Электроны перемещаются в направлении, про­
тивоположном действию поля, а дырки — в направлении действия
поля. Этим объясняется наличие знака минус в формуле (1.2). Так, для
германия ц„ = 3800 см2/(В • с); \ір = 1800 см2/(В • с), а для кремния
= 1300 см2/(В • с);
= 500 см2/(В-с).
Плотности дрейфовых составляющих тока в кристалле определя­
ются по величине заряда, переносимого носителями через единичное
сечение в единицу времени:
(1.3)
Л» Р=ЯР»сРР,

(1.4)

где q — заряд электрона;
п, р — концентрации электронов и дырок в объеме полупроводника.
Знак минус в выражении (1.4) означает, что принятому направ­
лению тока соответствует противоположное направление движения
электронов.
С учетом выражений (1.3) и (1.4) соотношения для плотностей дрей­
фового электронного и дырочного токов можно записать в виде
19

inек_роп ровод носгь полуп роводн и ков. эесп римесные и примесные полуп роводники

(1.5)
J№p=qp\ipE .

( 1 .6)

Суммарная плотность тока, протекающего через полупроводник
под действием электрического поля,
В чистых полупроводниках п = р , но ц„ примерно вдвое больше \ьр.
По этой причине в чистых полупроводниках электронная составляющая
плотности тока в то же число раз больше дырочной. В примесных же по­
лупроводниках концентрации п и р различаются на несколько поряд­
ков, в связи с чем в электронном полупроводнике дрейфовый ток обус­
ловливается преимущественно электронами, а в дырочном —дырками.

1.4.2. Влияние температуры
на плотность дрейфового тока
Из формул (1.5) и (1.6) следует, что плотность тока (проводимость)
полупроводников зависит от концентрации носителей заряда и их
подвижности. Подвижность носителей заряда уменьшается с ростом
температуры. Это объясняется повышением интенсивности тепловых
колебаний атомов в кристаллической решетке и увеличением вероят­
ности столкновений с ними электронов и дырок. В чистых полупро­
водниках, несмотря на снижение подвижности носителей, плотность
тока и проводимость увеличиваются с ростом температуры вследствие
повышения концентрации носителей заряда. В примесных полупро­
водниках в рабочем диапазоне температур концентрация носителей
заряда мало изменяется, т. к. ее определяет главным образом концен­
трация основных носителей заряда, созданная примесью (все атомы
примеси ионизированы). В связи с этим плотность тока и проводи­
мость здесь с ростом температуры несколько уменьшаются вследствие
уменьшения подвижности.

1.4.3. Диффузионный ток
Диффузионное движение носителей заряда возникает, когда име­
ется различие в концентрации электронов (дырок) в соседних сло­
ях полупроводника. Носители заряда перемещаются из слоя с боль­
20

9С7ы / главе

шей концентрацией в слой с меньшей концентрацией. Если в данном
слое постоянно поддерживается более высокая концентрация носи­
телей заряда, чем в соседнем с ним слое, то создается непрерывный
диффузионный поток носителей заряда в направлении убывания кон­
центрации.
Плотности потоков носителей заряда пропорциональны градиен­
ту их концентрации. При одномерной диффузии (когда концентрация
вдоль оси * падает: dn/dх < 0 или dp/dx < 0) их находят из соотношений:
dn
dx ’
dp
диф p
dx ’
где Dn, Dp — коэффициенты диффузии электронов и дырок, см2*б
./ с.
Коэффициенты диффузии равны числу носителей заряда, диф­
фундирующих за 1 с через площадку в 1 см2 при единичном градиен­
те концентрации.
дифи

=QDn

Т ес т ы к г л а в е 1

1. Изменение какого парам етра влияет на концентрацию со б ­
ственных носителей заряда в полупроводнике?

Варианты ответов:
а. Температура.
б. Постоянная Больцмана.
в. Длина полупроводниковой пластины.
г. Ширина запрещенной зоны.
2. Насколько в примесном полупроводнике концентрация о с ­
новных носителей заряда должна превышать концентрацию неос­
новных?

Варианты ответов:
а. На 10-20.
б. На два-три порядка.
в. В сто — тысячу раз.
г. На 500-1000.
21

Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники

3.
Как называется направленное движение носителей заряда
под воздействием электрического поля?

Варианты ответов:
а. Дрейф.
б. Диффузия.
в. Градиент.
г. Подвижность.

22

2
Полупроводниковые диоды
Электрические процессы в р-п переходе при отсутствии внешнего напряжения
► Электрические процессы в р-п переходе при наличии внешнего напряжения
► Пробой р-п перехода ► Емкости р-п перехода ► Стабилитроны

Д

иодами называют двухэлектродные элементы электрической
цепи, обладающие односторонней проводимостью тока.
В полупроводниковых диодах односторонняя проводимость
обусловливается применением полупроводниковой структуры, со­
четающей в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (р),
а другой — электронной (п) электропроводностью (рис. 2.1, а). Обо­
значение диода на электронных схемах и его упрощенная (идеальная)
вольт-амперная характеристика (ВАХ) показаны на рис. 2 .1 6 , в.
а

б

в

,

VD

ак

Рис. 2.1. Полупроводниковый диод:
а — структура; б — условное графическое обозначение;
в — идеальная вольт-амперная характеристика

Принцип действия полупроводникового диода основывается
на специфике процессов, протекающих на границе раздела р- и «-слоев,
в так называемом электронно-дырочном переходе (р-п переход).
23

2. Полупроводниковые диоды

2.1. Э л е к т р и ч е с к и е п р о ц е с с ы в р - п п е р е х о д е
п ри о т с у т с т в и и в н е ш н е г о н а п р я ж е н и я
В германиевых и кремниевых диодах двухслойная р-п структура
(рис. 2.2, а) создается путем введения в один из слоев монокристалла
акцепторной примеси, а в другой — донорной.

j

-------------------

jд

Рис. 2.2. Образованиеp-n перехода:
а —p-n структура полупроводника; б —распределение концентраций носителей
зараяда; в — составляющие плотности диффузионного тока; г — возникновение
объемных зарядов; д — внутреннее электрическое поле с потенциальным
барьером j 0; е — составляющие плотности дрейфового тока
24

in ряжен ия

Распределение концентраций носителей заряда для простейшего
случая, когда Na = TV,, показано на рис. 2.2, б. На практике наиболь­
шее распространение получили р-п структуры с неодинаковой кон­
центрацией внесенных акцепторной Naи донорной ІѴДпримесей, т. е.
с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях
пп ~ ТѴД; рр ~ N a. Типичными являются структуры с Лта ;» N a (рр з> пп).
В р-п структуре, на границе раздела слоев, возникает разность кон­
центраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являют­
ся основными, в другом — неосновными (см. рис. 2.2, б). В пригра­
ничной области, под действием разности концентраций, возникает
диффузионное движение основных носителей заряда во встречном на­
правлении через границу раздела. Дырки из ^-области диффундиру­
ют в «-область, электроны из «-области — в ^-область (см. рис. 2.2, в).
Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда
через границу раздела слоев является появление в приграничных об­
ластях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так,
при уходе дырок из р -слоя, в нем создается нескомпенсированный
отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных
ионов акцепторных атомов примеси. Электроны же, ушедшие
из «-слоя, оставляют здесь нескомпенсированный положительный
объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных
атомов примеси (рис. 2.2, г).
Наличие объемного заряда является главной особенностью р-п пере­
хода. Из-за наличия объемного заряда, в р-п переходе создается элек­
трическое поле с потенциальным барьером ф0 (см. рис. 2.2, д), кото­
рое создает тормозящее действие для основных и ускоряющее — для
неосновных носителей заряда, т. е. внутреннее электрическое поле
приводит к уменьшению плотности диффузионного тока / диф через
переход и появлению встречного ему дрейфового тока плотностью J№
(см. рис. 2.2, е). Дрейфовый ток имеет направление, противоположное
направлению диффузионного тока. Вследствие этого обеспечивается
равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направ­
лениях, т.е. равенство нулю суммарного тока в отсутствие внешнего
электрического поля.
Величина потенциального барьера ф0(называемого также контакт­
ной разностью потенциалов) зависит от соотношения концентраций
носителей заряда одного знака по обе стороны перехода
25

2. Полупроводниковые диоды

, Рр
ргЯ
■

, Пп
пр

Ф0 =ФГ ІП — =ФГ In —

где фг — тепловой потенциал, В,
кТ
Ф г= ---- .

Q
Здесь к — постоянная Больцмана;
Т — абсолютная температура, К;
q — заряд электрона, Кл.
При комнатной температуре для германия ф0(Ge) = 0,3. ..0,5 В, а для
кремния фо (Si) = 0,6...0,8 В.
В условиях динамического равновесия, уменьшение концентрации
неосновных носителей заряда за счет их ухода черезр-п переход будет
постоянно восполняться носителями того же знака за счет их диффу­
зии из противоположных слоев.

2.2. Э л е к т р и ч е с к и е п р о ц е с с ы
в р - п п е р е х о д е п ри н а л и ч и и
внешнего напряжения
Подключение к р-п структуре внешнего напряжения (напряжения
смещения) приводит к изменению условий переноса заряда через р-п
переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего
напряжения, с которой оно прикладывается к р-п переходу.

2.2.1. Прямая ветвь вольт-амперной
характеристики диода
Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к р-п
структуре в прямом направлении, т. е. плюсом источника к выводу
^-области, а минусом источника к выводу л-области (рис. 2.3). При та­
ком подключении источника создаваемое им электрическое поле на­
правлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приво­
дит к уменьшению результирующего поля в р-п переходе. Объемный
заряд обоих знаков, сосредоточенный в переходе по разные стороны
26

zz

Элоісгричг

гы в p-n переходе

пичі

ni

внешнего н

границы раздела, будет определяться не только по величине ф0, обу­
словливаемой, как было показано, диффузионным движением носите­
лей заряда под действием разности их концентраций в приграничных
слоях, но и по внешнему напряжению Unv. Объемному заряду в пере­
ходе будет отвечать напряжение (ср0 — £7пр) меньшее, чем в отсутствие
внешнего источника. Величина (ср0 — £/пр) определяет высоту потен­
циального барьера в р -n переходе при включении внешнего напряже­
ния в прямом направлении. Уменьшение объемного заряда (потенци­
ального барьера) проявляется в сужении р-п перехода.

Рис. 2.3. Полярность подключения внешнего напряжения
в прямом направлении:
а — структура р -n перехода; б — обозначение диода

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных
носителей заряда под действием диффузии через границу раздела в со­
седние области, что приводит к увеличению диффузионного тока че­
рез р -n переход. Указанное явление называют инжекцией носителей
заряда через р -n переход.
Вместе с тем дрейфовый ток через р -n переход, создаваемый по­
токами неосновных носителей заряда, остается без изменения. Раз­
ность диффузионного и дрейфового токов определяет результиру­
ющий прямой ток через р -n переход (прямой ток диода). Плотность
прямого тока будет
*^пр = ^диф “ ^др •

(2-1)

С повышением приложенного внешнего напряжения, диффузион­
ный ток увеличивается, в связи с чем возрастает прямой ток через р-п
переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характери­
стики р -n перехода (диода) показан на рис. 2.4.
В кремниевых диодах значение ф0 больше, чем в германиевых. Это
является одной из причин большего падения напряжения Д[/||рв крем­
27

2. П0гуіС"0Еі0Д-,К03эіе Д/ІОДэІ

ниевых диодах (0,8... 1,2 В) по сравнению с германиевыми диодами
(0,3...0,6 В) при протекании тока в прямом направлении.

Рис. 2.4. Прямая ветвь вольт-амперной характеристики диода

2.2.2. Обратная ветвь вольт-амперной
характеристики диода
Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение подключено к р-п
структуре в обратном направлении, т. е. плюсом источника к выводу
«-области, а минусом источника к выводур -области (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Полярность подключения внешнего напряжения
в обратном направлении:
а — структура р-п перехода; б — обозначение диода

При таком подключении источника внешнего напряжения, созда­
ваемое им электрическое поле сонаправлено с внутренним полем пе­
рехода, что приводит к увеличению результирующего поля. Потен­
циальный барьер фовозрастает на величину £/обр и становится равным
(фо + Uo6р). При этом увеличивается объемный заряд в р-п переходе и его
28

\.yj :ЫКi (.уИЧѲі 'КИѲ і п.Х.)ЦЫІ'і'ЬІ U

і і :Ы(..)ЫХі.'£ІЫ i if. )И r-КІГИЧИИ U^tiLU H ti: i.) !~KX (.у'Я/:\ЬХ~! ИЯ

ширина. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение
черезр-п переход основных носителей заряда, вследствие чего диффу­
зионный ток, создаваемый этими носителями, уменьшается. Дрейфо­
вый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей
заряда по обе стороны перехода, можно считать неизменным. Одна­
ко теперь он будет превышать диффузионный ток. Через диод будет
протекать ток в обратном направлении (рис. 2.6):
( 2.2)

i

Го

ак

II

-и

оо\

Гбр *^др 'Гиф '

1
-/

Рис. 2.6. Обратная ветвь вольт-амперной характеристики диода
При небольших обратных напряжениях (участок 0—1) увеличение
обратного тока происходит за счет уменьшения диффузионной состав­
ляющей. При обратном напряжении, соответствующем т. 1 и большем,
основные носители заряда неспособны преодолеть потенциальныйба­
рьер, в связи с чем диффузионный ток равен нулю. Этим объясняет­
ся отсутствие роста обратного тока при увеличении обратного напря­
жения (участок характеристики левее т. 1).
Обратный ток, создаваемый неосновными носителями заряда, за­
висит от их концентраций в р- и я-слоях, а также от рабочей поверх­
ности р-п перехода. Этим объясняется тот факт, что в мощных дио­
дах, имеющих большую площадь р-п перехода, обратный ток больше,
чем в маломощных.
Поскольку концентрация неосновных носителей заряда согласно
выражению (1.1) является функцией температуры кристалла, обратный
ток диода также зависит от температуры. По данной причине обрат­
ный ток иногда называют тепловым. Увеличение обратного тока с ро­
стом температуры происходит по примерно экспоненциальному закону.
Кроме того, согласно выражению (1.1) концентрация неосновных
носителей заряда уменьшается с ростом ширины запрещенной зоны
29

2. Полупроводниковые pi юры

на энергетической диаграмме полупроводника. Ширина запрещенной
зоны в кремнии (1,12 эВ) больше, чем в германии (0,72 эВ). В силу это­
го обратный ток в кремниевых диодах на несколько порядков мень­
ше, чем в германиевых, и кремниевые диоды допускают эксплуата­
цию при более высокой температуре полупроводниковой структуры
(135...140 °С против 50...60 °С у германиевых диодов). Отметим также,
что кремниевые диоды применимы при более высоких обратных на­
пряжениях, чем германиевые (2500...3500 В против наибольших зна­
чений 500...600 В у германиевых диодов).

2.2.3. Полная вольт-амперная
характеристика диода
Полная вольт-амперная характеристика полупроводниково­
го диода приведена на рис. 2.6. От характеристики идеального дио­
да (см. рис. 2.1, в) она отличается некоторым падением напряжения
на приборе при пропускании прямого тока и наличием обратного тока
в случае приложения обратного напряжения.

Рис. 2.6. Упрощенная вольт-амперная характеристика диода
Прямой ток диода создается основными, а обратный — неоснов­
ными носителями заряда. Концентрация основных носителей заря­
да на несколько порядков превышает концентрацию неосновных
носителей. Этим и обусловливаются свойства односторонней про­
водимости р-п перехода, а следовательно, и диода.
30

''Іробсй р-п п е р и о д а

2.3. П р о б о й р - п п е р е х о д а
В проведенном анализе, позволяющем главным образом объяснить
принцип действия полупроводникового диода, не учитывались неко­
торые факторы, отражающиеся на его реальной вольт-амперной ха­
рактеристике.
На обратную ветвь вольт-амперной характеристики диода оказы­
вают влияние два фактора:
• ток утечки через поверхность р-п перехода;
• генерация носителей заряда, которая является причиной воз­
можного пробоя р-п перехода.
Оба фактора приводят к тому, что обратная ветвь вольт-амперной
характеристики диода принимает вид, показанный на рис. 2.7.

Рис. 2.7. Обратная ветвь вольт-амерной характеристики диода
с учетом дополнительных факторов
Ток утечки связан линейной зависимостью с обратным напряжени­
ем UaK. Он создается различными загрязнениями на внешней поверх­
ности р-п структуры, что повышает поверхностную электрическую
проводимость р-п перехода и обратный ток через диод. Эта составля­
ющая обратного тока обусловливает появление наклонного участка
1—2 на характеристике диода (рис. 2.7).
Влияние генерации носителей заряда в р-п переходе обычно ска­
зывается при повышенных обратных напряжениях. Оно проявляет­
ся сначала в нарушении линейной зависимости изменения обратного
тока от напряжения —UaK(участок 2—3), а затем в резком возрастании
31

2. Полупроводниковые диоды

обратного тока (участок 3—5), характеризующем пробойр-п перехода.
В зависимости от причин, вызывающих появление дополнитель­
ных носителей заряда в/5-я-переходе, различают:
• электрический пробой, который может быть лавинным или тун­
нельным;
• тепловой пробой.
Рассмотрим эти виды пробоя.

2.3.1. Электрический пробой
Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением носителей
в р-п переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми но­
сителями заряда. Он происходит следующим образом.
Неосновные носители заряда, поступающие в р-п переход при дей­
ствии обратного напряжения, ускоряются полем и при движении в нем
сталкиваются с атомами кристаллической решетки. При соответству­
ющей напряженности электрического поля, носители заряда приоб­
ретают энергию, достаточную для отрыва валентных электронов. При
этом образуются дополнительные пары носителей заряда — электро­
ны и дырки, которые, ускоряясь полем, при столкновении с атомами
также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс
носит лавинный характер.
Лавинный пробой возникает в широких р-п переходах, где при дви­
жении под действием электрического поля носители заряда, встреча­
ясь с большим количеством атомов кристалла, в промежутке между
столкновениями приобретают достаточную энергию для их ионизации.
В основе туннельного пробоя лежит непосредственный отрыв ва­
лентных электронов от атомов кристаллической решетки под действи­
ем сильного электрического поля. Образующиеся при этом дополни­
тельные носители заряда (электроны и дырки) увеличивают обратный
ток через р-п переход. Туннельный пробой развивается в узких р-п пе­
реходах, где при сравнительно небольшом обратном напряжении име­
ется высокая напряженность поля.
Лавинный и туннельный пробои сопровождаются появлением поч­
ти вертикального участка 3—4 на обратной ветви вольт-амперной ха­
рактеристики (см. рис. 2.7). Причина этого заключается в том, что
небольшое повышение напряжения на р-п переходе вызывает более ин­
тенсивную генерацию в нем носителей заряда при лавинном или тун­
32

:перехода

нельном пробое. Оба эти вида пробоя являются обратимыми процес­
сами. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при
своевременном снижении напряжения его свойства сохраняются.

2.3.2. Тепловой пробой
Тепловой пробой возникает в результате интенсивной термогене­
рации носителей в р-п переходе при недопустимом повышении тем­
пературы. Процесс развивается лавинообразно и, ввиду неоднородно­
сти р-п перехода, обычно носит локальный характер. Лавинообразное
развитие теплового пробоя обусловливается тем, что увеличение чис­
ла носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увели­
чение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев участка
р-п перехода. Процесс является необратимым и заканчивается рас­
плавлением этого участка и выходом прибора из строя.
Тепловой пробой также может произойти в результате перегре­
ва отдельного участка р-п перехода вследствие протекания большо­
го обратного тока при лавинном или туннельном пробое (участок
4—5 на рис. 2.7). В этом случае тепловой пробой оказывается следствием
недопустимого повышения обратного напряжения (перенапряжения).
Велика вероятность наступления теплового пробоя при общем пе­
регреве р-п перехода из-за ухудшения, например, условий теплоотвода.
Вследствие этого он может произойти при меньшем напряжении —UaK,
минуя стадии лавинного или туннельного пробоя. В паспорте на при­
бор указывается допустимое обратное напряжение £7^ доп (см. рис. 2.7)
и температурный диапазон работы для того, чтобы учитывать возмож­
ность теплового пробоя р-п перехода. Величина допустимого обрат­
ного напряжения устанавливается с учетом исключения возможности
электрического пробоя и составляет (0,5...0,8)0^.

2.А. Е м к о с т и р - п п е р е х о д а
Емкостьр-п перехода равна сумме барьерной и диффузионной емкостей.
Барьерная (или зарядная) емкость характеризуется сосредоточени­
ем по обе стороны границы раздела р- и я-слоев объемных зарядов,
создаваемых ионами примесей. Физическим аналогом барьерной ем­
кости приближенно может служить емкость плоского конденсатора.
33

2. Полупроводниковые риоры

Барьерная емкость зависима от протекания тока через р-п переход
вследствие изменения объемньж зарядов (а следовательно, ширины р-п
перехода) при изменении напряжения на переходе. Зарядная емкость
возрастает с уменьшением толщины р-п перехода, т.е. при снижении
обратного напряжения. Она выше при прямых напряжениях, чем при
обратных. Величина барьерной емкости зависит от площади р-п пере­
хода и может составлять десятки и сотни пикофарад. Зависимость ба­
рьерной емкости р-п перехода от обратного напряжения используется
в варикапах (параметрических диодах), применяемых в качестве кон­
денсаторов переменной емкости, управляемых напряжением.
Диффузионная емкость обусловливается изменением суммарных
зарядов неравновесных электронов и дырок соответственно слева
и справа от р-п перехода в результате изменения напряжения на нем.
Поскольку эти заряды создаются за счет диффузии (инжекции) но­
сителей через р-п переход, диффузионную емкость следует учитывать
при прямом напряжении смещения. В несимметричных р-п перехо­
дах, для которых рр » пп, диффузионная емкость определяется пре­
имущественно по суммарному заряду неравновесных дырок в л-слое,
величина которого изменяется при изменении прямого напряжения.
Величина диффузионной емкости зависит от протекающего через
р-п переход прямого тока и может составлять сотни и тысячи пикофа­
рад, т.е. она существенно больше барьерной емкости.
Т аким о б р а зо м , при прям ы х н ап р я ж ен и я х см ещ ен и я , ем к ость

р-п п е р е х о д а о п р е д е л я е т с я в о с н о в н о м д и ф ф у з и о н н о й е м к о с т ь ю ,
а п р и о б р а т н ы х н а п р я ж е н и я х , когда д и ф ф у з и о н н а я е м к о ст ь р авн а
н у л ю , — б а р ь е р н о й ем к о с т ь ю .

2.5. С т а б и л и т р о н ы
Стабилитроны — полупроводниковые диоды, напряжение на кото­
рых в области электрического пробоя слабо зависит от тока (в рабо­
чем его диапазоне), предназначенные для стабилизации напряжения.
В полупроводниковых стабилитронах (рис. 2.8) используется свой­
ство незначительного изменения обратного напряжения на р-п пере­
ходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое (рис. 2.9).
34

'тяб:■;лиr/л■.■■нi>,

VD

Рис. 2.8. Обозначение стабилитрона

Рис. 2.9. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового стабилитрона
Участок 1-2 обратной ветви (рис. 2.9) является рабочим участком
вольт-амперной характеристики полупроводникового стабилитрона.
Стабилитрон включается параллельно нагрузке RHв обратном на­
правлении (рис. 2.10).
^огр

Рис. 2.10. Схема включения стабилитрона
35

2. Полупроводниковые диоды

Основными параметрами стабилитрона являются:
• напряжение стабилизации ист. Это главный параметр прибора.
истравно напряжению пробоя ипр;
• минимальный ток стабилитрона / сттіп.
Т. 1 на характеристике соответствует минимальному току ста­
билитрона /ст.^п, при котором наступает пробой. Необходимость
получения малого значения этого тока является одной из при­
чин выполнения стабилитронов из кремния;
• максимальный ток стабилитрона / с1,тах. Это значение тока ста­
билизации, достижение которого еще не грозит тепловым про­
боем p-n перехода;
• динамическое сопротивление гд.
Динамическое сопротивление является параметром, опреде­
ляющим наклон рабочего участка характеристики,
. _AUr
д А/
• температурный коэффициент нестабильности напряжения а н
(ТКН). Он является показателем зависимости напряжения ист
от температуры. Он определяет изменение в процентах напряжения
истпри изменении температуры окружающей среды на 1 °C. Для
кремниевых стабилитронов ТКН может быть положительным
или отрицательным и составлять в зависимости от типа прибора
0,0005...0,2 %/°C.
Если единица измерения ТКН —процент на градус Цельсия ( %/°C),
то формула будет
ан

— AU^L .100%;
U
^ с т A Tст

если формула измерения ТКН — милливольт на градус Цельсия
(мВ/°С), то
AU„
а н = ----ст
н АТ

36

Т ес т ы к г л а в е 2
1. Какое действие оказывает внутреннее электрическое поле
р -п перехода на основные носители заряда?
Варианты ответов:
а. Ускоряющее.
б. Замедляющее.
в. Не оказывает действия.
2. Какими носителями заряда создается прямой ток диода?
Варианты ответов:
а. Основными.
б. Неосновными.
в. Электронами.
г. Дырками.
3. Какой тип пробоя р -п перехода может стать следствием недо­
пустимого повышения обратного напряжения на диоде?
Варианты ответов:
а. Тоннельный.
б. Лавинный.
в. Тепловой.
4. Каким образом стабилитрон включается в схеме относитель­
но нагрузки?
Варианты ответов:
а. Параллельно нагрузке в любом направлении.
б. Последовательно с нагрузкой.
в. Параллельно нагрузке в прямом направлении.
г. Параллельно нагрузке в обратном направлении.

37

3
Биполярные транзисторы
Общие положения ► Принцип действия транзистора и его основные параметры ► Статические
вольт-амперные характеристики транзистора ► Параметры схем включения биполярного
транзистора ► Режим переключения биполярного транзистора в схеме с общим эмипером

3.1. О б щ и е п о л о ж е н и я
иполярный транзистор — полупроводниковый прибор с двумя
или несколькими взаимодействующимир-п переходами и тре­
мя (или более) выводами, усилительные свойства которого об­
условлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носите­
лей заряда. Транзистор называется биполярным, поскольку в работе
прибора участвуют одновременно два типа носителей заряда — элек­
троны и дырки.
Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полу­
проводниковую структуру с чередующимся типом электропроводно­
сти слоев и содержит два р-п перехода. В зависимости от чередования
слоев существуют транзисторы типов р-п-р и п-р-п (рис. 3.1).
Трехслойная транзисторная структура типа р-п-р показана
на рис. 3.1, а. Пластина полупроводника п-типа является основани­
ем конструкции, отсюда и название слоя — база (Б). Два наружных
p -слоя создаются в результате диффузии в них акцепторной приме­
си при сплавлении их с соответствующим материалом. Один из сло­
ев называется эмиттером (Э), а другой — коллектором (К). Так же на­
зываются внешние выводы от этих слоев. Соответственно р-п переход
между эмиттером и базой называется эмиттерным, а между коллекто­
ром и базой — коллекторным.

Б

38

а

о

К

ѴТ

к

FD

п

р

э

к _

Б

р
Б

Рис. 3.1. Структура и обозначение биполярных транзисторов:
а — тип р-п-р; б — тип п-р-п

Функция эмиттерного перехода — инжектирование (эмигрирова­
ние) носителей заряда в базу, функция коллекторного перехода —
сбор носителей заряда (экстракция), прошедших через базовый слой.
В транзисторах типа п-р-п (см. рис. 3.1, б) функции всех трех сло­
ев и их названия аналогичны, изменяется лишь тип носителей заря­
да, проходящих через базу: в приборах типа р-п-р это дырки, в прибо­
рах типа п-р-п — электроны.

3.2. П р и н ц и п д е й с т в и я т р а н з и с т о р а
и его о с н о в н ы е п а р а м е т р ы
Каждый из р-п переходов транзистора может быть смещен либо
в прямом, либо в обратном направлении. В зависимости от этого раз­
личают четыре режима работы транзистора (рис. 3.2).
Управление транзистором наиболее эффективно осуществляет­
ся в нормальном активном режиме. При этом транзистор выполняет
функции активного элемента электрической цепи: усиление, генери­
рование, переключение и т. д. В режимах отсечки и насыщения управ­
ление транзистором практически отсутствует.
39

,5.

эиполярные

транзисторы

Рис. 3.2. Режимы работы биполярного транзистора
Принцип действия биполярного транзистора рассмотрим на при­
мере структуры типар-п-р (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Транзисторная структура типа р-п-р

В нормальном активном режиме внешние напряжения подклю­
чают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение
эмиттерного перехода в прямом направлении, а коллекторного пере­
хода — в обратном. Это достигается с помощью двух источников на­
пряжения и э6 и ІІкб (см. рис. 3.3). Напряжение 1/эб подключается по­
ложительным полюсом к эмиттеру относительно базы, напряжение
40

тора

рам

UK6 — отрицательным полюсом к коллектору относительно базы (схе­
ма с общей базой — п. 3.3). Изучим процессы, протекающие в эмиттерном переходе, базовом слое и коллекторном переходе транзистора.
При подключении напряжения U&, коллекторный переход смеща­
ется в обратном направлении, что приводит к появлению неуправляе­
мой составляющей тока коллектора 0, обусловленной протеканием
обратного тока коллекторного перехода, который создается дрейфом
неосновных носителей заряда из близлежащих областей обратно вклю­
ченного р-п перехода. Появление объясняется тем, что внутреннее
электрическое поле коллекторного перехода оказывает тормозящее
действие на основные носители заряда и ускоряющее — на неосновные
носители, т.е. «притягивает» дырки, находящиеся в базовом «-слое,
и «перебрасывает» их через р-п переход в коллектор (см. пп. 2.3.2).
Таким образом, функция коллекторного перехода и процессы
в коллекторном переходе сводятся к экстракции неосновных носи­
телей заряда базы (дырок) из базы в коллектор.
Поскольку в эмиттерном переходе внешнее напряжение (7эб дей­
ствует в прямом направлении, основные носители заряда (дырки об­
ласти эмиттера) под действием диффузии будут переходить (инжекти­
ровать) из эмиттера в область базы. Также увеличится диффузионный
поток электронов (основных носителей заряда области базы) в эмит­
тер. Ток эмиттерного перехода и цепи эмиттера можно записать в виде
h = h P+

>

где / э — ток эмиттера;
Іэр — дырочная составляющая тока эмиттера;
/ э„ — электронная составляющая тока эмиттера.
Дырочная составляющая тока Іэр создается потоком дырок, пере­
ходящих из эмиттера в базу. Большинство дырок в последующем до­
стигает коллектора и создает коллекторный ток транзистора / к. Элек­
тронная составляющая тока / э„ обусловлена движением электронов
из базы в эмиттер. Она замыкается по входной цепи через источник
Ь\0 и не участвует в создании тока коллектора.
Таким образом, функция эмиттерного перехода и процессы в эмит­
терном переходе сводятся к инжекции носителей заряда (дырок) в базу.
41

з. Биполярные “ ронзисторы

Одним из важнейших показателей эффективности работы эмит­
терного перехода является так называемый коэффициент инжекции
Y, показывающий, какую часть от полного эмиттерного тока состав­
ляет его дырочная составляющая,
Y

I эр
L

Если говорить о качестве эмиттерного перехода, необходимо, что­
бы электронная составляющая эмиттерного тока Іэп была существенно
меньше его дырочной составляющей Іэр. Это достигается в результате
значительного (на два-три порядка) превышением концентрации ос­
новных носителей заряда (дырок) в эмиттере над концентрацией ос­
новных носителей заряда (электронов) в базе. Типовые значения ко­
эффициента инжекции у = 0,97...0,995.
Наличие дырок и электронов в базе приводит к тому, что в про­
цессе диффузии некоторая часть дырок рекомбинирует с электро­
нами. В результате актов рекомбинации количество дырок, дошед­
ших до коллектора, не будет равно количеству дырок, поступивших
из эмиттера, и, следовательно, дырочная составляющая коллекторно­
го тока Ікр (см. рис. 3.2) будет меньше дырочной составляющей эмит­
терного тока Іэр. Вследствие рекомбинации некоторого числа дырок
с электронами в процессе их движения через базу, концентрация ды­
рок уменьшается. В соответствии с этим запишем соотношение для
дырочной составляющей тока коллектора
кр

эр

эрек 5

где Ікр — дырочная составляющая коллекторного тока;
Іэрек —рекомбинационная составляющая тока эмиттера, вызванная
потерей дырок в базе на рекомбинацию.
Для определения части дырок, прошедшей из эмиттера в коллек­
тор, вводят коэффициент переноса б, который равен отношению ды­
рочной составляющей коллекторного тока к дырочной составляющей
эмиттерного тока,
кр

кр

Желательно, чтобы величина Іэрек была как можно меньше, или,
иными словами, чтобы значение коэффициента б как можно мень42

TCjC'1-ч

V' ѲГО OCHQPhih!^

^ОГ^ѴІѲ~^~0N

ше отличалось от единицы. Способы приближения коэффициента б
к единице направлены на сокращение потерь дырок в базе за счет ак­
тов рекомбинации. Для сокращения времени нахождения дырок в базе
и увеличения скорости их прохождения через нее, базу делают тонкой
и бедной основными носителями заряда. Кроме всего перечисленно­
го, площадь коллекторного перехода делают в разы больше площади
эмиттерного перехода. Типовые значения коэффициента б для тран­
зисторов лежат в пределах 0,96...0,996.
Коллекторный ток транзистора / к, обусловленный дырочной со­
ставляющей Ікр (см. рис. 3.3, а), связан с током эмиттера / э коэффи­
циентом передачи тока эмиттера а
(3.1)
Покажем связь всех трех коэффициентов у, б и а, для чего домножим
числитель и знаменатель равенства (3.1) на / эр, в результате получим
a =[w [3L= 5
Следовательно, коэффициент а тем ближе к единице, чем меньше
отличаются от единицы коэффициенты у и б.
Основное соотношение для токов транзистора составляется по пер­
вому закону Кирхгоффа:
(3.2)
L — L + Lб>
If\

С
Iv

1эрек
іѵп
кр

zk60 >

ілzkс60 *

С учетом выражений (3.1) и (3.2) токи /ки /бможно выразить через /.;
Ік

Cc7g "Ь Tjjgg,

~ (1 —

—^Kgg.

Управляющее свойство биполярного транзистора, характеризующее
изменение выходного (коллекторного) тока / кпод действием подводи­
мого входного тока / э (т. е. напряжения U.^), обусловливается измене­
нием дырочной составляющей коллекторного тока / крза счет измене­
ния дырочной составляющей эмиттерного тока / эр (рис. 3.3).
43

6. di іполррные дюнзисгоры

Таким образом, принцип действия биполярного транзистора ос­
нован на создании транзитного (проходящего) потока носителей за­
ряда из эмиттера в коллектор через базу и на управлении коллектор­
ным (выходным) током за счет изменения эмиттерного (входного)
тока. Следовательно, биполярный транзистор управляется током.

3.3. С т а т и ч е с к и е в о л ь т - а м п е р н ы е
характеристики транзистора
Существует три способа включения транзистора:
• с общей базой (ОБ) (рис. 3.4, а, б);
• общим эмиттером (ОЭ) (рис. 3.4, в, г);
• общим коллектором (ОК) (рис. 3.4, д, ё).

Рис. 3.4. Схема с общей базой (а, б), с общим эммитром (в, г),
с общим коллектором (д, e) (URL: https://clck.ru/s4oKC)
44

TpOh

О способе включения с общей базой говорилось при рассмотрении
принципа действия транзистора. Различие в способах включения зави­
сит от того, какой из выводов транзистора является общим для вход­
ной и выходной цепей. В схеме ОБ общей точкой входной и выходной
цепей является база, в схеме ОЭ — эмиттер, в схеме ОК — коллектор.
В силу того что статические характеристики транзистора в схемах ОЭ
или ОК примерно одинаковы, далее рассматриваются характеристи­
ки только для двух способов включения: ОБ и ОЭ.
Биполярный транзистор можно представить как нелинейный че­
тырехполюсник с короткозамкнутой стороной, соответствующей об­
щему электроду.
Электрическое состояние четырехполюсника характеризуется че­
тырьмя величинами, связанными с входной и выходной сторонами:
входным напряжением UBX, входным током / вх, выходным напряжением ІІВЫХи выходным током / вх.
Статические вольт-амперные характеристики четырехполюсника пред­
ставляют собой зависимости между постоянными входными и выходны­
ми токами и напряжениями при отсутствии нагрузки в выходной цепи.
Семейство входных характеристик связывает ток и напряжение
на входе при постоянстве одной из выходных величин
Лх

= f(U J При

£/вых =

const.

Семейство выходных характеристик связывает ток и напряжение
на выходе при постоянстве одной из входных величин
Лых =/(^вых) При / вх = const.
Зависимость выходной величины от входной устанавливает семей­
ство характеристик передачи (передаточных характеристик)
Лых = f(U J При ивьа = const.
Зависимость входной величины от выходной величины определя­
ется семейством характеристик обратной связи.

3.3.1. Статические характеристики биполярного
транзистора, включенного по схеме с общей базой
Определим входные и выходные величины при включении транзи­
стора по схеме с общей базой (рис. 3.5):
^э> ^вх

^эб> -^вых

UBUX &кб45

эиполфные -ронзис- оры

Рис. 3.5. Биполярный транзистор в схеме с общей базой
(URL: https://clck.ru/s4oKC)
Входные характеристики представляют собой зависимость
= А^эб )|tfK6=const •
Входные характеристики определяются свойствами эмиттерного
перехода, смещенного в прямом направлении, поэтому внешне вход­
ные характеристики похожи на прямые ветви вольт-амперной харак­
теристики р-п перехода (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Семейство входных характеристик биполярного транзистора
при включении с общей базой (URL: https://clck.ru/s4oKC)
46

:ephiьіѳ

характера

ТрО і

Особенностью этих характеристик является то, что при напряже­
нии на эмиттерном переходе, равном нулю, входной ток отличается
от нуля и приблизительно равен току / эбк — это ток эмиттера транзи­
стора, когда эмиттерный переход находится под обратным напряже­
нием, а коллекторный переход короткозамкнут.
Для того чтобы входной ток стал равен нулю, на эмиттерный пере­
ход должно быть подано отрицательное напряжение (работа в режи­
ме отсечки).
Выходные характеристики представляют собой зависимости

Г = / ( г Д лэ' :COnst *
Общий вид выходных характеристик определяется обратно смещен­
ным коллекторным переходом, поэтому аналогичен обратной ветви
вольт-амперной характеристикир-п перехода (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Семейство выходных характеристик биполярного транзистора
при включении с общей базой (URL: https://clck.ru/s4oKC)
С ростом тока эмиттера выходные характеристики смещаются вверх
и пересекают ось ординат (Uk5 = 0) в точках / к = а /э.
/ кбо — ток коллектора транзистора, включенного по схеме с общей
базой, когда коллекторный переход находится под обратным напря­
жением, а ток эмиттера равен нулю.
Характеристики передачи представляют собой зависимости

f{ h

)1с/-кб=сопй '

47

d эИПСІЛЯрные “ ронзисгоры

Характеристики передачи в первом приближении можно считать
прямыми линиями. В действительности коэффициент передачи тока
эмиттера зависит от тока эмиттера, поэтому характеристики незначи­
тельно отличаются от линейных (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Семейство характеристик передачи
биполярного транзистора при включении с общей базой
(URL: https://clck.ru/s4oKC)
При Uk6 = 0 характеристика передачи выходит из начала координат.
При обратном напряжении, на коллекторном переходе характеристи­
ки смещаются вверх и выходят из точек на оси ординат, соответству­
ющих обратному току коллектора / кб0.

3.3.2.
Статические характеристики
биполярного транзистора, включенного
по схеме с общим эмиттером
Определим входные и выходные величины при включении транзи­
стора по схеме с общим эмиттером (рис. 3.9):
-А х

4 )

^А х

Аых

А о ^вы х

икэ.

Входные характеристики (рис. 3.10) представляют собой зависи­
мости

h
48

= / ( £ / б э ) |„

, -

Рис. 3.9. Биполярный транзистор в схеме с общим эмиттером
(URL: https://clck.ru/s4oKC)

Рис. 3.10. Семейство входных характеристик биполярного транзистора
при включении с общим эмиттером (URL: https://clck.ru/s4oKC)
При икэ = 0 входная характеристика (рис. 3.10) эквивалентна харак­
теристике p-n перехода. Если икэ < 0, ток базы уменьшается и входные
характеристики смещаются вниз и не проходят через начало коорди­
49

о. DИПОЛ9рн 11Ѳ“ роН3V1сгоры

нат. Кроме того, при условии ( ІІКЗ) « срт входные характеристики рас­
положены очень близко друг к другу.
При ибэ = 0 и ІІКЭ> 0 ток базы равен — / |