7.1. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ З КЕРУЮЧИМ N-P ПЕРЕХОДОМ
Широке поширення отримали польові транзистори, які називають також канальними або уніполярними на відміну від біполярний транзисторів. Ідею побудови цих приладів запропонував в 1952 р. один з винахідників біполярний транзистора У. Шоклі. Головна перевага польових транзисторів - високий вхідний опір, який може бути таким же, як і в електронних лампах, і навіть більший. У цей час біполярні транзистори все частіше і частіше витісняються польовими.
Принцип роботи і ввімкнення польового транзистора з керуючим n-p-переходом, а також його умовне графічне позначення показані на рис.7.1. Пластинка з напівпровідника, наприклад, n-типу має на протилежних кінцях електроди, за допомогою яких вона ввімкнена у вихідне (кероване) коло підсилювального каскаду. Це коло живиться від джерела E2, і в нього ввімкнене навантаження Rн. Вздовж транзистора проходить вихідний струм основних носіїв. У нашому прикладі це електронний струм. Вхідне (керуюче) коло транзистора утворене за допомогою третього електрода, що являє собою область з другим типом електропровідності. У нашому випадку це р-область. Джерело живлення вхідного кола Е1 створює на єдиному п-р-переході даного транзистора зворотну напругу. Напругу іншої полярності, тобто пряму напругу, на п-р-перехід не подають, оскільки тоді вхідний опір буде дуже малим. У вхідне коло ввімкнене джерело підсилюваних коливань ДК.
Фізичні процеси в польовому транзисторі відбуваються таким чином. При зміні вхідної напруги змінюється зворотна напруга на n-р-переході, і від цього змінюється товщина закриваючого (збідненого) шару, обмеженого на рис.7.1 штриховими лініями. Відповідно цьому змінюється площа поперечного перетину області, через яку проходить потік основних носіїв заряду, тобто вихідний струм. Ця область називається каналом.
Електрод, з якого в канал витікають основні носії заряду, називають витоком (В). З каналу носії проходять до електрода, який називається стоком (С). Витік і стік аналогічні катоду і аноду електронної лампи відповідно. Керуючий електрод, призначений для регулювання площі поперечного перетину каналу, називається затвором (3), і в якійсь мірі він аналогічний сітці вакуумного тріода або базі біполярний транзистора, хоч, звичайно, за фізичним принципом роботи затвор і база цілком різні.
Якщо збільшувати напруги затвора Uз-в, то закриваючий шар n-р-переходу стає товстіший і площа поперечного перетину каналу зменшується. Отже, його опір постійному струму R0 зростає і струм стоку іс стає меншим. При деякому значенні закриваючої напруги uз-в.зап. площа поперечного перетину каналу стане рівною нулю і струм iс буде дуже малим. Транзистор закривається. А при Uз-в = 0 перетин каналу найбільший, опір R0 найменший, наприклад декілька сотень ом, і струм iс виходить найбільшим. Для того, щоб вхідна напруга можливо більш ефективно керувала вихідним струмом, матеріал основного напівпровідника, в якому створений канал, повинен бути високоомним, тобто з невисокою концентрацією домішок. Тоді закриваючий шар в ньому виходить більшої товщини. Крім того, початкова товщина самого каналу (при Uз-в = 0) повинна бути досить малою. Звичайно вона не перевищує декількох мікрометрів. Закриваюча напруги U(з-в).зак. при цих умовах складає одиниці вольт.
Оскільки вздовж каналу потенціал підвищується по мірі наближення до стоку, то ближче до стоку зворотна напруга n-р-переходу збільшується і товщина закриваючого шару збільшується.
Польові транзистори з керованим n-р-переходом можуть бути виготовлені сплавленням або дифузією. Кращими є дифузійні транзистори. На рис.7.2 зображений принцип побудови дифузійного польового транзистора, виготовленого за планарно-епітаксіальною технологією. Для прикладу показаний канал р-типу (очевидно, він може бути і n-типу). Області витоку і стоку звичайно виготовляють з напівпровідникового матеріалу з підвищеною провідністю (електропровідність p+-типу), щоб зменшити некорисний спад напруги і втрату потужності в цих областях. Підвищену провідність має і область затвора (електропровідність n+-типу). Це забезпечує збільшення товщини закриваючого шару головним чином у бік каналу, тобто підсилює керуючу дію затвора. Кристал транзистора (підклад) є областю n-типу, від якої часто роблять окремий вивід. Тоді кристал може бути використаний як додатковий затвор. Подаючи, наприклад, на нього деяку постійну напругу, встановлюють початкову товщину каналу.
Сплавні польові транзистори є низькочастотними, а дифузійні можуть працювати на частотах до десятків і навіть сотень мегагерц. Потрібно зазначити, що саме переміщення основних носіїв по каналу відбувається під дією прискорюючого поля дуже швидко, і тому гранична частота визначається не цим процесом, а впливом власних ємностей транзистора.
Характеристики і параметри польових транзисторів. Керуючу дію затвора наочно ілюструють керуючі ( стоково-затворні ) характеристики, що виражають залежність iс = f (uз-в) при Uс-в = const (рис.7.3). Однак, ці характеристики незручні для розрахунків, і тому на практиці користуються вихідними характеристиками.
На рис.7.4 зображені вихідні (стокові) характеристики польового транзистора iс = f (Uс-в) при Uз-в = const. Вони показують, що із збільшенням Uc-в, струм спочатку росте досить швидко, а потім це наростання сповільнюється і майже зовсім припиняється, тобто наступає явище, що нагадує насичення. Це пояснюється тим, що при підвищенні Uс-в струм повинен збільшуватися але оскільки одночасно підвищується зворотна напруга на n-р-переході, то закриваючий шар розширяється, канал вужчає, тобто його опір зростає, і за рахунок цього струм iс повинен зменшитися. Таким чином, мають місце два взаємно протилежних впливи на струм iс, який в результаті залишається майже незмінним.
При подачі більшої за абсолютним значенням від’ємної напруги на затвор струм iс зменшується і стокова характеристика проходить нижче.
Підвищення напруги стоку зрештою приводить до електричного пробою n-р-переходу, і струм стоку починає лавиноподібно наростати, що показано на малюнку штриховими лініями. Напруга пробою є одним з граничних параметрів польового транзистора.
Робота транзистора звичайно відбувається на пологих дільницях характеристик, тобто в області, яку часто не зовсім вдало називають областю насичення. Напруга, при якій починається ця область, іноді називають напругою насичення, а закриваюча напруга затвора інакше ще називається напругою відсічки.
Потрібно зазначити, що для транзисторів з каналом р-типу полярність напруг живлення протилежна тим, які показані на рис.7.1, рис.7.3 і рис.7.4 для транзисторів з каналом n-типу.
Польовий транзистор характеризується наступними параметрами. Основний параметр крутизна S, аналогічна параметру у21 біполярних транзисторів. Крутизна визначається за формулою
S = у21 =Ic/Uз-в, при Uc-в = const (7.1)
і може складати значення до декількох міліампер на вольт.
Крутизна характеризує керуючу дію затвора. Наприклад, S = 3 мА/В означає, що зміна напруги затворі на 1 В створює зміну струму стоку на 3 мА.
Другий параметр - внутрішній (вихідний) опір Rі, аналогічний величині 1/у22 для біполярного транзистора. Цей параметр являє собою опір транзистора між стоком і витиком (опір каналу) для змінного струму і описується формулою
Ri = 1/у22 = Uс-в/Iс при Uз-в = const. (7.2)
На пологих ділянках вихідних характеристик значення Rі досягає сотень кілоом і є у багато разів більший опору транзистора для постійному струму R0.
Іноді користуються ще третім параметром - коефіцієнтом підсилення ( , який показує, у скільки разів сильніше діє на струм стоку зміна напруги на затворі, ніж зміна напруги на стоку. Коефіцієнт підсилення визначається формулою
( = -Uс-в/Uз-в при iс = const, (7.3)
тобто дорівнює відношенню таких змін Uс-в і Uз-в, які компенсують одна одну по дії на струм ic, внаслідок чого цей струм залишається незмінним. Оскільки для подібної компенсації Uс-в, і Uз-в повинні мати різні знаки (наприклад, збільшення ( повинно компенсуватися зменшенням Iс), то в правій частині формули (7.3) стоїть знак «мінус». Інакше, можна замість цього взяти абсолютне значення правої частини. Коефіцієнт підсилення пов'язаний з параметрами S і Rі простою залежністю
( = SRі. (7.4)
Для пологих ділянок вихідних характеристик ( досягає сотень і навіть тисяч. У початковій області цих характеристик, коли вони йдуть круто (при малих значеннях uс-в), значення всіх трьох параметрів зменшуються. Параметри S і Rі для заданого режиму можна визначати з вихідних характеристик за методом двох точок, подібно тому як це робилося для біполярних транзисторів, а ( треба обчислювати за формулою (7.4).
Вхідний опір польового транзистора визначається, як звичайний, за формулою
Rвх = Uз-в,/ Iз, при Uс-в = const. (7.5)
Оскільки струм Iз - зворотний струм n-р-переходу, а значить, дуже малий, то Rвх досягає одиниць і десятків мегаом. Польовий транзистор має також вхідну ємність між затвором і витоком Сз-в, яка є бар'єрною ємністю п-р-переходу і складає одиниці пікофарад у дифузійних транзисторів і десятки пікофарад у сплавних. Менші значення має прохідна ємність між затвором і стоком Сз-с, а самої малою є вихідна ємкість між витоком і стоком Сс-в.
Схеми ввімкнення польових транзисторів. Подібно до біполярних транзисторів польовий транзистор можна бути ввімкнений за одною з трьох основних схем. На рис.7.1 показана одна з схем, яка найчастіше використовується - ввімкнення із спільним витоком (СВ), аналогічна схемі із спільним емітером. Каскад із спільним витоком дає дуже велике підсилення за струмом і потужності і повертає фазу напруги при підсиленні на 180о. Оскільки звичайно Rн « Rі то коефіцієнт підсилення каскаду за напругою можна підрахувати за формулою
Ku = SRH, (7.6)
яка аналогічна формулі для каскаду із спільним емітером.
На рис.7.5 показана еквівалентна схема (схема заміщення) польового транзистора для ввімкнення його із спільним витоком. Оскільки Rвх дуже великий, то його можна не враховувати. Для низьких частот у багатьох випадках можна вилучити з схеми ємності. Генератор струму SUmвх відображає підсилення, що здійснюється транзистором, а опір Rі, є опором каналу для змінного струму, тобто вихідний опір. До вхідних затискачів під’єднується джерело коливань, а до вихідних - навантаження.
У практичних схемах підсилювальних каскадів звичайно застосовується живлення від одного джерела Е2, як це показано на рис.7.6 для транзистора з п-каналом. Для отримання постійної зворотної напруги на керуючому n-р-переході в коло витоку вводиться резистор Rв, який зашунтований конденсатором Св. Постійний струм стоку Iс0 створює на резисторі Rв напруги Uз-в, = Iс0·Rв, яка через джерело коливань ДК подається на n-р-перехід. Опір RH розраховується за формулою RH = U(з-в)о/Iсо· Величини U(з-в)0 і Iс0 можуть бути визначені для вибраного режиму роботи з вихідних характеристик. Через конденсатор Св проходить змінна складова напруги. Польові транзистори можуть добре працювати в більш широкому інтервалі температур. При підвищенні температури спостерігається тільки значне збільшення струму затвора (струму неосновних носіїв), але все ж він залишається досить малим, і тому вхідний опір зберігає високі значення. Польовий транзистор створює менші шуми і має більш високу стійкістю до впливу іонізуючого випромінювання. За радіаційною стійкістю ці транзистори наближаються до електронних ламп. Недолік багатьох польових транзисторів - порівняно невисока крутизна.
Як правило, випускаються кремнієві польові транзистори. Кремній застосовується тому, що струм затвора, тобто зворотний струм n-р-переходу, виходить у багато разів менший, ніж у германію. При температурі 20 °С постійний струм затвора може становити всього лише 1 нА, тобто 10-9 А.
7.2. ПОЛЬОВІ ТРАНЗИСТОРИ З ІЗОЛЬОВАНИМ ЗАТВОРОМ
Подальшим розвитком польових транзисторів є транзистори з ізольованим затвором. У них металевий затвор відділений від напівпровідникового каналу тонким шаром діелектрика. Інакше ці прилади називають МДН-транзисторами (від слів «метал-діелектрик-напівпровідник») або МОН-транзисторами (від слів «метал-оксид-напівпровідник»), оскільки діелектриком звичайно служить шар діоксиду кремнію SiO2
На рис.7.13 показані структура польового транзистора з ізольованим затвором і його умовне графічне позначення. Основою служить кремнієва пластинка з електропровідністю типу р. В ній створені дві області з електропровідністю п+-типу з підвищеною провідністю. Ці області є витоком і стоком. Від них зроблені виводи. Між витоком і стоком є тонкий приповерхневий канал з електропровідністю n-типу. Довжина каналу від джерела до стоку звичайно складає одиниці мікрометрів, а його ширина сотні мікрометрів і більше, в залежності від робочого струму транзистора. Товщина діелектричного шару діоксиду кремнію, який заштрихований, складає (0,1÷0,2)мкм. Зверху діелектричного шару розташований затвор у вигляді тонкої металевої плівки. Кристал МДН-транзистора звичайно сполучений з джерелом, і його потенціал приймається за нульовою так само, як і потенціал витоку. Іноді від кристала буває зроблений окремий вивід. Прилад з такою структурою називають транзистором з власним (або вбудованим) каналом, і працює він таким чином.
Якщо при нульовій напрузі на затворі прикласти між стоком і витоком напругу, то через канал протікає струм, який є потоком електронів. Через кристал струм не проходить, оскільки один з р-n переходів знаходиться під зворотною напругою. При подачі на затвор напруги, від’ємної відносно витоку, а отже, і відносно кристала, в каналі створюється поперечне електричне поле, під впливом якого електрони провідності виштовхуються з каналу в області витоку і стоку і в кристал. Канал збіднюється електронами, опір його збільшується, і струм стоку зменшується. Чим більша від’ємна напруга затвора, тим менший цей струм. Такий режим транзистора називають режимом збіднення
Якщо ж на затвор подати додатну напругу, то під дією поля, створеного цією напругою, з областей витоку і стоку, а також з кристала в канал будуть надходити електрони; провідність каналу при цьому збільшується і струм стоку зростає. Цей режим називають режимом збагачення.
Розглянутий транзистор з вбудованим каналом, таким чином, може працювати як в режимі збіднення, так і в режимі збагачення. Це наочно показують його вихідні (стокові) характеристики, зображені на рис.7.14, і характеристика керування на рис.7.15. Як видно, вихідні характеристики МДН-транзистора подібні до вихідних характеристик польового транзистора з керуючим п-р-переходом. Це пояснюється тим, що при зростанні напруги Uв-с від нуля спочатку діє закон Ома і струм зростає приблизно пропорційно напрузі, а потім, при деякій напрузі Uв-с, канал починає звужуватися, особливо біля стоку. Оскільки на n-р-переході між каналом і кристалом зростає зворотна напруга, область цього переходу, збіднена носіями, розширяється і опір каналу збільшується. Таким чином, струм стоку витримує два взаємно протилежних впливи: від збільшення Uв-с струм повинен зростати згідно із законом Ома, але від збільшення опору каналу струм зменшується. У результаті струм стоку залишається майже незмінним до такої напруги Uс-в при якій наступає електричний пробій на кристал.
У тому випадку, якщо кристал має електропровідність n-типу, канал повинен бути р-типу і полярність напруги необхідно змінити на протилежну. Транзистор з вбудованим каналом р-типу на схемах зображають так, як показано на рис.7.13.в).
Іншим типом є транзистор з індукованим (інверсним) каналом (рис.7.16). Від попереднього він відрізняється тим, що канал виникає тільки при подачі на затвор напруги певної полярності. При відсутності цієї напруги каналу відсутній, між витоком і стоком n+- типу розташований тільки кристал р-типу і на одному з n-р переходів завжди виходить зворотна напруга. У цьому стані опір між витоком і стоком дуже великий, тобто транзистор замкнений. Але якщо подати на затвор додатну напругу, то під впливом поля затвора електрони провідності будуть переміщатися з областей витоку і стоку і з р-області у напрямку до затвора. Коли напруга затвора перевищить деяке відкриваюче, або порогове, значення (одиниці вольт), то в приповерхневому шарі концентрація електронів настільки збільшиться, що перевищить концентрацію дірок, і в цьому шарі станеться так звана інверсія типу електропровідності, тобто утвориться тонкий канал п-типу і транзистор почне проводити струм. Чим більше значення додатної напруги на затворі, тим більша провідність каналу і струм стоку. Таким чином, такий транзистор може працювати тільки в режимі збагачення, що видно з його вихідних характеристик (рис. 7.17) і характеристики керування (рис.7.18). Якщо підклад р-типу, то вийде індукований канал п-типу.
Параметри МДН-транзисторів аналогічні параметрам польових транзисторів з керуючимп-р-переходом.
Коефіцієнт підсилення каскаду з МДН-транзистором обчислюється по формулі (7.6). Графоаналітичний розрахунок підсилення для каскадів на польових транзисторах виконують з допомогою сімейства вихідних характеристик аналогічно тому, як це було розглянуто для біполярних транзисторів. Проводять лінію навантаження, на яку наносять робочу точку, яка визнається постійною напругою на затворі, і відмічають робочу ділянку, яка відповідає заданому значенню вхідної напруги. Після цього визначають постійний і змінний струми стоку, постійну і змінну напруги в колі стоку, потужність і ККД (для малопотужних каскадів потужність і ККД неістотні). Так само розраховується імпульсний режим польових транзисторів.
Транзистори з ізольованим затвором мають переваги відносно температурних, шумових, радіаційних і інших властивостей, відмічених для польових транзисторів з n-р-переходом, і, крім того, мають ще ряд переваг. Опір ізоляції затвора у них являє собою вхідний опір постійному струму на низьких частотах і досягає (1012 ÷1015) Ом. Важливо, що вхідний опір залишається великим при будь-якій полярності напруги затвора (у польових транзисторів з керованим n-р-nepexoдом при прямій напрузі на затворі вхідний опір стає дуже малим). Вхідна ємність може бути меншою 1 пФ, і гранична частота доходить до сотень мегагерц. Розроблені потужні (до десятків ват) транзистори з ізольованим затвором, що мають крутизну 10 мА/В і більше і працюють на частотах до сотень мегагерц. Транзистори з ізольованим затвором можуть застосовуватися у всіх схемах, розглянутих вище (СВ, СЗ і СС). Потрібно зазначити, що виготовлення польових транзисторів за планарно-епітаксиальною технологією порівняно нескладне і спрощує створення мікроелектронних схем. Особливо просто виготовляються МДН-транзистори з індукованим каналом, оскільки в кристалі треба зробити лише дві області витоку і стоку. Для запам'ятовуючих пристроїв створені МДН-транзистори з діелектриком, що складається з двох шарів. Окрім диоксиду кремнію нанесений ще шар нітриду кремнію Si3N4 або оксиду алюмінію (алунда). Такі транзистори отримали відповідно назви МНОН-АОН-транзисторів. Нітрид кремнію і алунд мають дуже велике значення опору, у багато разів більше, ніж діоксид кремнію. При подачі на затвор імпульсу додатної або від’ємної напруги на границі між діелектриками утворюється відповідно від’ємний або додатний заряди. Такий заряд впливає на порогову напругу, тобто напругу, при якій виникає інверсний канал. Отже, транзистор може бути в одному з двох станів, які відповідають різним значенням порогової напруги. Кожне з цих станів може зберігатися дуже довго навіть при вимкненому живленні.
Один з способів підвищення граничної частоти МДН-транзисторів є укорочення каналу для зменшення часу пробігу носіїв від витоку до стоку. У транзисторах типу D-МДН, що виготовляються методом подвійної дифузії, канал утвориться по товщині тонкого шару напівпровідника. Довжина каналу виходить 1 мкм і менш, а гранична частота може бути від 30 ГГц і більше.
У транзистора типу V-МДН в кремнієвій структурі протравлюється V-подібна канавка, на поверхні якої створюється плівка діоксиду кремнію і металізація для затвора. Як і в транзисторі D-МДН, довжина каналу визначається товщиною тонкого р-шару в 1 мкм, розташованого в глибині кристала.
Різновидністю польових транзисторів є транзистори з двома затворами. Вони призначені для подвійного керування струмом стоку, що використовується при перетворенні частоти. Випускаються також подвійні польові транзистори, у яких в одному корпусі розміщені два транзистори з самостійними виводами.
При роботі з МДН-транзисторами потрібно вживати заходів обережності для запобігання пробою тонкого шара діелектрика між затвором і каналом під дією статичних електричних зарядів, які можуть виникнути на ізольованому затворі. Необхідно, щоб при транспортуванні і монтажі електроди у транзисторів були закорочені накоротко. Ці закорочуючі провідники усувають тільки після закінченні монтажу, коли виводи вже впаяні у схему.
СПЕЦІАЛЬНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ
8.1. ТИРИСТОРИ
Тиристори є перемикаючими приладами. Їх назва взапозичена від грецького слова thyra (тира), що означає «двері», «вхід».
Структура діодного тиристора (динистора) з структурою n –р- n- р показана на рис. 8.1.а). Як видно, він має три n-p-переходи, причому два з них (П1 і П3) працюють у прямому напрямі, а середній перехід П2 в зворотному напрямі. Крайню область р називають анодом, а крайню область n катодом. Тиристор можна представити у вигляді еквівалентної схеми (моделі), яка складається з двох транзисторів VТ1 і VТ2 типи електропровідності яких n-p-n і p-n-n відповідно, сполучених так, як показано на рис.8.1.б). Виходить, що переходи П1 і П3 є емітерними переходами цих транзисторів, а перехід П2 працює в обох транзисторах як колекторного перехід. Область бази Б1 транзистора VТ1 одночасно є колекторною областю К2 транзистора VТ2, а область бази Б2 транзистора VТ2 одночасно служить колекторною К1 областю транзистори VТ1. Відповідно цьому колекторний струм першого транзистора Iк1 є струмом бази другого транзистора Iб2, а струм колектора другого транзистора IК2 є струмом бази Iб1 першого транзистора. Експеримент зі схемою з двох транзисторів підтвердив, що за своїми властивостями ця схема збігається з діодним тиристором.
Як правило, тиристори виготовляють з кремнію, зокрема емітерні переходи виготовляють за сплавною технологією, а колекторний перехід - методом дифузії. Застосовується також планарна технологія. Концентрація домішок в базових (середніх) областях значно менша, ніж в емітерних (крайніх) областях.
Фізичні процеси в тиристорі можна уявити собі таким чином. Якби був тільки один перехід П2, який працює при зворотній напрузі, то існував би лише невеликий зворотний струм, викликаний переміщенням через перехід неосновних носіїв, яких є мало. Але, як відомо, в транзисторі може бути отриманий великий колекторний струм, який є проте зворотним струмом колекторного переходу, якщо в базу транзистора з боку емітерного переходу інжектуютсья у великій кількості неосновні носії. Чим більше пряма напруга на емітерному переході, тим більше цих носіїв проходить до колекторного переходу, і тим більшим стає струм колектора. Напруга на колекторному переході, навпаки, стає меншою, оскільки при більшому струмі зменшується опір колекторного переходу і зростає спад напруги на навантаженні, яке ввімкнене в коло колектора. Так, наприклад, в схемах перемикання транзистор переводиться у відкритий стан (в режим насичення) шляхом подачі на його емітерний перехід відповідної прямої напруги. При цьому струм колектора досягає максимального значення, а напруга між колектором і базою знижується до десятих часток вольта.
Щось подібне спостерігається і в тиристорі. Через переходи П1 і П3, які працюють при прямому зміщені, в області, що примикають до переходу П2, інжектуються неосновні носії заряду, які зменшують опір переходу П2.
Вольт-ампера характеристика тиристора, яка наведена на рис.8.2, показує, що відбувається в тиристорі при підвищенні прикладеної до нього напруги. Спочатку струм невеликий і росте повільно, що відповідає дільниці ОА характеристики. У цьому режимі тиристор можна вважати закритим («замкненим»). На опір колекторного переходу П2 впливають два взаємно протилежних процесу. З однієї сторони, підвищення зворотної напруги на цьому переході збільшує його опір, оскільки під впливом зворотної напруги основні носії заряду йдуть в різні сторони від границі, тобто перехід П2 все більше збіднюється основними носіями. Але, з іншого боку, підвищення прямих напруг на емітерних переходах П1 і П3 підсилює інжекцію носіїв, які підходять до переходу П2, збагачують його і зменшують його опір. До точки А перевагу має перший процес і опір росте, але все повільніше і повільніше, оскільки поступово посилюється другий процес.
Біля точки А при деякій напрузі (десятки або сотень вольт), яку називають напругою вмикання Uвм, вплив обох процесів урівноважується, а потім навіть дуже незначне підвищення напруги, що підводиться створює перевагу другого процесу і опір переходу П2 починає зменшуватися. Тоді виникає лавиноподібний процес швидкого ввімкнення тиристора. Цей процес пояснюється таким чином.
Струм різко, стрибком, зростає (дільниця АБ на характеристиці), оскільки збільшення напруг на П1 і П3 зменшує опір П2 і напруга на ньому зменшується, за рахунок чого ще більше зростають напруги на П1 і П3, а це, в свою чергу, приводить до ще більшого зростання струму і зменшення опору П2 і т. д. В результаті такого процесу встановлюється режим, що нагадує режим насичення транзистора: великий струм при малій напрузі (ділянка БВ). Струм в цьому режимі, коли прилад відкритий («ввімкнений»), визначається головним чином опором навантаження RH, який з’єднаний послідовно з ним. За рахунок великого струму, що виник майже вся напруга джерела живлення падає на навантаженні RH.
У відкритому стані внаслідок нагромадження великих зарядів біля переходу П2 напруга на ньому пряма, що, як відомо, характерно для колекторного переходу в режимі насичення. Тому повна напруга на тиристорі складається з трьох невеликих прямих напруг на переходах і чотирьох також невеликих падінь напруг в n- і р-областях. Оскільки кожна з цих напруг складає долі вольта, то загальна напруга на відкритому тиристорі звичайно не перевищує декількох вольт і, отже, тиристор в цьому стані має малий опір.
Процес стрибкоподібного переходу тиристора із закритого стану у відкритий можна ще достатньо просто пояснити математично. З розгляду еквівалентної схеми на рис.8.1 видно, що струм тиристора i є струмом першого емітера Iе1 або струмом другого емітера Iе2· Інакше струм i можна розглядати як суму двох колекторних струмів Iк1 та Iк2, рівних відповідно (2Iе2 та (1Iе1, де (1Iе1=Ік1, a (2Iе2=Ік2 , де (1 і (2 коефіцієнти передачі емітерного струму транзисторів Т1 і Т2 відповідно. Крім того, до складу струму i входить ще початковий тепловий струм колекторного переходу Iк0 Таким чином, можна написати I = (1Iе1 +(2Iе2 + Iк0 або (враховуючи, що Iе1 = Iе2 = I)
I = (1I+ (2I+Iк0 (8.1)
Вирішуючи це рівняння відносно I, знаходимо

Проаналізуємо отриманий вираз. При малих струмах (1 і (2 значно менші одиниці і сума їх також менша одиниці. Тоді відповідно до формули (8.2) струм i виходить порівняно невеликим. Із збільшенням струму значення (1 і (2 зростають, і це приводить до зростання струму тиристора I. При деякому струмі, що є струмом вмикання Iвм, сума (1 +(2 стає рівна одиниці і струм i зріс би до нескінченності, якби його не обмежував опір навантаження. Саме таке намагання струму i необмежено зростати вказує на стрибкоподібне наростання струму, тобто на вмикання тиристора.
Діодний тиристор характеризується максимальним допустимим значенням прямого струму Imaх (точка В на рис.8.2), при якому на приладі буде невелика напруга Uo. Якщо ж зменшувати струм через тиристор, то при деякому значенні струму, який називають втримуючим струмом Iвтр (точка Б), струм різко зменшується, а напруга різко підвищується, тобто прилад переходить стрибком зворотно в закритий стан, що відповідає ділянці характеристики ОА. При зворотній напрузі на тиристорі характеристика виходить така-ж, як для зворотного струму звичайних діодів, оскільки переходи П1 і П2 будуть під зворотними напругами.
Характерними параметрами діодних тиристорів є також час ввімкнення tвм, час вимикання tвим, загальна ємність Сзаг, максимальні значення імпульсного прямого струму Іімп.мах і зворотної напруги Uзв.max. Час вмикання тиристорів звичайно не більший за одиниці мікросекунд, а час вимикання, пов'язаний з рекомбінацією носіїв, доходить до десятків мікросекунд. Тому тиристори можуть працювати тільки на порівняно низьких частотах.
Якщо від однієї з базових областей зробити вивід, то виходить керований перемикаючий прилад, який називають тріодним тиристором або тринистором. Подаючи через цей вивід пряму напругу на перехід, який зміщений у прямому напрямі, можна регулювати значення Uвм. Чим більший струм через такий керуючий перехід Iкер, тим нижче значення Uвм.
Ці основні властивості тріодного тиристора наочно відображаються його вольт-амперними характеристиками, наведеними на рис.8.3 для різних струмів керуючого електрода iкер. Чим більший цей струм, тим сильніша інжекція носіїв від відповідного емітера до середнього колекторного переходу і тим менша необхідна напруга на тиристорі, для того щоб почався процес відкривання приладу. Найбільш висока Uвм виходить при відсутності струму керуючого електрода, коли тріодний тиристор перетворюється в діодний. І навпаки, при значному струмі Iкер характеристика тріодного тиристора наближається до характеристики прямого струму звичайного діода.
Найпростіша схема ввімкнення тріодного тиристора показана на рис.8.4. На цій схемі наведене умовне графічне позначення тиристора з виводом від р-області. Подібний тиристор називають тиристором з керування по катоду, оскільки керуючим електродом є базова область р, найближча до катодної області п. При подачі імпульсу прямої напруги через вивід керуючого електроду на емітерний перехід, тріодний тиристор відмикається, якщо, звичайно, напруга джерела Е має достатнє значення.
Параметри у тріодних тиристорів такі ж, як у діодних. Додаються лише величини, що характеризують керуюче коло.

Рис.8.6. Структура симетричного тиристора

Рис.8.7. Заміна симетричного тиристора двома діодними тиристорами

Звичайні тріодні тиристори не закриваються за допомогою керуючого кола, і для замикання необхідно зменшити струм в тиристорі до значення нижче за Iутр. Однак розроблені і застосовуються так звані тріодні тиристори, які закриваються при подачі через керуючий електрод короткого імпульсу зворотної напруги на емітерний перехід.
Розроблені також симетричні тиристори, або симистори, що мають структуру n-р-n-р-n або р-п-р-п-р, які відкриваються при будь-якій полярності напруги і проводять струм в обох напрямках (рис.8.5).
На рис.8.6 зображена структура симетричного тиристора. З цього малюнка видно, що при полярності напруги, показаній знаками «+» і «-» без дужок, працює ліва половина приладу (напрямок переміщення електронів позначений стрілками). При зворотній полярності, яка зображена знаками в дужках, струм проходить у зворотному напрямку через праву половину приладу. Роль симетричного тиристора можуть виконати два діодні тиристори, які з’єднані паралельно (рис.8.7). Керовані симетричні тиристори мають виводи від відповідних базових областей.
Умовні графічні позначення різних тиристорів наведені на рис.8.8.
Тріодні тиристори знайшли дуже широке застосування в різних схемах радіоелектроніки, автоматики, промислової електроніки. Приклад використання тріодного (або діодного) тиристора в найпростішій схемі генератора імпульсної пилоподібної напруги зображений на рис.8.9. Від джерела Е через резистор R порівняно повільно заряджається конденсатор С. Поки напруга Uс на конденсаторі невелика, тріодний тиристор знаходиться в замкненому стані. Але коли Uс стане дорівнює напрузі ввімкнення Uвм, тиристор відмикається і конденсатор швидко розряджається через нього, оскільки у відкритому стані тиристор має малий опір. У кінці розряду конденсатора струм через тиристор знижується до значення утримуючого струму і тиристор закривається. Після цього знову повторюється заряд конденсатора, потім його розряд через тиристор і.т.д. Графік напруги, яка формується на конденсаторі, показаний на тому ж рис.8.9. Обмежувальний резистор Rобм вімкнений для того, щоб струм у тиристорі не перевищив максимального значення. Чим більше R, тим повільніше відбувається заряд і тим нижча частота напруга, що формується. Її амплітуда визначається значенням Uвм1 і може регулюватися зміною напруга керуючого електрода Uкер. Звичайно в тріодні тиристори, що не запираються з виводом від р і від n-області, г) і д) тріодні тиристори, що запираються з виводом від р- і від n-області; є симетричний тиристор в коло керування якого також вмикають резистор для обмеження струму.
У розглянутому генераторі форма пилоподібної напруги для багатьох випадків незадовільна, оскільки наростання напруги відбувається за експонентою. Щоб отримати лінійне наростання напруги, необхідно зробити струм заряду конденсатора сталим. Для цього замість резистора R можна ввімкнути транзистор в схемі з спільною базою, а тоді, як відомо, при зміні напруги uк-б струм колектора майже не змінюється.
Представляє інтерес застосування тріодних тиристорів в генераторах синусоїдальних коливань. У таких генераторах тиристор працює як ключ і підєднує з потрібною частотою джерело живлення до коливального контуру. Тому коливання в цьому контурі стають незатухаючими, а сам тиристор керується напругою від коливального контуру. Тиристорні генератори відрізняються високим значенням ККД, оскільки в самому тиристорі втрати незначні. Але внаслідок інерційності процесів вмикання і особливо вимикання тиристора подібні генератори можуть працювати тільки на порівняно низьких частотах. Оскільки тиристори випускаються на великі струми, то тиристорні генератори можна побудувати на значно більші потужності, ніж генератори на транзисторах.
Крім розглянутих існують ще діодні і тріодні тиристори, які проводять у зворотному напрямку. Структура їх така, що з електродами тиристора мають контакт не тільки крайні емітерні області, але і середні базові. Тому при подачі зворотної напруги між електродами діє тільки одна пряма напруга середнього переходу, тобто тиристор буде у відкритому стані.
8.2. ТУНЕЛЬНИЙ ДІОД
Запропонований в 1958 р. японським вченим Л. Йосакі тунельний діод виготовляється з германію або арсеніду галію з високою концентрацією домішок (1019 ÷1020 ) см-3, тобто з дуже малим питомим опором, в сотні або тисячі разів меншим, ніж в звичайних діодах. Такі напівпровідники з малим опором називають виродженими. Електронно-дірковий перехід у виродженому напівпровіднику виходить в десятки разів тонше (10-6 ) см, ніж в звичайних діодах, а потенціальний бар'єр приблизно в два рази вищий. У звичайних напівпровідникових діодах висота потенціального бар'єру рівна приблизно половині ширини забороненої зони, а в тунельних діодах вона трохи більше цієї ширини. Внаслідок малої товщини переходу напруженість поля в ньому навіть при відсутності зовнішньої напруги досягає 106 В/см.
У тунельному діоді, як і в звичайному, відбувається дифузійне переміщення носіїв через електронно-дірковий перехід і зворотний їх дрейф під дією електричного поля. Але крім цих процесів основну роль грає тунельний ефект. Він полягає в тому, що згідно із законами квантової фізики при досить малій висоті потенційного бар'єра можливе проникнення електронів через бар'єр без зміни їх енергії. Такий тунельний перехід електронів з енергією, меншою за висоту потенціального бар'єра (в електрон-вольтах), здійснюється в обох напрямках, але тільки при умові, що з іншої сторони бар'єра для тунелюючих електронів є вільні рівні енергії. Подібний ефект неможливий з точки зору класичної фізики (в якій електрон розглядається як частинка матерії з від’ємним зарядом), але виявляється цілком реальним в явищах мікросвіту, які описуються законами квантової механіки, згідно з якими електрон має подвійну природу: з одного боку, він є частинкою, а з іншого боку, він може проявляти себе як електромагнітна хвиля. А електромагнітна хвиля може перейти через потенціальний бар'єр, тобто через область електричного поля, не взаємодіючи з цим полем.
Процеси в тунельному діоді зручно розглядати на енергетичних діаграмах, що показують рівні енергії валентної зони і зони провідності в п- і р-областях. Внаслідок виникнення контактної різниці потенціалів в n-р-переході границі всіх зон в одній з областей зсунуті відносно відповідних зон іншої області на висоту потенціального бар'єра, виражену в електрон-вольтах.
На рис.8.10 за допомогою енергетичних діаграм зображено виникнення тунельних струмів в електронно-дірковому переході тунельного діода. Для того щоб не ускладнювати розгляд тунельний ефекту, дифузійний струм і струм провідності на цьому малюнку не показані. Діаграма на рис.8.10.а) відповідає відсутності зовнішньої напруги. Висота потенціального бар'єра взята для прикладу 0,8 еВ, а ширина забороненої зони становить 0,6 еВ. Горизонтальними лініями в зоні провідності і у валентній зоні показані енергетичні рівні, повністю або частково зайняті електронами. У валентній зоні і в зоні провідності зображені також не заштриховані горизонтальними лініями ділянки, які відповідають рівням енергії, не зайнятим електронами. Як видно, в зоні провідності напівпровідника n-типу і у валентній зоні напівпровідника р-типу є зайняті електронами рівні, яким відповідають однакові енергії. Тому можливий тунельний перехід електронів з області n в область p (прямий тунельний струм Іпр) і з області р в область п (зворотний тунельний струм Ізв). Ці два струми однакові за значеннями, і тому результуючий струм дорівнює нулю.
На рис.8.10.б) показана діаграма при прямий напрузі 0,1 В, за рахунок якої потенціальний бар'єр знизився на 0,1 еВ і становить 0,7 еВ. У цьому випадку тунельний перехід електронів з області n в область p підсилюється, оскільки в області p є у валентній зоні вільні рівні з такими ж енергіями, як енергії рівнів, зайнятих електронами в зоні провідності області п. А перехід електронів з валентної зони області p в область n неможливий, оскільки рівні, зайняті електронами у валентній зоні області р, відповідають в області n енергетичним рівням забороненої зони. Зворотний тунельний струм відсутній, і результуючий струм досягає максимуму. У проміжних випадках, наприклад, коли Uпр = 0,05 В, існує і прямий і зворотний тунельний струм, але зворотний струм менший прямого. Результуючим буде прямий струм, який буде менший від максимального, який виникає при Uпр = 0,1 В.
Випадок, показаний на рис.8.10.в), відповідає Uпр = 0,2 В, коли висота потенціального бар'єра стала 0,6 еВ. При цій напрузі тунельний перехід неможливий, оскільки рівням, зайнятим електронами в даній області, відповідають в іншій області енергетичні рівні, що знаходяться в забороненій зоні. Тунельний струм рівний нулю. Він відсутній також і при більшому значенні прямої напруги.
Потрібно пам'ятати, що при зростанні прямої напруги збільшується прямий дифузійний струм діода. При розглянутих значеннях Uпр < 0,2 В дифузійний струм набагато менший тунельного струму, а при Uпp > 0,2 В дифузійний струм зростає і досягає значень, характерних для прямого струму звичайного діода.
На рис.8.10.г) розглянутий випадок, коли зворотна напруга Uзв = 0,2 В. Висота потенціального бар'єра стала 1 еВ, і значно збільшилося число рівнів, зайнятих електронами у валентній зоні р-області і відповідних вільним рівням в зоні провідності n-області. Тому різко зростає зворотний тунельний струм, який виходить такого ж порядку, як і струм при прямій напрузі.
Вольт-амперна характеристика тунельного діода (рис.8.11) пояснює розглянуті діаграми. Як видно, при Uпр = 0 струм рівний нулю. Збільшення прямого напруга до 0,1 В дає зростання прямого тунельний струму до максимуму (точка А). Подальше збільшення прямого напруга до 0,2 В супроводиться зменшенням тунельного струму. Тому в точці Б виходить мінімум струму і характеристика має падаючу ділянку АБ, для якої характерно від’ємний опір змінному струму
Ri =
u /i < 0. (8.3)
Після цієї ділянки струм знов зростає за рахунок дифузійного прямого струму, характеристика якого на рис.8.11 показана штриховою лінією. Зворотний струм виходить такий же, як прямий, тобто у багато разів більше, ніж у звичайних діодів.
Основні параметри тунельний діодів струм максимуму Imax, струм мінімуму Imin (часто вказується відношення Imax / Imin, яке переважно дорівнює декільком одиницям), напруга максимуму U1, напруга мінімуму U2, найбільша напруга U3, яка відповідає струму Imаx на другій наростаючій ділянці характеристики (ділянка БВ). Різниця Uп = U3 -U1 називається напругою перемикання або напругою стрибка. Струми в сучасних тунельний діодах складають одиниці міліампер, напруга десяті частки вольта. До параметрів також відносяться: від’ємний диференціальний опір діода (звичайно декілька десятків Ом), загальна ємність діода (одиниці або десятка пікофарад), час перемикання (десяті частки наносекунди) і максимальна або критична частота (сотні гігагерц).
Вмикаючи тунельний діод у різні схеми, можна його від’ємним опором компенсувати додатний активний опір (якщо робоча точка буде знаходитися на ділянці АБ) і отримувати режим підсилення або генерації коливань. Наприклад, в звичайному коливальному контурі за рахунок втрат завжди є загасання. Але з допомогою від’ємного опору тунельного діода можна компенсувати втрати в контурі і отримати в ньому незатухаючі коливання. Найпростіша схема генератора коливань з тунельний діодом показана на рис.8.12.
Роботу такого генератора можна пояснити таким чином. При ввімкненні живлення в контурі LC виникають вільні коливання. Без тунельного діода вони затухли б. Нехай напруга E вибрана такою, щоб діод працював на падаючій ділянці характеристики, і нехай у час одного напівперіоду змінна напруга контура має полярність, показану на малюнку знаками «+» і «-» без гуртків (знаки «+» і «-» в кавичках відносяться до постійних напруг). Напруга від контура подається на діод і є для нього зворотною. Тому пряма напруга на діоді зменшується. Але за рахунок роботи діода на падаючій ділянці характеристики струм зростає, тобто пройде додатковий імпульс струму, який додасть енергію в контур. Якщо ця додаткова енергія достатня для компенсації втрат, то коливання в контурі стануть незатухаючими.
Тунельний перехід електронів через потенціальний бар'єр відбувається в надзвичайно малі проміжки часу: (10-12 ( 10-14 ) c, або (10-3 ( 10-5) нс. Тому тунельні діоди добре працюють на надвисоких частотах (НВЧ). Наприклад, можна генерувати і підсилювати коливання з частотою до десятків і навіть сотень гігагерц. Потрібно відмітити, що частотна межа роботи тунельних діодів практично визначається не інерційністю тунельний ефекту, а ємністю самого діода, індуктивністю його виводів і його активним опором.
Принцип підсилення з використанням тунельного діода проілюстрований на рис.8.13. Для отримання режиму підсилення необхідно мати певні значення Е і Rн. Опір Rн повинен бути небагато менше абсолютного значення від’ємного опору діода. Тоді при відсутності вхідної напруги початкова робоча точка Т може бути встановлена на середині падаючої дільниці (ця точка є перетином лінії навантаження з характеристикою діода). При подачі вхідної напруги з амплітудою Um.вх лінія навантаження буде «здійснювати коливання», переміщаючись паралельно сама собі.
Крайні її положення показані штриховими лініями. Вони визначають кінцеві точки робочої ділянки АБ. Проектуючи ці точки на вісь напруг, отримуємо амплітуду вихідної напруги Um.вих, яка виявляється значно більшою амплітуди вхідної напруги. Особливість підсилювача на тунельному діоді це відсутність окремого вхідного і окремого вихідного кола, що створює деякі труднощі при реалізації схем з декількома каскадами підсилення. Підсилювачі на тунельних діодах можуть забезпечувати значне підсилення при невисокому рівні шумів.
Тунельний діод використовується також як швидкодіючий перемикач, зокрема час перемикання може бути біля 10-9 с, тобто біля 1 нс, і навіть менше. Схема роботи тунельного діода в імпульсному режимі в загальному випадку така ж, як на рис.8.13, але тільки вхідна напруга має форму імпульсів, а опір Rн повинен бути дещо більшим за абсолютним значення від від’ємного опору діода. На рис.8.14 показана діаграма роботи тунельного діода в імпульсному режимі. Напруга живлення Е вибрана таким чином, що при відсутності вхідного імпульсу діод працює в точці А і струм виходить максимальним (Imax), тобто діод відкритий. При подачі додатного імпульсу вхідної напруги пряма напруга на діоді збільшується і режим роботи діода стрибком переходить в точку Б. Струм зменшеншується до мінімального значення Imіn, і це умовно можна вважати закритим станом діода. А якщо встановити постійну напругу Е, яка відповідає точці Б, то можна переводити діод в точку А шляхом подачі імпульсу напруги від’ємної полярності.
Тунельні діоди можуть застосовуватися в техніці НВЧ, а також в багатьох імпульсних радіоелектронних пристроях, розрахованих на високу швидкодію. Крім досить малої інерційності перевагою тунельних діодів є їх стійкість до іонізуючого випромінювання, а також мале споживання енергії від джерела живлення. На жаль, експлуатація тунельний діодів виявила істотний їх недолік. Він полягає в тому, що ці діоди схильні до значного старіння, тобто з часом їх характеристики і параметри помітно змінюються, що може привести до порушення нормальної роботи того або іншого пристрою. Треба врахувати, що в майбутньому цей недолік вдасться звести до мінімуму.
Якщо для діода застосувати напівпровідник з концентрацією домішки біля 1018 см-3, то при прямій напрузі тунельний струм практично відсутній і у вольт-амперній характеристиці відсутня падаюча ділянка (рис.8.15). Проте при зворотній напрузі тунельний струм як і раніше значний, і тому такий діод добре пропускає струм у зворотному напрямку. Подібні діоди, що отримали назву обернені, можуть працювати як детектори на більш високих частотах, ніж звичайні діоди.
Всі тунельний діоди мають достатньо малі розміри. Наприклад, вони можуть бути оформлені в циліндричних герметичних металоскляних корпусах діаметром (3(4) мм і висотою біля 2 мм. Виводи у них гнучкі стрічкові. Маса не перевищує 0,15 г.
В наш час розробляються нові типи тунельний діодів, досліджуються нові напівпровідникові матеріали для них і вирішуються проблеми сповільнення їх старіння.
8.5. ПРИЛАДИ З ГЕТЕРОГЕННИМИ ПЕРЕХОДАМИ
Електронно-діркові переходи у всіх раніше розглянутих приладах відносяться до так званим гомогенним (гомопереходом), тобто є переходом між областями одного і того ж напівпровідника, що мають домішки різного типу (донорні і акцепторні). Гетерогенними (гетеропереходами) називаються переходи між різними напівпровідниковими матеріалами, що мають різну ширину забороненої зони. Теорія таких переходів була розроблена в 1951 - 1972 р.р. А.І. Губановим і Ж.І. Алфьоровим (СРСР), а також У. Шоклі (США).
Якщо є два різних напівпровідники, то можливі чотири типи гетеропереходів в залежності від характеру домішок в цих напівпровідниках: n1-n2, р1-р2, р1-n2 і р2-n1. Перехід метал - напівпровідник можна розглядати як особливий випадок. Найбільш вивчені наступні гетеропереходи: германій - арсенід галію (Ge - GaAs), германій - кремній (Ge - Si), арсенід галію - фосфід галію (GaAs - GaP), арсенід галію - арсенід індію (GaAs - InAs).
Різні напівпровідникові прилади з гетеропереходами мають ряд переваг і є достатньо перспективні. Так, наприклад, діоди з гетеропереходами типу n1–n2 або p1–р2 мають високу швидкодію і високу граничну частоту, оскільки в них відсутній порівняно повільний процес нагромадження і розсмоктування неосновних носіїв, характерний для звичайних n-р-переходів. Для гетеродіодов час перемикання з відкритою стану в закритий може бути менший за 1 нс. Представляють інтерес потужні гетеродіоди лазерного типу, в яких потужність, що виділяється випромінюється, а не нагріває сам діод. Тунельні гетеродіоди мають підвищене (в порівнянні зі звичайними тунельними діодами) відношення струмів Imax / Imin на спадаючій ділянці вольт-амперної характеристики, повільніше старіють і мають більш високу радіаційну стійкість. Більш ефективно працюють на НВЧ ніж лавинно-прольотні діоди з гетеропереходами.
Представляють інтерес транзистори з гетеропереходами, наприклад типу р1–n2–р2. Для них характерні високий коефіцієнт (, малі ємність емітерного переходу і поперечний опір бази, що дозволяє підвищити граничні частоти. Поліпшуються деякі параметри у польових транзисторів із затвором у вигляді гетероперехода і у тиристорів з гетеропереходом під зворотною напругою. Зокрема, підвищується швидкодія тиристорів.
Основна проблема створення хороших приладів з гетеропереходами полягає в тому, що важко усунути дефекти, які виникають на границі двох різних напівпровідників. Потрібний ретельний підбір матеріалів і вдосконалення технології їх виробництва.
8.6. ОДНОПЕРЕХІДНИЙ ТРАНЗИСТОР
Одноперехідний транзистор, який ще називають двобазовим діодом, показаний на рис.8.21. Він має тільки один n-р-перехід і за структурою нагадує польовий транзистор з керуючим n-р-переходом, але принцип його роботи зовсім іншої. Област п (база), що має на кінцях два виводи Б1 і Б2, не є каналом, що змінює свій опір за рахунок зміни площі поперечного перетину. Емітер типу р+ утворює з базою р+-n-перехід, на який на відміну від польового транзистора подаєтся не зворотна, а пряма зовнішня напруга. Вихідний струм, що протікає через базу, створює всередині неї на ділянці від емітера до виводу Б1 спад внутрішньої напруги Uвн, який є зворотний для емітерного переходу і запирає його. Якщо зовнішня пряма напруга, рівна Е1 + Uвх, більша Uвн, то результуюча напруга на переході стає прямою, перехід відпирається і в ньому починається інжекція дірок з емітера в базу. За рахунок цього опір бази зменшується. При зміні вхідної напруги змінюється рівень інжекції і опір бази, а отже, і вихідний струм, і на навантаженні виділяється підсилена вихідна напруга.
Одноперехідний транзистор може застосовуватися для підсилення, генерації і перемикання. Але за своїми частотними властивостями він значно поступається звичайним біполярним транзисторам і є низькочастотним приладом.
8.7. НАПІВПРОВІДНИКОВІ РЕЗИСТОРИ
Напівпровідникові резистори, що мають нелінійні властивості, називаються варисторами. Вони ще називаються нелінійними напівпровідниковими опорами (ННО). Основним матеріалом для варисторів служить порошок карбіду кремнію SiC з якою-небудь зв'язуючою речовиною. Нелінійність опору пояснюється головним чином нагрівом мікроконтактів між зернами карбіду кремнію. Зовні варистори оформляються у вигляді стержнів або дисків. На рис.8.22 наведені вольт-амперна характеристика варистора і його умовне зображення на схемах. Варистори можна використати на постійному і на змінному струмі з частотою до декількох кілогерців. При більш високих частотах починає позначатися власна ємність варистора. Практичне застосування варисторів досить різноманітне. Вони використовуються для захисту від перенапруг, в стабілізаторах і обмежувачах напруга, в різних схемах автоматики.
Найважливіші параметри варисторів:
коефіцієнт нелінійності – це відношення опору постійному струму до опору змінному струму, звичайно він складає (3 ( 6);
максимальна допустима напруга (від десятків вольт до декількох кіловольт);
номінальна потужність розсіювання (1(3 ) Вт;
температурний коефіцієнт опору, переважно - (5·10-3 ( 10-1) 1/оС;
гранична максимальна робоча температура (60(70)°С.
Терморезистори – це напівпровідникові резистори, у яких опір сильно залежить від температури. Їх ще називають термоопорами або термісторами. Частіше за все терморезистори виготовляють з оксидів металів і мають від’ємний температурний коефіцієнт опору (ТКО). Вони оформлені в вигляді стержнів, пластин, дисків, шайб або намистинок. Випускаються також терморезистори, що мають в деякому, порівняно вузькому інтервалі температур додатний ТКО і які називають позисторами.
На рис.8.23 показані: крива залежності опору терморезистора з від’ємним ТКО від температури, вольт-амперна характеристика при різних умовах тепловідведення і умовне зображення терморезистора на схемах. Крива 1 відповідає найкращому тепловідведенню, а крива 2 - найгіршому.
Терморезистори застосовуються як давачі температури і нелінійні резистори в різних пристроях автоматики. Спеціальні малогабаритні здвоєні терморезистори, які називають болометрами, застосовуються для вимірювання енергії випромінювання. Деякі терморезистори випускаються з непрямим підігрівом, тобто мають підігрівач, через який пропускають струм.
Найважливіші параметри терморезисторів:
номінальний опір (від декількох Ом до декількох кілоом з допусками ±5, ±10 і ±20%);
температурний коефіцієнт опору, звичайно -(0,8±6,0)·10-2 1/оС.
Крім того, для деякої певної температури, наприклад 20 оС, вказується опір постійному і змінному струму.
При експлуатації треба враховувати максимальну допустиму температуру і максимальну допустиму розсіювану потужність.
8.8. ПРИЛАДИ НА АМОРФНИХ НАПІВПРОВІДНИКАХ
Крім широко розповсюдження приладів, які виготовлені на кристалічних напівпровідниках, існують прилади на аморфних, тобто некристалічних, напівпровідниках. Їх інакше ще називають склоподібними напівпровідниками. Вони можуть бути виготовлені з оксидів різних елементів, або з таких елементів, як сірка, селен, фосфор та інші, або з хімічних сполук, які називають халькогенідами, які аналогічні оксидам, але замість кисню мають сірку, селен, або телур.
Плівку аморфного напівпровідника товщиною від одиниць до сотень мікрометрів наносять на відшліфовану графітову пластину і покривають шаром металу. Такий прилад може працювати як перемикач. Його вольт-амперна характеристика схожа на вольт-амперну характеристику симетричного тиристора. Поки напруга на приладі менше деякого значення, яку називають напругою перемикання, опір приладу дуже великий, тобто він знаходиться в закритому стані. При напрузі перемикання відбувається своєрідний неруйнівний тепловий пробій напівпровідника, в ньому утвориться провідний канал і прилад переходить у відкритий стан з малим опором. Іноді тепловому пробою передує лавинний електричний.
Напруга перемикання для різних приладів складає від одиниць до десятків вольт. Мінімальний струм, при якому прилад ще знаходиться у відкритому стані, називається струмом вимикання. Процес вмикання і вимикання приладів відбувається досить швидко, і тому вони можуть працювати на частотах до десятків і навіть сотень мегагерц.
На аморфних напівпровідниках можливо створити запам'ятовуючі прилади. які за принципом побудови такі ж, як і перемикальні, але з халькогенідним склом іншого складу. Особливість запам'ятовуючих приладів полягає в тому, що з переведенням їх у відкритий стан імпульсом струму не меншим за 0,1 мА і тривалістю більшою за 1 мс вони зберігають такий стан після вимкнення струму. Це пояснюється тим, що провідний канал при охолодженні переходить з аморфного стану в кристалічний з малим питомим опором. Перехід з відкритого стану в закритий проводиться імпульсом струму не меншим за 10 мА тривалістю не меншою за одну мікросекунду. На жаль, надійність, стабільність і термін служби приладів на аморфних напівпровідниках ще недостатньо високі. Так, наприклад, перемикачі витримують не більше за 1012 перемикань. Однак перевагою цих приладів є простота виготовлення і стійкість до іонізуючого випромінювання.
8.9. ТЕНЗОЕЛЕКТРИЧНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ
Напівпровідникові тензоелектричні прилади (тензоприлади) служать для вимірювання тиску і деформацій.
Тензорезистори засновані на тензорезистивному ефекті, який полягає в тому, що опір напівпровідника залежить від тиску на напівпровідник. Матеріалом для тензорезисторів частіше за все служить кремній, але можуть бути використані також інші напівпровідникові матеріали. До основних параметрів тензорезисторов відносяться номінальний опір (від десятків ом до десятків кілоом), тобто опір при відсутності тиску, і коефіцієнт тензочутливості, рівний відношенню відносної зміни опору ?R/R до відносної зміни довжини тензорезистора ?L /L. Цей коефіцієнт залежить від речовини, напівпровідника, типу електропровідності, питомого опору і напрямку деформації. У напівпровідників п-типу коефіцієнт тензочутливості від’ємний, тобто при зростанні тиску опір зменшується, а у напівпровідників р-типу він додатний. Практично цей коефіцієнт може дійти до сотень зі знаком «плюс» або «мінус». Тензорезистори характеризуються також граничною допустимою деформацією, яку не можна перевищувати не уникаючи виходу приладу з ладу.
Крім кристалічних тензорезисторів з кристалічного напівпровідника n- або р-типу можуть бути полікристалічні тензорезистори, в яких при деформації опір додатково змінюється за рахунок зміни опору контактів між окремими кристаликами.
Напівпровідникові тензодіоди працюють за принципом зміни вольт-амперної характеристики під дією тиску. Ця зміна пов'язана з тим, що при деформації змінюється висота потенціального бар'єра в n-р-переході. Коефіцієнт тензочутливості у тензодіодов досягає сотень і навіть тисяч. Він може бути ще вищим у тунельних тензодіодов.
У тензотранзисторах також під дією тиску змінюється вольт-амперна характеристика. У залежності від того, до якої області транзистора прикладений тиск, при його зростанні може спостерігатися зменшення або збільшення струму.
У тензотиристорах із збільшенням тиску на базовий електрод, що грає роль керуючого електрода, зростає струм емітера і за рахунок цього знижується напруга вмикання.
8.10. ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ
Уперше явище виникнення ЕРС під дією теплоти, назване термоелектрикою, спостерігав в 1821р. німецький фізик Т.І. Зеєбек. Процес отримання термо-ЕРС відбувається таким чином. Нехай є, наприклад, напівпровідник n-типу (рис.8.24.а), у якого один кінець (на малюнку лівий) нагрітий сильніше, ніж інший (правий). Тоді на лівому, «гарячому» кінці концентрація і енергія рухливих носіїв заряду (електронів) буде більшою, ніж на правому, «холодному» кінці, і станеться дифузія електронів від «гарячого» кінця до «холодного» (зліва направо). У результаті на правому кінці утвориться надлишок електронів, тобто від’ємний заряд, а на лівому кінці - додатний заряд. Між цими зарядами виникне електричне поле, яке буде прагнути рухати електрони в зворотному напрямку і перешкоджати подальшому зростанню заряду. Встановиться урівноважений стан, який характеризується деякою різницею потенціалів, яка і є термо-ЕРС. Вона може складати до 0,5 мВ на кожний градус різниці температур. Аналогічне явище може відбуватися і в напівпровіднику р-типу (рис.8.24.б), в якому будуть дифундувати дірки і виникнуть заряди протилежних знаків в порівнянні з отриманими в напівпровіднику n-типу. Практично для отримання термо-ЕРС застосовують так звані термоелементи, або термопари (рис.8.25), в яких нагрівається контакт двох напівпровідників n- і р-типу. Термо-ЕРС, яка при цьому виникає, тим більша, чим вища різниця температур між «гарячим» контактом термоелемента і його «холодними» кінцями. Термоелементи можуть бути також складені з двох різних металів або з металу і напівпровідника. Однак термоелемент з двох напівпровідників дає найбільшу термо-ЕРС. При нагріві до 600о С можна отримати термо-ЕРС до 0,3 В.
Спочатку термоелементи використовувалися головним чином у вимірювальних приладах і в різних давачах температури, а надалі з них стали будувати термоелектрогенератори або джерела постійного струму, в яких велика кількість термоелементів сполучена послідовно або змішано (послідовно-паралельно). У створенні таких генераторів особливо велику роль зіграли роботи фізиків під керівництвом академіка А. Ф. Іоффе. Під час Великої Вітчизняної війни партизанські радіостанції живилися іноді від термоелектрогенераторів, які надягали на скло гасової лампи. Потужність термоелектрогенераторів може бути від одиниць до сотень ват і навіть більш, а ККД - до десятків відсотків.
У 1834 р. французький фізик Ж. Ш. А. Пельтьє відкрив ефект, який назвали його ім'ям і зворотний ефекту Зеєбека. Ефект Пельтьє полягає в тому, що при протіканні струму через контакт двох різнорідних металів або напівпровідників цей контакт нагрівається або охолоджується в залежності від напряму струму. На цьому ефекті заснований принцип дії термоелектричних холодильників, що застосовуються в науці і техніці. Такі холодильники є батареєю послідовно сполучених термоелементів. Вони не можуть конкурувати із звичайними холодильниками великого об'єму, але зате особливо зручні для побудови приладів малого розміру.
ОПТОЕЛЕКТРОНІКА
9.1. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
Робота різних напівпровідникових приймачів випромінювання (фоторезистори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори) заснована на використанні внутрішнього фотоефекту, який полягає в тому, що під дією випромінювання в напівпровідниках відбувається генерація пар носіїв заряду електронів і дірок. Ці додаткові носії збільшують електричну провідність. Така додаткова провідність, зумовлена дією фотонів, отримала назву фотопровідності. У металах явище фотопровідності практично відсутнє, оскільки у них концентрація електронів провідності дуже велика (приблизно 1022 см-3) і не може помітно збільшитися під дією випромінювання. У деяких приладах за рахунок фотогенерації електронів і дірок виникає ЕРС, яку прийнято називати фото-ЕРС, я тоді ці прилади працюють як джерело струму. А внаслідок рекомбінації електронів і дірок в напівпровідниках утворюються фотони, і при деяких умовах напівпровідникові прилади можуть працювати як джерела випромінювання.
У наступних параграфах розглядаються напівпровідникові прилади, що найбільш широко застосовуються, і які працюють як приймачі або джерела випромінювання, а також прилади, що є поєднанням джерел і приймачів випромінювання і що отримали назву оптронов. Багато які з описаних в цьому розділі приладів виготовляються не тільки у вигляді дискретних елементів для РЕА, але вже входять і до складу інтегральних мікросхем.
9.2. ФОТОРЕЗИСТОРИ
Фоторезистор – це напівпровідниковий резистор, опір якого змінюється під дією випромінювання. Принцип побудови фоторезистора пояснюється на рис.9.1,.а). На діелектричну пластину 1 нанесений тонкий шар напівпровідника 2 з контактами 3 по краях. Схема ввімкнення фоторезистора наведена на рис.9.1.б). Полярность джерела живлення не відіграє ролі.
Якщо опромінення немає, то фоторезистор має деякий великий опір Rт, який називають темновим. Він є одним з параметрів фоторезистора і становить (104 ÷ 107) Ом. Відповідний струм через фоторезистор називають темновим струмом. При дії випромінювання з достатньою енергією фотонів на фоторезистор в ньому відбувається генерація пар рухливих носіїв заряду (електронів і дірок) і його опір зменшується.
Для фоторезисторов застосовують різні напівпровідники, що мають необхідні властивості. Так, наприклад, сірчистий свинець найбільш чутливий до інфрачервоних, а сірчистий кадмій - до видимих променів. Фоторезистори характеризуються питомою чутливістю, тобто інтегральною чутливістю, віднесеною до 1 В прикладеної напруги:
Sпит = Іф / (ФU), (9.1)
де Ф - світловий потік.
Звичайно питома чутливість становить декілька сотень або тисяч мікроампер на вольт-люмен.
Фоторезистори мають лінійну вольт-амперну і нелінійну енергетичну характеристику (рис.9.2). До параметрів фоторезисторів крім темнового опору і питомої чутливості потрібно ще віднести максимально допустиму робочу напругу (до 600 В), кратность зміни опори (може бути до 500), температурний коефіцієнт фотострума ТКФ =Iф /(Iф T). Значна залежність опору від температури, характерна для напівпровідників, є недоліком фоторезисторов. Істотним недоліком треба вважати також їх велику інерційність, що пояснюється досить великим часом рекомбінації електронів і дірок після припинення опромінення. Практично фоторезистори застосовуються лише на частотах не вище декількох сотень герц або одиниць кілогерц. Власні шуми фоторезисторов значні. Проте фоторезистори широко застосовуються в різних схемах автоматики і в багатьох інших пристроях.
9.3. ФОТОДІОДИ
Фотодіоди - це напівпровідникові діоди, в яких використовується внутрішній фотоефект. Світловий потік керує зворотним струмом фотодіодов. Під впливом світла на електронно-дірковий перехід і прилеглі, до нього області відбувається генерація пар носіїв заряду, провідність діода зростає і зворотний струм збільшується. Такий режим роботи називається фотодіодним (рис.9.3). Вольт-амперні характеристики Iф = f(U) при Ф=const для фотодіодного режиму (рис.9.4) нагадують вихідні характеристики біполярного транзистора, ввімкненого в схемі із загальною базою. Якщо світловий потік відсутній, то через фотодіод протікає звичайний початковий зворотний струм I0, який називають темновим. А під дією світлового потоку струм у діоді зростає і характеристика розташовується вище. Чим більший світловий потік, тим більший струм. З підвищенням зворотної напруги на діоді струм дещо зростає. Але при деякому значенні напруги виникає електричний пробій (характеристики позначені штриховими лініями). Енергетичні характеристики фотодіода Iф = f(Ф) при U = const лінійні і мало залежать від напруги (рис.9.5). Інтегральна чутливість фотодіода звичайно складає десятки міліампер на люмен. Вона залежить від довжини хвилі світлових променів і має максимум при деякій довжині хвилі, різній для різних напівпровідників. Інерційність фотодіодів невелика. Вони можуть працювати на частотах до декількох сотень мегагерц. А у фотодіодів зі структурою р-i-n граничні частоти підвищуються до десятків гігагерц. Робоча напруга у фотодіодів переважно складає (10÷30) В. Темновий струм не перевищує 20 мкА для германієвих приладів і 2 мкА для кремнієвих. Струм при освітленні складає сотні мікроампер. Останнім часом розроблені фотодіоди на складних напівпровідниках, які більш чутливі до інфрачервоного випромінювання. Більшість фотодіодов виготовляється за планарною технологією (рис. 9.6).
Є декілька різновидностей фотодіодів. У лавинних фотодіодів відбувається лавинне розмноження носіїв в n-p-переході і за рахунок цього в десятки разів зростає чутливість. В фотодіодах з бар'єром Шоткі є контакт напівпровідника з металом. Це діоди з підвищеною швидкодією. Поліпшеними властивостями відрізняються фотодіоди з гетеропереходами. Всі фотодіоди можуть працювати і як генератори ЕРС.
9.4. ФОТОЕЛЕМЕНТИ
Напівпровідникові фотоелементи, які називають також вентильними або фотогальванічними, служать для перетворення енергії випромінювання в електричну енергію. Властиво, вони є фотодіодами, які працюють без джерела зовнішньої напруги і створюють власні ЕРС під дією випромінювання.
Фотони, впливаючи на n-р-перехід і прилеглі до нього області, викликають генерацію пар носіїв заряду. Електрони і дірки, які виникли в n- і р-областях дифундують до переходу, і якщо вони не встигли рекомбінувати, то попадають під дію внутрішнього електричного поля, що є в переході. Це поле також діє і на носії заряду, які виникають у самому переході. Поле розділяє електрони і дірки. Для неосновних носіїв, наприклад для електронів, що виникли в р-області, поле переходу є прискорюючим. Воно перекидає електрони в п-область. Аналогічно дірки перекидаються полем з n-області в р-область. А для основних носіїв, наприклад дірок в р-області, поле переходу є таким, що гальмує, і ці носії залишаються в своїй області, тобто дірки залишаються в р-області, а електрони - в п–області (рис.9.7).
Внаслідок такого процесу в п- і р-областях нагромаджуються надмірні основні носії, тобто створюються відповідно заряди електронів і дірок і виникає різниця потенціалів, яку називають фото-ЕРС (Еф). Зі збільшенням світлового потоку фото-ЕРС зростає за нелінійним законом (рис.9.8). Значення ЕРС може досягати декількох десятих долей вольта. При під’єднанні напівпровідникового фотоелемента до навантаження (рис.9.9) виникає фотострум Iф =Еф / (Rн+Rі), де Rі, - внутрішній опір самого фотоелемента.
Перші вентильні фотоелементи з геміоксиду (закису міді) були розроблені ще в 1926 р. Надалі особливо широко застосовувалися селенові фотоелементи, виготовлені на основі селену р-типу. У пластинці такого селену створювався тонкий шар п-типу, на який діяв світловий потік. Інтегральна чутливість селенових фотоелементів доходила до декількох сотень мікроампер на люмен. Вони мали спектральну характеристику майже таку ж, як у людського ока, що було зручно для різних фотометричних методів. Значний інтерес представляли сірнистоталієві фотоелементи. У них чутливість досягала тисяч мікроампер на люмен. Недолік вентильних фотоелементів - незадовільні частотні властивості і значна залежність інтегральної чутливості від температури.
У цей час важливе значення мають кремнієві фотоелементи, які використовуються як сонячні перетворювачі. Вони перетворюють енергію сонячних променів в електричну, і ЕРС їх досягає 0,5 В. З таких елементів шляхом послідовного і паралельного з'єднання створюються сонячні батареї, які мають порівняно високий ККД (до 20%) і можуть розвивати потужність до декількох кіловат. Сонячні батареї з кремнієвих фотоелементів - це основні джерела живлення на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, автоматичних метеостанціях і інш. Практичне застосування сонячних батарей неухильно розширюється.
9.5. ФОТОТРАНЗИСТОРИ
Значно вища, в порівнянні з фотодіодами, інтегральна чутливість у фототранзисторів. Біполярний фототранзистор є звичайний транзистор, але в корпусі його зроблене прозоре «вікно», через яке світловий потік може попадати на область бази. Схема ввімкнення біполярного фототранзистора типу р-п-р з «вільною», тобто нікуди не під’єднаною, базою, наведена на рис.9.10. Як звичайно, на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному - зворотна.
Фотони викликають в базі генерацію пар носіїв заряду електронів і дірок. Вони дифундують до колекторного переходу, в якому відбувається їх розділення так само, як і в фотодіоді. Дірки під дією поля колекторного переходу переходять з бази в колектор і збільшують струм колектора. А електрони залишаються в базі і підвищують пряму напругу емітерного переходу, що підсилює інжекцію дірок в цьому переході. За рахунок цього додатково збільшується струм колектора. У транзисторі типу n-р-n все відбувається аналогічно.
Інтегральна чутливість у фототранзистора в десятки разів більша, ніж у фотодіода, і може досягати сотень міліампер на люмен. Фототранзистор з «вільною» базою має низьку температурну стабільність. Для усунення цього недоліку необхідно застосовувати схеми стабілізації режиму за постійним струмом. При цьому, звичайно, повинен бути використаний вивід бази. На цей вивід можна також подавати постійну напругу зміщення або електричні сигнали і здійснювати спільну дію цих сигналів і світлових.
Вихідні характеристики фототранзистора зображені на рис.9.9. Вони аналогічні до вихідних характеристик для ввімкнення транзистора в схемі із спільним емітером, різні криві відповідають різним значенням світлового потоку, а не струму бази.
З характеристик видно, що при підвищеному значенні напруги виникає електричний пробій (ділянки позначені штриховими лініями).
Параметри фототранзисторів - інтегральна чутливість, робоча напруга (10÷15) В, темновий струм (до сотень мікроампер), робочий струм (до десятків міліампер), максимальна допустима потужність (до десятків міліват), яка розсіюється, гранична частота. Фототранзистори, виготовлені сплавним методом, мають граничні частоти до декількох кілогерців, а виготовлені дифузійним методом (планарні) можуть працювати на частотах до декількох мегагерц. Недолік фототранзисторов, це порівняно високий рівень власних шумів.
Крім розглянутого біполярного фототранзистора застосовуються і інші. Складовий фототранзистор являє собою фототранзистор, сполучений із звичайним транзистором. Складовий транзистор має коефіцієнт підсилення за струмом, рівний добутку коефіцієнтів підсилення двох транзисторів ? = ?1·?2. У результаті інтегральна чутливість у складового фототранзистора в десятки разів більша, ніж у звичайного, і в тисячі разів більша, ніж у фотодіодів. Висока чутливість і висока швидкодія досягаються при поєднанні фотодіода з високочастотним транзистором.
Крім біполярний фототранзисторів як приймачі випромінювання використовуються і польові фототранзистори. На рис.9.12 показаний польовий фототранзистор з каналом n-типу. При опроміненні n-каналу в ньому і в прилеглій до нього р-області (області затвора) генеруються електрони і дірки. Перехід між n-каналом і р-областю знаходиться під зворотною напругою, і тому під дією поля цього переходу відбувається розділення носіїв заряду. У результаті підвищується концентрація електронів в n-каналі, зменшується його опір і збільшується концентрація дірок в р-області. Струм каналу (струм стоку) зростає. Крім того, виникає фотострум у колі затвора. Цей струм створює спад напруги на резисторі Rз, за рахунок чого зменшується зворотна напруга на керуючому переході канал-затвор. Це, в свою чергу, приводить до збільшення товщини каналу, а отже, до додаткового зменшення його опору і зростання струму стоку. Таким чином здійснюється керування струмом стоку за допомогою світла.
Представляють інтерес МДН-фототранзистори з індукованим (інверсним) каналом. Вони мають напівпрозорий затвор, через який освітлюється область напівпровідника під затвором. У цій області відбувається фотогенерація носіїв заряду. За рахунок цього змінюється значення порогової напруга, при якій виникає індукований канал, а також крутизна, що є основним параметром такого транзистора. На затвор іноді подають постійну напругу для встановлення початкового режиму.
Ще одна різновидність фототранзисторів - одноперехідні фототранзистори, в яких при опроміненні світлом знижується напруга вмикання.
9.6. ФОТОТИРИСТОРИ
Тиристорні чотиришарові структури p-n-p-n (рис.9.13) можуть керуватися світловим потоком, подібно тому як тріодні тиристори керуються напругою, що подається на один з емітерних переходів. При дії світла на область бази p1 в цій області генеруються електрони і дірки, які дифундують до п-р-переходу. Електрони, попадаючи в область переходу П2, що знаходиться під зворотною напругою, зменшують його опір. За рахунок цього відбувається перерозподіл напруг, прикладеної до тиристора: напруга на переході П2 дещо зменшується, а напруга на переходах П1 і П3 дещо збільшуються. Але тоді підсилюється інжекція в переходах П1 і П3 до переходу П2 приходять инжектовані носії, його опір знову зменшується і відбувається додатковий перерозподіл напруг, ще більше підсилюється інжекція в переходах П1 і П3, струм лавиноподібно наростає (див. штрихові лінії на рис.9.14), тобто тиристор відпирається.
Чим більший світловий потік, який діє на тиристор, тим при меншій напрузі вмикається тиристор. Це наочно показують вольт-амперні характеристики фототиристора, які наведені на рис.9.14. Після ввімкнення на тиристорі встановлюється, як звичайно, невелика напруга і майже вся напруга джерела Е падає на навантажені. Іноді у фототиристора буває зроблений вивід від однієї з базових областей (p1 або n2). Якщо через цей вивід подавати на відповідний емітерний перехід пряму напругу, то можна зменшувати напругу ввімкнення. Саме ввімкнення як і раніше буде здійснюватися дією світлового потоку.
Фототиристори можуть успішно застосовуватися в різних автоматичних пристроях як безконтактні ключі для комутації значних напруг і потужностей. Важливі переваги фототиристорів - мала споживана потужність у ввімкненому стані, малі габарити, відсутність іскріння, малий (частки секунди) час вмикання.
9.7. СВІТЛОВИПРОМІНЮЮЧІ ДІОДИ
Як малоінерційні напівпровідникові джерела випромінювання широко застосовуються світловипромінюючі діоди (світлодіоди), які працюють при прямій напрузі. Іноді їх називають інжекційними світлодіодами. Світло, яке виникає в світлодіодах, відносять до явища так званої інжекційної електролюмінісценції. Світло напівпровідникового діода спостерігав ще на початку 20-х років в Нижегородській радіолабораторії О. В. Лосєв під час своїх експериментів з генерації електричних коливань за допомогою кристалічного детектора. Однак подальше вивчення цього явища почалося лише в середині 50-х років. У цей час промисловість випускає десятки типів світлодіодів і більш складних індикаторних приладів, які є комбінацією тих або інших світлодіодів.
Принцип роботи світлодіодів полягає в наступному. При прямій напрузі в напівпровідниковому діоді відбувається інжекція носіїв заряду з емітерной області в область бази. Наприклад, якщо концентрація електронів в п-області більша, ніж концентрація дірок в р-області, тобто nп >> рр, то відбувається інжекція електронів з п-області в р-область. Інжектовані електрони рекомбінують з основними носіями базової області, в нашому випадку з дірками р-області. Електрони, які рекомбінують переходять з більш високих енергетичних рівнів зони провідності, близьких до її нижньої границі, на більш низькі рівні, розташовані поблизу верхньої границі валентної зони (рис.9.15). При цьому виділяється фотон, енергія якого майже рівна ширині забороненої зони
hv=hc/?=W. (9.2)
Підставляючи в цю формулу сталі величини, можна визначити ширину забороненої зони ?W (в електрон-вольтах), необхідну для випромінювання з тією або іншою довжиною хвилі ? (в мікрометрах):
W1,23/?. (9.3)
З цього співвідношення видно, що для випромінювання видимого світла з довжиною хвилі від 0,38 до 0,78 мкм напівпровідник повинен мати ?W> 1,7 еВ. Германій і кремній непридатні для світлодіодів, оскільки у них ширина забороненої зони дуже мала. Для сучасних світлодіодів застосовують головним чином фосфід галію GaP і карбід кремнію SiC, а також деякі потрійні з'єднання, які називають твердими розчинами, що складаються з галію, алюмінію і миш'яку (GaAlAs) або галію, миш'яку і фосфору (GaAsP) та інш. Внесення в напівпровідник деяких домішок дозволяє отримувати світло випромінюваня різного кольору.
Крім світлодіодів, що дають видиме світло, випускаються світлодіоди інфрачервоного (ІЧ) випромінювання, що виготовляються переважно з арсеніда галію GaAs. Вони застосовуються в фотореле, різних давачах і входять в склад деяких оптронів.
Існують світлодіоди змінного кольору світла з двома світловипромінюючими переходами, один з яких має максимум спектральної характеристики в червоній частині спектра, а інший в зеленій. Колір світла такого діода залежить від співвідношення струмів через переходи. Найкращу якость мають світлодіоди з гетеропереходом.
Основні параметри світлодіодів наступні:
1.Сила світла вимірюється в канделах для певного значення прямого струму. У світлодіодів сила світла звичайно складає десяті долі або одиниці мілікандела. Нагадаємо, що кандел є одиниця сили світла, яке випромінюється спеціальним стандартним джерелом.
2.Яскравість, яка дорівнює відношенню сили світла до площі освітленої поверхні. Вона складає десятки - сотні кандел на квадратний сантиметр (кнд/ см2).
3.Постійна пряма напруга, яка переважно складає (2-3) В.
4.Колір світла і довжина хвилі, яка відповідає максимальному світловому потоку.
5.Максимальний допустимий постійний прямий струм. Звичайно він складає десятки міліампер.
6.Максимальна допустима постійна зворотна напруга (одиниці вольт).
7.Діапазон температур навколішнього середовища, при яких світлодіод може нормально працювати, наприклад від - 60 до + 70°С.
Для світлодіодів звичайно розглядаються наступні характеристики. Характеристика яскравості, яка відображає залежність яскравості від прямого струму, а світлова характеристика залежність сили світла від прямого струму. Спектральна характеристика показує залежність випромінювання від довжини хвилі. Вольт-амперная характеристика світлодіода така ж, як у звичайного випрямляючого діода. Важливою характеристикою є діаграма спрямованості випромінювання, яка визначається конструкцією діода, зокрема наявністю лінзи, та іншими чинниками. Випромінювання може бути направленим або розсіяним (дифузійним).
Деякі параметри світлодіодів залежать від температури. Так, наприклад, яскравість і сила світла з підвищенням температури зменшуються. Швидкодія у світлодіодів висока. Світло зростає до максимуму протягом приблизно 10-8 с після подачі на діод імпульсу прямого струму.
Світлодіоди конструюють так, щоб назовні випромінювався можливо більший світловий потік. Однак значна частина потоку випромінювання все ж втрачається за рахунок поглинання в самому напівпровіднику і повного внутрішнього відображення на границі кристал-повітря. Конструктивно світлодіоди виконуються в металевих корпусах з лінзою, що забезпечує направлене випромінювання, або в прозорому пластмасовому корпусі, що створює розсіяне випромінювання. Виготовляються також безкорпусні діоди. Маса діода складає долі грама. Світлодіоди є основою для побудови більш складних приладів.
Лінійна світлодіодна схема являє собою інтегральну мікросхему, що складається з послідовно розміщених світлодіодних структур (сегментів), число яких може бути від 5 до 100. Такі лінійні шкали можуть замінювати щитові вимірювальні прилади і служити для відображення інформації, що безперервно змінюється.
Букво-цифровий світлодіодний індикатор також зроблений у вигляді інтегральної мікросхеми, яка складається з декількох світлодіодних структур, розташованих так, щоб при відповідних комбінаціях світлових сегментів виходило зображення цифри або букви. Однорозрядні індикатори дозволяють відтворити одну цифру від 0 до 9 або деякі букви. Багаторозрядні індикатори відтворюють одночасно декілька знаків. У більшості індикаторів сегменти мають вигляд смужок (звичайно 7 для кожного розряду). Випускаються також матричні індикатори, що мають 35 точкових світлодіодних елементів, з яких синтезуються будь-які знаки. Перевага матричного індикатора з великим числом елементів полягає в тому, що відмова одного з елементів матриці не приводить до помилки при відтворенні знаку. А в 7-сегментних індикаторах відмова одного сегмента часто робить неможливим правильне прочитання знаку, що відображається.
Протягом ряду років розробляються багатоелементні блоки, що містять десятки тисяч світлодіодів для отримання складних зображень. На цьому принципі створюються плоскі екрани для телевізійних приймачів, які замінюють кінескопи.
Параметри і характеристики цифролітерних індикаторів аналогічні тим, які приводяться для звичайних світлодіодів. Букво-цифрові індикатори широко застосовуються у вимірювальній апаратурі, пристроях автоматики і обчислювальної техніки, мікрокалькуляторах, електронних годинниках та інш.
9.8. ОПТРОНИ
Оптрон - це напівпровідниковий прилад, в якому конструктивно об'єднані джерело і приймач випромінювання, що має між собою оптичний зв'язок. У джерелі випромінювання електричні сигнали перетворюються в світлові, які впливають на фотоприймач і створюють в ньому знову електричні сигнали. Якщо оптрон має тільки один випромінювач і один приймач випромінювання, то його називають оптопарою або елементарним оптроном. Мікросхема, що складається з однієї або декількох оптопар з додатковими узгоджуючим і підсилюючим пристроями, називається оптоелектронною інтегральною мікросхемою (ОЕ ІМС). На вході і виході оптрона завжди є електричні сигнали, а зв'язок входу з виходом здійснюється світловими сигналами. Коло випромінювача є керуючим, а коло фотоприймача керованим. Найважливіші переваги оптронів.
1.Відсутність електричного зв'язку між входом і виходом і зворотного зв'язку між фотоприймачем і випромінювачем. Опір ізоляції між входом і виходом може досягати 1014 Ом, а прохідна ємність не перевищує 2 пФ і в деяких оптронах знижується до часток пікофаради.
2.Широка смуга частот коливань, що пропускаються, можливість передачі сигналів з частотою, від нуля до 1014 Гц.
3.Можливість керування вихідними сигналами шляхом впливу на оптичний канал.
4.Висока завадостійкість оптичного каналу, тобто його несприйнятливість до впливу зовнішніх електромагнітних полів.
5.Можливість поєднання в РЕА з іншими напівпровідниковими і мікроелектронними приладами.
Недоліки оптронів наступні:
1. Відносно велика споживана потужність, тому що двічі відбувається перетворення енергії, причому ККД цих перетворень невисокий.
2. Низька температурна стабільність і радіаційна стійкість.
3. Помітне «старіння», тобто погіршення параметрів з часом.
4. Порівняно високий рівень власних шумів.
Необхідність застосування гібридної технології замість більше зручної і досконалої планарної (в одному приладі об'єднані джерело і приймач випромінювання, які виготовлені з різних напівпровідників). Усі ці недоліки усуваються в процесі розвитку і удосконалення оптоелектронної техніки.
Конструктивно в оптронах випромінювач і приймач випромінювання поміщають в корпус і заливаються оптично прозорим клеєм (рис.9.16). Для використання в гібридних мікросхемах випущені мініатюрні безкорпусні оптрони. Особливу конструкцію мають оптопари з відкритим оптичним каналом. У них між випромінювачем і фотоприймачем є повітряний зазор (рис.13.17, а), в якому може переміщатися світлонепроникна перешкода, наприклад перфострічка з отворами. За допомогою перфострічки можна керувати світловим потоком. У іншому варіанті оптопари з відкритим каналом світловий потік випромінювача попадає в фотоприймач, відбиваючись від якого-небудь об'єкта (рис. 9.17, б).
Розглянемо різні типи оптопар, які відрізняються одна від одної фотоприймачами.
Резисторні оптопари мають як випромінювач надмініатюрную лампочку розжарення або світлодіод, що дає видиме або інфрачервоне випромінювання. Приймачем випромінювання є фоторезистор з селеніду кадмію або сульфіду кадмію для видимого випромінювання, а для інфрачервоного - з селеніду або сульфіду свинцю. Фоторезистор може працювати як на постійному, так і на змінному струмі. Для нормальної роботи оптопари необхідне узгодження випромінювача і фоторезистора за спектральними характеристиками.
На рис.9.18 схематично зображена резисторна оптопара (світлодіод і фоторезистор), в якої вихідне коло живиться від джерела постійної або змінної напруги Е і має навантаження Rн. Напруга Uкер, яка подається на світлодіод, керує струмом у навантаженні. Коло керування (коло випромінювача) ізольоване від фоторезистора, який може бути ввімкнений в коло з відносно високою напругою, наприклад 220 В.
Як параметри резисторних оптопар звичайно вказуються: максимальні струми і напруги на вході і виході, вихідний опір при нормальній роботі і так званий темновий вихідний опір (відповідний темновому струму в декілька мікроампер при відсутності вхідного струму), опір ізоляції і максимальна напруга ізоляції між входом і виходом, прохідна ємність, час ввімкнення і вимикання, що характеризують інерційність приладу. Найважливіші характеристики оптопари: вхідна вольт-амперна і передавальна. Остання показує залежність вихідного опору від вхідного струму.
Промисловість випускає резисторні оптопари з джерелом випромінювання у вигляді ламп розжарення, електролюмінісцентних конденсаторів і світлодіодів. У деяких оптопарах, призначених для комутації, розміщується декілька фоторезисторів. Резисторні оптопари застосовуються для автоматичного керування підсилення, зв'язку між каскадами, керування безконтактними дільниками напруга, модуляції сигналів, формування різних сигналів та інш.
Діодні оптопари (рис.9.19, а) мають переважно кремнієвий фотодіод і інфрачервоний арсенід-галієвий світлодіод. Фотодіод може працювати в фотогенераторному режимі, створюючи фото-ЕРС до 0,8 В, або в фотодіодному режимі. Діоди виготовляють за планарно-епітаксіальною технології. Для підвищення швидкодії застосовують фотодіоди структури типу р-i-n.
Основні параметри діодних оптопар: вхідні і вихідні напруги і струми для неперервного і імпульсного режимів, коефіцієнт передачі струму, тобто відношення вихідного струму до вхідного, час наростання і спаду вихідного сигналу, а також інші величини, аналогічні параметрам резисторних оптопар. Коефіцієнт передачі струму звичайно складає лише одиниці процентів, а час наростання і спаду для р-i-n фотодіодов може бути знижений до декількох наносекунд. Властивості діодних оптопар відображаються вхідними і вихідними вольт-амперними характеристиками і передавальними характеристиками для фотогенераторного і фотодіодного режимів.
Багатоканальні діодні оптопари мають в одному корпусі декілька оптопар. Маса оптопари складає приблизно один грам або десяті долі грама. Оптопари оформлені в металоскляному корпусі, а для гібридних мікросхем випускаються безкорпусні оптопари.
Застосування діодних оптопар досить різноманітне. Наприклад, на основі діодних оптопар створюються імпульсні трансформатори, які не мають обмоток. Оптопари використовуються для передачі сигналів між блоками складної РЕА, для керування роботою різних мікросхем, особливо мікросхем на МДН-транзисторах, в яких вхідний струм дуже малий. Різновидність діодних оптопар це оптопари, в яких фотоприймачем є фотоварикап (рис.9.19,б).
Транзисторні оптопари (рис.9.19, в) мають звичайно як випромінюючий арсенід-галієвий світлодіод, а приймач випромінювання - біполярний кремнієвий фототранзистор типу п-р-п. Основні параметри вхідного кола таких оптопар аналогічні параметрам діодних оптопар. Додатково вказуються максимальні струми, напруга і потужність, що відносяться до вихідного коло: темновий струм фототранзистора, час вмикання і вимикання, параметри, що характеризують ізоляцію вхідного коло від вихідного. Оптопари цього типу працюють головним чином у ключовому режимі і застосовуються в комутаційних схемах, пристроях зв'язку, різних давачах з вимірювальними блоками, як реле і в багатьох інших випадках.
Для підвищення чутливості в оптопарі може бути використаний складовий транзистор (рис. 9.19, г) або фотодіод з транзистором (рис.9.19, д). Оптопара з складовим транзистором має найбільший коефіцієнт передачі струму, але найменшу швидкодію, а найбільша швидкодія характерна для діодно-транзисторних оптопар.
Як приймач випромінювання в оптопарах застосовуються також одноперехідні транзистори (рис.9.19, е). Такі оптопари звичайно використовуються для ключових схем, наприклад в керованих релаксаційних генераторах, що створюють імпульси прямокутної форми. Одноперехідний фототранзистор універсальний: його можна використати як фоторезистор, якщо не ввімкнений емітерний перехід, або як фотодіод, якщо ввімкнений тільки один цей перехід.
Різновидність транзисторних оптопар - це оптопари з польовим фототранзистором (рис.9.19, ж). Вони відрізняються хорошою лінейністю вихідної вольт-амперної характеристики в широкому діапазоні напруг і струмів і тому зручні для аналогових схем.
Тиристорні оптопари мають в якості фотоприймача кремнієвий фототиристор (рис. 9.19, з) і застосовуються в ключових режимах. Основна область використання - це схеми для формування потужних імпульсів, керування потужними тиристорами, керування і комутації різних пристроїв з потужними навантаженнями. Параметри тиристорних оптопар: вхідні і вихідні струми і напруги, відповідні ввімкненню, робочому режиму і максимальних допустимих режимах, а також час вмикання і вимикання, параметри ізоляції між вхідним і вихідним колами.
Оптоелектроні інтегральні мікросхеми (ОЕ ІМС) мають оптичний зв'язок між окремими вузлами або компонентами. У цих мікросхемах, які виготовляються на основі діодних, транзисторних і тиристорних оптопар, крім випромінювачів і фотоприймачів містяться ще пристрої для обробки сигналів, отриманих від фотоприймача. Особливість ОЕ ІМС - це однонаправлена передача сигналу і відсутність зворотного зв'язку.
Різні ОЕ ІМС використовуються головним чином як перемикачі логічних і аналогових сигналів, реле і схеми букво-цифрової індикації. Крім ряду параметрів, аналогічних параметрам звичайних оптопар, для ОЕ ІМС ще характерні вхідні і вихідні струми і напруги, які відповідають логічним одиниці і нулю, час затримки вмикання і вимикання, напруга джерела живлення і споживаний струм.
Існують типи оптронів, наприклад, з оптичним входом і виходом, які використовуються для перетворення світлових сигналів, індикаторні ОЕ ІМС з декількома вбудованими світлодіодними або з сегментним светлодіодним індикатором. Техніка оптоелектронних приладів достатньо перспективна і неперервно розвивається і удосконалюється.