1.2.2 Электронно-дырочный переход

Рассмотрим некоторые свойства p-n-перехода, схематично показанного на рис.1.1(а). Без существенной погрешности можно считать, что концентрация свободных электронов в области с n проводимостью совпадает с концентрацией там донорной примеси (n=Nд). Аналогично, концентрация дырок в р области будет равна концентрации акцепторной примеси в данной области ( p=Nа). Кроме того, мы будем полагать концентрацию примесей в областях равномерной, а сам переход резким, как показано на графике (рис.1.1б) концентраций.

Тепловое движение свободных электронов и дырок приведет к их преимущественному движению из областей большей концентрации в области, где их концентрации меньше (диффузия). В результате свободные электроны будут диффундировать в р область, а дырки в область с n проводимостью. (Мы должны представлять, что диффузия дырок - это противоположное движение валентных электронов). Такое направленное движение заряженных частиц представляет собой диффузионный ток. Если бы электроны и дырки не имели электрического заряда, их диффузия продолжалась бы до полного выравнивания концентраций. Однако перенося свой заряд, они заряжают область n положительно, а область р - отрицательно, создавая тем самым электрическое поле и разность потенциалов между областями. Электростатические силы, действующие со стороны этого поля на основные свободные носители заряда, направлены против диффузии последних и ослабляют диффузионный ток через переход. В результате наступает равновесие, при котором ослабленный полем диффузионный ток компенсируется встречным т.н. дрейфовым током, созданным этим же контактным электрическим полем, которое действует на неосновные носители - свободные электроны в р-области и дырки в n-области.

Хотя дрейфовый ток создается контактным напряжением, его величина очень слабо зависит от этого напряжения, а определяется интенсивностью появления неосновных носителей и временем их существования:

(1.2)

В данной формуле n_p и p_n - концентрации неосновных носителей - электронов в р-области и дырок в n-области; L_p, L_n - средние длины, которые проходят неосновные носители от момента появления до исчезновения (рекомбинации), ф_р, ф_n - времена жизни неосновных носителей, S - площадь перехода.

Поскольку концентрации неосновных носителей n_p и p_n очень малы, малыми оказываются дрейфовый ток и ослабленный до его уровня диффузионный ток. В дальнейшем картина распределения зарядов в области перехода остается неизменной.

По обе стороны от центральной плоскости перехода будут существовать области объемного заряда, образованные продифундировавшими туда свободными электронами и дырками. Однако свободными эти носители заряда были только в своих областях. После того как они перешли в область с противоположной проводимостью они оказываются захваченными имеющимися там атомами противоположной примеси и утрачивают возможность движения. Таким образом, области объемного заряда будут иметь объемные плотности заряда, равные концентрациям примесных атомов, умноженным на элементарный заряд: с_р= -N_aq₀, с_n=N_дq₀. Границы совокупной области объемного заряда x_n, x_p очень четкие, они считаются границами p-n перехода. Внутри перехода, т.е. в области объемного заряда концентрация свободных носителей очень мала, она равна их концентрации при данной температуре в чистом полупроводнике - n_i. Практически данная область является диэлектриком. Иногда ее называют обедненным или запорным слоем р-n перехода. Полный объемный заряд во всей области должен быть равен нулю:

P_p+x_nN_aq₀=0, с_n+x_pNдq0=0,

откуда получим |x_n/x_p|=N_д/N_a. Если N_д=N_a, переход называется симметричным. Для такого перехода |x_n|=|x_p|, т.е. область объемного зараяда имеет одинаковую толщину в p и n областях. Однако симметричные переходы используются редко. В несимметричном переходе область объемного заряда оказывается сосредоточенной, главным образом в той области, где меньше концентрация легирующей примеси.

На рис.1.1г, д показаны графики изменения напряженности внутреннего поля и потенциала в направлении оси Х. Результирующая разность потенциалов - U₀, называемая контактной, выражается следующей формулой:

, (1.3)

в которой U_T=kT/q₀ - параметр, называемый температурным потенциалом. Это потенциал, приходящийся на одну степень свободы частицы с элементарным зарядом при ее тепловом движении. При комнатной температуре U_T?26 mB. Для оценки величины контактной разности потенциалов положим n_i=1.5*10¹⁶ м^-3, Na=10²¹ м^-3, Nд=10²⁰м^-3, тогда U₀=0.51B.

Общая толщина перехода - суммарная толщина областей объемного заряда равна:

(1.4)

Абсолютная диэлектрическая проницаемость кремния - е_а=10^-10Ф/м. Если подставить в (1.4) концентрации примесей из предыдущего примера, то получим w=2.8*10^-6 м=2.8 мкм. Это типичная собственная толщина перехода для умеренных концентраций примесей. С увеличением Na и Nд толщина перехода уменьшается. Переход можно рассматривать как конденсатор, у которого обкладками являются электропроводные р и n области, а диэлектриком слой объемного заряда, толщиной - w. Обозначив через S площадь перехода, вычислим емкость такого плоского конденсатора:

(1.5)

Ввиду малой толщины диэлектрического слоя и заметной диэлектрической проницаемости кремния величина емкости p-n перехода получается существенной даже у миниатюрных переходов. Например, переход с площадью S=1 мм² обладает емкостью 40 - 50 пф.

Если к p-n переходу приложено внешнее напряжение U, то оно суммируется с контактным напряжением U₀. Будем считать положительным внешнее напряжение - U, если оно приложено плюсом к р-области и минусом к n-области. Соответственно положительным будет считаться ток через переход, текущий от р-области к n-области. Часто данные полярность напряжения и направление тока называют прямыми, а противоположные - обратными. При этих условиях контактная разность потенциалов на переходе и дрейфовый ток через него отрицательны. Напротив, диффузионный ток положителен.

Если к p-n-переходу приложено напряжение положительной полярности - U (прямое напряжение), оно вычитается из контактного напряжения U₀. Суммарное напряжение на переходе уменьшается и становится равным -(U₀- U). Потенциальный барьер, препятствующий диффузионному току, уменьшается, что вызывает увеличение диффузионного тока. Следует иметь в виду, что, несмотря на небольшую величину контактного напряжения U₀?0.5 - 1В., изменить знак напряжения на переходе с помощью противоположного по знаку внешнего напряжения невозможно. Уменьшение разности (U₀- U) приводит к резкому росту диффузионного тока через переход, который задолго до нулевой величины этой разности становится столь большим, что расплавляет области перехода. Из этого следует, что величина дрейфового тока через переход, определяемая полярностью напряжения на переходе и формулой (3.2), не зависит от внешнего напряжения.

Результирующий ток перехода, равный разности диффузионного и дрейфового тока, выражается т.н. формулой Шокли:

(1.6)

На рис.1.2 показан график данной зависимости в крупном масштабе и микроскопическом масштабе вблизи нулевых отметок шкал. Формула Шокли выражает вольтамперную характеристику (ВАХ) перехода - зависимость тока от напряжения. Налицо односторонняя проводимость p-n перехода. Отрицательные напряжения на переходе вызывают очень малый дрейфовый ток, в то время как положительные напряжения - сильный диффузионный ток.

Если заменить в формулах (1.4, 1.5) контактное напряжение -U₀. на сумму контактного и внешнего (U₀- U), легко определится влияние внешнего напряжения на толщину перехода и его электроемкость.

, (1.7)

В случае отрицательного внешнего напряжения оно, суммируясь с контактным, может в широких пределах изменять толщину перехода и его электроемкость. Ниже мы увидим, что данные эффекты имеют практическое использования для управления электропроводностью и получения конденсаторов с регулируемой емкостью.

Пробой p-n-перехода - это явление резкого увеличения обратного тока перехода при увеличении обратного (отрицательного) напряжения на нем. Формула Шокли не отражает явления пробоя. Она справедлива только при небольших величинах обратного напряжения. График реальной ВАХ p-n-перехода показан на рис.1.3. Если обратное напряжение приближается к величине пробивного напряжения (Uпр) обратный ток диода, который при небольших напряжениях, практически, незаметен, начинает резко возрастать. Причиной этого являются два механизма, получившие названия туннельный пробой и лавинный пробой.

Туннельный пробой характерен для тонких переходов, у которых вследствие больших концентраций донорной и акцепторной примесей толщина перехода w мала. Поскольку суммарное напряжение (U₀-U) приложено к тонкой области объемного заряда, напряженность электрического поля Е=(U₀- U)/w оказывается весьма большой и вызывает туннельное проскакивание свободных носителей заряда через эту область. В результате возникает большой обратный ток. Подбирая концентрации примесей Na, Nд, можно получать нужные значения пробивного напряжения в диапазоне от нуля (рис.1.4а) до нескольких вольт (рис.1.3). При очень высоких концентрациях примесей можно даже получить положительные значения пробивного напряжения. В этом случае ВАХ перехода, показанная на рис.1.4б, приобретает участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Механизм лавинного пробоя p-n-перехода характерен для толстых переходов и позволяет получить большие величины Uпр - десятки и даже сотни вольт. Лавинный переход состоит из слабо легированных областей. Свободные носители, ускоряясь в области объемного заряда под действием поля (U₀- U) могут приобрести энергию, достаточную для освобождения электронов из атомов кристаллической решетки. Порожденные таким образом пары электрон-дырка также разгоняются полем (U₀- U) и могут вызвать следующую генерацию свободных носителей и т.д. Размножение свободных носителей в области объемного заряда происходит лавинообразно, что приводит к резкому увеличению обратного тока.

1.2.3 Полупроводниковые диоды

Диод - это электронный прибор с двумя электродами. Большинство полупроводниковых диодов содержат внутри кристалл полупроводника с p-n-переходом. Рассмотрим особенности некоторых из них.

Вентильные (выпрямительные) диоды предназначены для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное напряжение (ток). Для выпрямительных диодов основное свойство - односторонняя проводимость p-n-перехода. Будучи, включен в цепь переменного напряжения, диод пропускает ток в нагрузку только в одном направлении (выпрямляет график временной зависимости тока). С помощью дополнительных реактивных элементов удается однонаправленный пульсирующий ток превратить в почти постоянный. Конструктивно одиночные диоды представляют собой пластиковый корпус с выводами, внутри которого находится полупроводниковый кристалл. На рис.1.5 показан один из видов корпусных выпрямительных диодов и условное обозначение таких диодов на электрических схемах. Обозначение содержит треугольную стрелку, показывающую направления пропускания тока диодом.

Стабилитроны и стабисторы - это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации постоянного напряжения. Как видно из рис.1.3, графики ВАХ на прямой ветви и на обратной ветви при пробое идут почти вертикально. Это означает, что напряжение на диоде, включенном в направлении пропускания тока, или включенном в противоположном направлении и работающем в режиме пробоя, изменяется незначительно, в то время как ток может изменяться в широких пределах. Стабилитронами называются диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в режиме пробоя, а стабисторами - работающие на прямой ветви. На рис.1.6. приведены схемы простейших стабилизаторов на основе стабилитрона (а) и стабистора (б). Нестабильное, но достаточно большое напряжение U_пит подается через гасящий резистор R на параллельно включенные диод и потребитель стабилизированного напряжения - R_н. Если выполняется условие U_питR_н/(R+R_н)>U_стаб, то напряжение на R_н будет оставаться близким к U_стаб, даже если U_пит сильно изменяется.

Стабилитроны на небольшие напряжения (до 5 -6 В) используют главным образом туннельный пробой и называются диодами Зенера (даже на схемах обозначаются буквой Z). Стабилитроны на напряжения от 5 до 12 - 14В используют как туннельный, так и лавинный пробой. Их по-прежнему можно называть диодами Зенера. Однако стабилитроны на напряжения, большие 15В действуют только на основе лавинного пробоя. Тем не менее, их ошибочно по инерции иногда называют Зенеровскими.

Варикапы - это диоды, использующиеся в качестве конденсатора с регулируемой емкостью. Согласно формуле (1.7) электроемкость p-n-перехода зависит от внешнего напряжения U, приложенного к переходу. Изменяя это напряжение от нуля до величин, близких к пробивному, можно изменять емкость перехода в несколько раз. Условное обозначение варикапа показано на рис.1.7.

Светодиоды

Светодиоды служат реальной альтернативой традиционным источникам света, так как они обладают уникальными технологическими преимуществами, и размер их составляет всего лишь несколько миллиметров.

Светодиод - это полупроводниковый прибор, генерирующий (при прохождении через него электрического тока) оптическое излучение, которое в видимой области воспринимается как одноцветное (монохромное). Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями.

В отличие от ламп накаливания светодиод излучает свет определенного цвета. Спектр цветов, которые может излучать светодиод, простирается от инфракрасного и красного до зеленого и синего.

За последние годы эффективность светодиодов существенно возросла. В настоящее время она достигает в зависимости от цвета 30 лм/Вт и более (для сравнения, лучшая светоотдача у ламп может достигать 200 лм/Вт). Типичный светодиод потребляет ток 15-20мА при рабочем напряжении 1,7-4,6 В. Цветопередача находится в районе Ra>80.

Светоизлучающие диоды -- одни из немногих источников света, которые позволяют реализовать управляемое изменение цвета свечения. В настоящее время рассмотрено несколько путей создания светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения: двухпереходный однокристальный GaP диод; однопереходный двухполосный однокристальный GaP диод; двухкристальный биполярный диод с параллельным соединением кристаллов; двухкристальный диод с независимым включением кристаллов; двухпереходный однокристальный диод, один из р--n-переходов которого излучает красный свет, а другой--инфракрасное излучение, преобразуемое с помощью антистоксового люминофора в зеленое свечение.

Анализ оптических и электрических характеристик, технологичности и применения вышеуказанных видов светоизлучающих диодов с управляемым цветом свечения показал, что наибольший интерес в настоящее время представляет двухпереходный однокристальный GaP диод. Основные преимущества этого вида светоизлучающих диодов следующие: 1) позволяет получить более широкий, чем у однопереходного двухполосного GaP диода, диапазон изменения цвета свечения; 2) рабочий ток во всем спектральном диапазоне не более 20 мА в отличие от однопереходного GaP диода, у которого диапазон изменения тока существенно шире; 3) сила света примерно одинакова во всем спектральном диапазоне в отличие от однопереходного GaP диода, у которого сила света существенно различна для разных цветов свечения; 4) обеспечивает эффективное смешивание излучений двух полос, благодаря чему желтый и оранжевый цвета свечения имеют значительно лучшее качество, чем у двухкристальных диодов (последние фактически являются только двухцветными диодами); 5) позволяет отображать до пяти состояний объекта с помощью цветов: красный -- оранжевый -- желтый -- зеленый -- выключено (число отображаемых состояний может быть, по крайней мере, удвоено за счет использования мигающего свечения); 6) позволяет осуществить аналоговое отображение информации путем непрерывного изменения цвета свечения от красного до зеленого (через все оттенки);

7) имеет симметричную диаграмму направленности излучения в отличие от двухкристального диода, у которого кристаллы смещены относительно центра прибора, благодаря чему оси диаграмм направленности излучения расположены под углом к оптической оси прибора;

8) двухпереходный диод эффективнее светоизлучающего диода, использующего преобразование инфракрасного излучения в видимое, так как эффективность процесса антистоксового преобразования весьма низка.

Однако двухпереходный однокристальный GaP диод имеет и недостатки, а именно--более сложную технологию эпитаксиального выращивания структуры и изготовления кристаллов с тремя контактными областями.

Максимальная Плотность тока через p--n-переход c зеленым свечением составляет 5,5А/см2, через р--n-переход с красным свечением-9,0 А/см². Омический контакт к верхней p-области занимает примерно 20 % ее площади, а контакт к нижней р-области -- примерно 40% площади нижней грани. Омический контакт к базовой n-области выполнен сплошным и непрозрачным, как для улучшения цветовой характеристики прибора, так и для повышения надежности получения низкоомного омического контакта к n-GаР.

Для получения повышенной мощности излучения применяют суперлюминесцентные диоды, занимающие промежуточное положение между инжекционными светодиодами и полупроводниковыми лазерами. Они обычно представляют собой конструкции, работающие на том участке ватт-амперной характеристики, на котором наблюдается оптическое усиление (стимулированное излучение). Этот участок характеризуется тем, что внешний квантовый выход на нем существенно больше, чем у обычного светодиода. Суперлюминесцентные диоды имеют уменьшенную спектральную ширину полосы излучения и требуют для работы больших плотностей тока (при мощности излучения 60 мВт плотность тока 3 кА/см²). Их применяют при работе с волоконно-оптическими линиями связи.

Конструктивно диод выполнен в полимерной герметизации на основе металлостеклянной ножки, содержащей отражающую свет коническую поверхность, что позволяет использовать боковое излучение и увеличить в 2--3 раза силу света. Наличие заглубленного посадочного места облегчает центровку кристалла относительно оптической оси прибора. Высота полимерной линзы определена исходя из необходимости обеспечения заданной диаграммы направленности излучения (угол излучения 35°). Отношение высоты полимерной линзы S к радиусу сферы R выбрано равным 1,7.

Зависимость силы света от тока для зеленого цвета свечения сверхлинейна, для красного--сублинейна. Зависимость силы света от температуры для обоих р--n-переходов примерно одинакова. Температурный коэффициент составляет минус (5--8)*10^-3 К^-1.

Диод позволяет, управляемо изменять цвет свечения от красного до зеленого с получением промежуточных цветов: оранжевого, желтого и др.

В последнее время появились сообщения о создании двухпереходных однокристальных GaP диодов повышенной эффективности, содержащих оба р--n-перехода с одной стороны подложки. Структура диода выращивается жидкостной эпитаксией на подложке n-GаР, ориентированной в плоскости (111) В, двумя раздельными процессами. Устройство структуры следующее: слой n₁ (примыкающий к подложке) толщиной 40 мкм, легированный Те до n 8*10¹⁷см^-3;

слой р₁ толщиной 50 мкм, легированный Zn до p2*10¹⁷см-³ и кислородом; слой р₂ толщиной 40 мкм, легированный Zn до p6*10¹⁷см^-3 и азотом; слой n₂ толщиной 25 мкм, легированный S до nl*10¹⁷ см^-3 азотом.

Первый р--n-переход (n₁--p₁) излучает красный свет, второй (n₂--р₂) -- зеленый. В отличие от диода типа АЛС331А, описанного выше, данный диод имеет общий анод. Верхний р--n-переход часто изготавливается планарным благодаря применению разделительной диффузии цинка.

Для восстановления эффективности р--n-перехода с красным свечением, снизившейся в результате проведения второй эпитаксии по выращиванию р--n-перехода с зеленым свечением, применяется длительная термообработка структуры (400--600°С на воздухе в течение 20--70 ч).

Полученные диоды в полимерной герметизации характеризуются высокими значениями внешнего квантового выхода излучения: для красного света --4 % при токе 3мА (плотность тока 2А/см²), для зеленого света-- 0,4 % при токе 20 мА (12,5А/см²). Такие значения примерно соответствуют эффективности одноцветных светоизлучающих диодов.

В пользу применения светодиодов, кроме их декоративных свойств, говорит также малое потребление энергии, большой срок службы и обусловленные этим низкие затраты на техническое обслуживание. Затраты на эксплуатацию светодиодного оборудования также минимальны.

Светодиоды уже используются в светофорах на автострадах, железных дорогах и в аэропортах - там, где перегоревшая лампа представляет значительную угрозу, и цена не является доминирующим фактором.

Рис.1.8

Динистор

Каждый полупроводниковый прибор из класса тиристоров представляет собой "пирог" из нескольких слоев, образующих полупроводниковую структуру из чередующихся p-n переходов. У динистора три таких перехода, но выводы сделаны лишь от крайних областей (p и n). Поверхность кристалла-"пирога" с электропроводностью n типа обычно припаяна ко дну корпуса это катод динистора, а вывод от противоположной поверхности кристалла выполнен через стеклянный изолятор это анод.

Как и в случае с диодом, на анод динистора подают плюс напряжения питания, а на катод минус. И обязательно в цепь динистора включают нагрузку: резистор, лампу, обмотку трансформатора и т. д.

полупроводник диод транзистор урок

Если плавно увеличивать напряжение, ток через динистор будет вначале расти незначительно. Динистор при этом практически закрыт. Такое состояние продолжится до тех пор, пока напряжение на динисторе не станет равным напряжению включения Uвкл В этот момент в четырех слойной структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока и динистор переходит в открытое состояние. Падение напряжения на нем резко уменьшается (это видно на характеристике), а ток через динистор теперь будет определяться сопротивлением нагрузки, но он не должен превышать максимально допустимого тока.

Напряжение, при котором динистор открывается, называют напряжением включения (Uвкл), а соответствующий этому значению ток - током включения (Iвкл). В открытом состоянии динистор может находиться до тех пор, пока прямой ток через него будет превышать минимально допустимый ток Iуд, называемый током удержания.

1.2.4 Полупроводниковый лазер

Полупроводниковый лазер - полупроводниковый квантовый генератор, лазер с полупроводниковым кристаллом в качестве рабочего вещества. В полупроводниковом лазере в отличие от лазеров других типов, используются излучательные квантовые переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами кристалла. В полупроводниковом лазере возбуждаются и излучают (коллективно) атомы, слагающие кристаллическую решётку. Это отличие определяет важную особенность полупроводниковых лазеров - малые размеры и компактность (объём кристалла ~10^-6-10^-2см³). В полупроводниковых лазерах удаётся получить показатель оптического усиления до 10⁴ см^-1, хотя обычно для возбуждения генерации лазера достаточны и меньшие значения. Другими практически важными особенностями полупроводниковых лазеров являются: высокая эффективность преобразования электрической энергии в энергию когерентного излучения (до 30-50%); малая инерционность, обусловливающая широкую полосу частот прямой модуляции (более 10⁹ Ггц); простота конструкции; возможность перестройки длины волны l излучения и наличие большого числа полупроводников, непрерывно перекрывающих интервал длин волн от 0,32 до 32 мкм.

Инжекционные лазеры. Лазер на р-n-переходе представляет собой полупроводниковый диод, у которого две плоскопараллельные поверхности, перпендикулярные р-n-переходу, образуют оптический резонатор (коэффициент отражения от граней кристалла ~20-40%). Инверсия населённостей достигается при большой плотности прямого тока через диод (порог генерации соответствует току ~1 кА/см², а при пониженной температуре ~ 10²А/см²). Для получения достаточно интенсивной инжекции применяют сильно легированные полупроводники.

Инжекционные лазеры на гетеропереходе (появились в 1968) представляют собой, например, двусторонние гетероструктуры. Активный слой (GaAs) заключён между двумя полупроводниковыми гетеропереходами, один из которых (типа р-n) служит для инжекции электронов, а второй (типа р-р) отражает инжектированные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из активного слоя (электронное ограничение). При одинаковом токе накачки в активном слое гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление, чем в полупроводниковых лазерах на р-n-переходах. Другое преимущество гетероструктуры состоит в том, что образованный активным слоем диэлектрический волновод удерживает излучение, распространяющееся вдоль структуры, в пределах активного слоя (оптическое ограничение), благодаря чему оптическое усиление используется наиболее эффективно. Они находят широкое применение как управляемые источники света в оптоволоконных линиях связи. Также, они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах. Другое распространённое применение -- считывание штрих-кодов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные -- в целеуказателях. Инфракрасные и красные лазеры -- в проигрывателях CD- и DVD-дисков. Синие лазеры -- в выходящих в настоящее время на рынок устройствах HD DVD и Blu-Ray. Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии.

До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.

1.2.5 Термистор

Терморезистор (от термо. и резистор), термистор, термосопротивление, полупроводниковый резистор, обладающий свойством существенно изменять своё электрическое сопротивление при изменении температуры. Термистор - один из наиболее простых полупроводниковых приборов. Главные параметры термистора - диапазон рабочих температур и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяемый как относительное приращение сопротивления (в %) при изменении температуры на 1 К. Различают термисторы с отрицательным ТКС (ОТ), у которых электрическое сопротивление с ростом температуры убывает, и с положительным ТКС (ПТ), у которых оно возрастает. Для изготовления ОТ используют: смеси окислов переходных металлов (например, Mn, Со, Ni, Cu); Ge и Si, легированные различными примесями; карбид кремния (SiC). Диапазон рабочих температур большинства ОТ лежит в пределах от 170-210 К до 370-570 К с ТКС при комнатных температурах. Существуют ОТ высокотемпературные (900-1300 К) и низкотемпературные (4,2-77 K). Из ПТ наиболее важны термисторы, материалом для которых служат твёрдые растворы на основе титаната бария BaTiO3 (легированные лантаном, церием, висмутом и т. д.); такие ПТ часто называются позиторами. В области температур, близких к сегнетоэлектрическому фазовому переходу, их сопротивление при повышении температуры резко увеличивается (на несколько порядков), и в небольшом (~5 К) интервале температур их ТКС может достигать 50% К и более.

Термисторы выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок. Размеры термисторов варьируют от нескольких мкм до нескольких см. На основе термисторов разработаны системы и устройства дистанционного и централизованного измерения и регулирования температуры, противопожарной сигнализации и теплового контроля, температурной компенсации различных элементов электрической цепи, измерения вакуума и скорости движения жидкостей и газов, а также мощности измерители и др.

1.2.6 Транзистор и его виды

ТРАНЗИСТОР - трансформатор резистивности, полупроводниковый прибор, предназначенный для управления электропроводностью посредством электрического сигнала. Это позволяет управлять величиной электрического тока и усиливать его. Транзисторы выпускаются в виде дискретных компонентов в индивидуальных корпусах или в виде активных элементов т.н. интегральных схем, где их размеры не превышают 0,025 мм. В связи с тем, что транзисторы очень легко приспосабливать к различным условиям применения, они почти полностью заменили электронные лампы. На основе транзисторов и их применений выросла широкая отрасль промышленности - полупроводниковая электроника

Полевой транзистор

Полевой транзистор -- полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного направлению тока электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы называются униполярными (в отличие от биполярных). По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл -- полупроводник, вторую -- транзисторы с управлением посредством изолированного электрода (затвора), т.н. транзисторы МДП (металл -- диэлектрик -- полупроводник).

Транзисторы с управляющим p-n переходом

Полевой транзистор с управляющим p-n переходом -- это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала p-n переходом, смещенным в обратном направлении.

Такой транзистор имеет два невыпрямляющих контакта к области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда, и один или два управляющих электронно-дырочных перехода, смещенных в обратном направлении. При изменении обратного напряжения на p-n переходе изменяется его толщина и, следовательно, остающаяся толщина области, по которой проходит управляемый ток основных носителей заряда. Область, толщина и поперечное сечение которой управляется внешним напряжением на управляющем p-n переходе и по которой проходит управляемый ток основных носителей, называют каналом. Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Электропроводность канала может быть как n-, так и p-типа. Поэтому по электропроводности канала различают полевые транзисторы с n-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды транзисторов с n- и с p-каналом, противоположны.

Управление током стока, то есть током от внешнего относительно мощного источника питания в цепи нагрузки, происходит при изменении обратного напряжения на p-n переходе затвора (или на двух p-n переходах одновременно). В связи с малостью обратных токов мощность, необходимая для управления током стока и потребляемая от источника сигнала в цепи затвора, оказывается ничтожно малой. Поэтому полевой транзистор может обеспечить усиление электромагнитных колебании как по мощности, так и по току и напряжению.

Транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Рис. 1.9 Устройство полевого транзистора с изолированным затвором.

Полевой транзистор с изолированным затвором -- это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды -- исток и сток. Расстояние между сильнолегированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путем высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод -- затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.

Входное сопротивление МДП-транзисторов может достигать 10¹⁰...10¹⁴ Ом (у полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом 10⁷...10⁹), что является преимуществом при построении высокоточных устройств.

Существуют две разновидности МДП-транзисторов: с индуцированным каналом и со встроенным каналом.

В МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 1.9, а) проводящий канал между сильнолегированными областями истока и стока отсутствует и, следовательно, заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном значении напряжения на затворе относительно истока, которое называют пороговым напряжением (UЗИпор).

В МДП-транзисторах со встроенным каналом (рис.1.9, б) у поверхности полупроводника под затвором при нулевом напряжении на затворе относительно истока существует инверсный слой -- канал, который соединяет исток со стоком.

МДП-транзисторы со встроенным каналом

Рис. 1. Выходные статические характеристики (a) и статические характеристики передачи (b) МДП-транзистора со встроенным каналом.

В данной схеме в качестве нелинейного элемента используется МДП-транзистор с изолированным затвором и индуцированным каналом. В связи с наличием встроенного канала в таком МДП-транзисторе при нулевом напряжении на затворе (см. рис. 1.9, б) поперечное сечение и проводимость канала будут изменяться при изменении напряжения на затворе как отрицательной, так и положительной полярности. Таким образом, МДП-транзистор со встроенным каналом может работать в двух режимах: в режиме обогащения и в режиме обеднения канала носителями заряда. Эта особенность МДП-транзисторов со встроенным каналом отражается и на смещении выходных статических характеристик при изменении напряжения на затворе и его полярности (рис. 1).

Статические характеристики передачи (рис. 1, b) выходят из точки на оси абсцисс, соответствующей напряжению отсечки UЗИотс, то есть напряжению между затвором и истоком МДП-транзистора со встроенным каналом, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения.

Фототранзисторы

Фототранзистором называют полупроводниковый прибор с двумя электронно-дырочными переходами, ток которого увеличивается за счет подвижных носителей заряда, образующихся при облучении прибора светом.

Принцип действия. При освещении прибора (Ф > 0) в базе в результате собственного поглощения образуются пары зарядов. Дырки -- неосновные носители -- диффундируют к коллекторному переходу и выбрасываются в коллектор, увеличивая ток в его цепи, подобно тому, как это происходит в фотодиоде. Образовавшиеся электроны -- основные носители базовой области -- не могут покинуть базу, так как базовый вывод отсутствует. Скапливаясь в базе, они увеличивают отрицательный объемный заряд, в том числе и у эмиттерного перехода. В результате потенциальный барьер у этого перехода снижается и развивается диффузионный поток дырок из эмиттера в базу. Дырки, диффундируя в толще базы, подходят к коллекторному переходу и выбрасываются полем этого перехода в коллектор. Таким образом, генерируемые в базе при ее освещении носители зарядов не только непосредственно участвуют в создании фототока через коллекторный переход, но и стимулируют в приборе физические процессы, обусловливающие протекание тока как в обычном транзисторе. Для тока в фототранзисторе, следовательно, можно записать: