что такое прямое включение и обратное включение
Прямое и обратное включение перехода
При использовании \(p\)-\(n\)-перехода в реальных полупроводниковых приборах к нему может быть приложено внешнее напряжение. Величина и полярность этого напряжения определяют поведение перехода и проходящий через него электрической ток. Если положительный полюс источника питания подключается к \(p\)-области, а отрицательный — к \(n\)-области, то включение называют прямым включением. При изменении указанной полярности включение \(p\)‑\(n\)‑перехода называют обратным включением.
При прямом включении \(p\)-\(n\)-перехода внешнее напряжение создает в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему диффузионному электрическому полю. Напряженность результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в соседнюю область (ток дрейфа при этом не изменяется, поскольку он зависит от количества неосновных носителей, появляющихся на границах перехода), т.е. через переход будет протекать результирующий ток, определяемый в основном диффузионной составляющей. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально.
Повышенная диффузия носителей зарядов через переход приводит к повышению концентрации дырок в области \(n\)-типа и электронов в области \(p\)-типа. Такое повышение концентрации неосновных носителей вследствие влияния внешнего напряжения, приложенного к переходу, называется инжекцией неосновных носителей. Неравновесные неосновные носители диффундируют вглубь полупроводника и нарушают его электронейтральность. Восстановление нейтрального состояния полупроводника происходит за счет поступления носителей зарядов от внешнего источника. Это является причиной возникновения тока во внешней цепи, называемого прямым током.
При включении \(p\)-\(n\)-перехода в обратном направлении внешнее обратное напряжение создает электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Все это уменьшает диффузионные токи основных носителей. Для неосновных носителе поле в \(p\)-\(n\)-переходе остается ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.
p-n переход
p-n переход
При контакте слоев с различными типами проводимости (p- и n-слоев) часть электронов проводимости переходит из n-слоя в p-слой и происходит их рекомбинация с дырками (То есть отрицательный электрон закрывает положительно заряженную дырку, и вместе их заряд равен нулю). Часть атомов акцепторной примеси (алюминия, бора), имеющих отрицательный заряд, не компенсируется положительным зарядом дырок, и в этой области p-слоя возникает отрицательный объемный заряд. Электроны, ушедшие из n-слоя, перестают компенсировать положительный заряд атомов донорной примеси (фосфор, сурьма, мышьяк), и в n-слое образуется положительный объемный заряд. Таким образом, вблизи границы p- и n-слоев возникает двойной электрический слой (рис. 1. 1, в). Область двойного-слоя электрических объемных зарядов называется электронно-дырочным переходом, или p-n переходом. Объемные заряды препятствуют дальнейшему диффузионному движению электронов из n-слоя в p-слой и дырок из p-слоя в n-слой. В результате возникновения объемных зарядов образуется потенциальный барьер, высота ф0 которого определяется соотношением концент
раций примесных атомов в p-n переходе и обычно составляет 0,6—0,9 В.
Прямое включение p-n пер ехода
Обратное включение p-n перехода
Если изменить полярность источника ЭДС так, что положительный полюс окажется соединен с n-слоем, а отрицательный — с p-слоем (рис. 1.1 в), то переход дырок из р-слоя в n-слой и электронов из n-слоя в p-слои сокращается. Более того, дырки, ранее перешедшие из p-слоя в n-слой и не успевшие прорекомбинировать с электронами, будут оттягиваться полем p-n перехода в p-слой. Аналогичным образом электроны проводимости, перешедшие из n-слоя в p-слой, будут оттягиваться полем p-n перехода в n-слой. При этом через полупроводниковую структуру протекает значительный ток (единицы — сотни ампер в зависимости от режима нагрузки), ограниченный только сопротивлением внешней цепи и противоположный по направлению ранее протекавшему прямому току. Такое состояние полупроводниковой структуры называется обратным проводящим состоянием, а протекающий ток — током восстановления запирающих свойств. Спустя некоторое время обычно несколько десятков микросекунд, концентрация избыточных носителей в окрестности р-n перехода уменьшается до нуля и ток через полупроводниковую структуру также уменьшается. Потенциальный барьер p- n перехода увеличивается на величину приложенного напряжения. Такая полярность прилагаемого напряжения называется обратной, а состояние полупроводниковой структуры после восстановления запирающих свойств — обратным запертым состоянием.
Заключение
Как видно из выше сказанного p-n переход пропускает ток только в одном направлении (при прямом включении).
Полупроводники. Часть вторая: Электронно-дырочный переход.
Содержание / Contents
↑ Контакт двух полупроводников р и n-типов. Диффузия основных носителей
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности.
Рассмотрим структуру, состоящую из полупроводниковых областей р- и n-типа (рис. 3.4, а). В состоянии равновесия отрицательный заряд ионов-акцепторов скомпенсирован положительным зарядом дырок, а положительный заряд ионов-доноров — отрицательным зарядом свободных электронов, и каждая из областей полупроводника является электрически нейтральной.
Концентрацию основных Носителей—дырок в р-области,— установившуюся при некоторой температуре, обозначим через p p0, а неосновных носителей —электронов — через n p0. Концентрацию основных носителей — электронов — и неосновных носителей — дырок в n-области — обозначим соответственно через n n0 и p n0. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителей р-области соответственно равны концентрациям основных и неосновных носителей n-области, т. е. p p0= n n0 и p n0= n p0.
Предположим, что р- и n-области соединены друг с другом (рис. 3.4, б). Так как в р-области дырок значительно больше, чем в n-области, будет происходить их диффузия из р-области в n-область. Этот процесс аналогичен диффузии подвижных частиц в жидкости и воздухе.
Вследствие разности концентраций электронов в р- и n-областях будет происходить их диффузия из n-области в р-область. Диффузия основных носителей через границу между р- и n-областями создает электрический ток. Этот ток называют диффузионным. Он содержит электронную и дырочную составляющие и направлен из р-области в n-область.
↑ Образование потенциального барьера. Контактная разность потенциалов
При уходе дырок из р-области в n-область в р-области остаются отрицательные ионы акцепторов, а при уходе электронов из n-области в р-область в n-области остаются положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с атомами основного полупроводника (германия или кремния) и не могут перемещаться. Поэтому в р-области на границе с n-областью создается отрицательный заряд, а в n-области на границе с р-областью — положительный заряд. Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р- и n-областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным.
Оно характеризуется напряженностью E диф, направленной из n-области в р-область. Диффузионное поле, возникшее между р- и n-областями, оказывается тормозящим для дырок р-области и электронов n-области, т. е. на границе между р- и n-областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей.
↑ Дрейф неосновных носителей.Образование электронно-дырочного перехода
Помимо основных в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей — электронов в р-области и дырок в n-области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок n-области и электронов р-области в пределы диффузионного поля они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диффузии основных носителей через границу р-и n-областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновных носителей.
Такой ток тоже содержит две составляющие — электронную и дырочную — и называется дрейфовым, или током проводимости. Дрейфовый ток направлен из n-области в р-область, т. е. навстречу диффузионному току. Если к р- и n-областям не подключен внешний источник напряжения и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между р-и n-областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током и результирующий ток равен нулю.
Область вблизи места контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого сопротивление данной области оказывается очень большим, и ее называют запирающим слоем, или областью объемного заряда, а чаще всего — электронно-дырочным переходом (р-n-переходом).
↑ Прямое включение электронно-дырочного перехода
↑ Обратное включение электронно-дырочного перехода
Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к n-области и минусом к р-области (рис. 3.5, в), внешнее напряжение увеличит потенциальный барьер р-n-перехода. Диффузионный ток станет меньше тока дрейфа.
Результирующий ток, протекающий через р-n-переход, в этом случае будет определяться дрейфовым током, т. е. его значение и направление такие же, как и у дрейфового тока. Это включение р-n-перехода называют обратным, а протекающий через него ток — обратным током. Так как обратный ток образован неосновными подвижными носителями заряда р- и n-областей, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения (рис. 3.5, г).
При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n-перехода, вследствие которого резко увеличивается обратный ток. Пробой может быть тепловым (кривая 1) или электрическим (кривая 2). При тепловом пробое разрушается кристалл и свойства р-n-перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. е. свойства р-n-перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.
↑ Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода
Ход вольтамперной характеристики зависит от температуры. При ее повышении увеличивается число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приводит к увеличению прямого и обратного токов при тех же значениях напряжения на р-n-переходе (рис. 3.7).
↑ Емкостные свойства электронно-дырочного перехода (ЭДП)
В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДП можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные р- и n-области. Если к р- и n-областям приложить обратное напряжение, толщина p-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.
Эта емкость р-n-перехода получила название зарядной, или барьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов, или потенциального барьера на границе р- и n-областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на р-n-переходе.
Емкостные свойства р-n-перехода используются в Полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.
Источник: В. И. Галкин, Начинающему радиолюбителю. М., 1983.
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
Биполярные транзисторы. For dummies
Предисловие
Поскольку тема транзисторов весьма и весьма обширна, то посвященных им статей будет две: отдельно о биполярных и отдельно о полевых транзисторах.
Транзистор, как и диод, основан на явлении p-n перехода. Желающие могут освежить в памяти физику протекающих в нем процессов здесь или здесь.
Необходимые пояснения даны, переходим к сути.
Транзисторы. Определение и история
Транзистор — электронный полупроводниковый прибор, в котором ток в цепи двух электродов управляется третьим электродом. (tranzistors.ru)
Первыми были изобретены полевые транзисторы (1928 год), а биполярные появилсь в 1947 году в лаборатории Bell Labs. И это была, без преувеличения, революция в электронике.
Очень быстро транзисторы заменили вакуумные лампы в различных электронных устройствах. В связи с этим возросла надежность таких устройств и намного уменьшились их размеры. И по сей день, насколько бы «навороченной» не была микросхема, она все равно содержит в себе множество транзисторов (а также диодов, конденсаторов, резисторов и проч.). Только очень маленьких.
Кстати, изначально «транзисторами» называли резисторы, сопротивление которых можно было изменять с помощью величины подаваемого напряжения. Если отвлечься от физики процессов, то современный транзистор тоже можно представить как сопротивление, зависящее от подаваемого на него сигнала.
В чем же отличие между полевыми и биполярными транзисторами? Ответ заложен в самих их названиях. В биполярном транзисторе в переносе заряда участвуют и электроны, и дырки («бис» — дважды). А в полевом (он же униполярный) — или электроны, или дырки.
Также эти типы транзисторов разнятся по областям применения. Биполярные используются в основном в аналоговой технике, а полевые — в цифровой.
И, напоследок: основная область применения любых транзисторов — усиление слабого сигнала за счет дополнительного источника питания.
Биполярный транзистор. Принцип работы. Основные характеристики
Биполярный транзистор состоит из трех областей: эмиттера, базы и коллектора, на каждую из которых подается напряжение. В зависимости от типа проводимости этих областей, выделяют n-p-n и p-n-p транзисторы. Обычно область коллектора шире, чем эмиттера. Базу изготавливают из слаболегированного полупроводника (из-за чего она имеет большое сопротивление) и делают очень тонкой. Поскольку площадь контакта эмиттер-база получается значительно меньше площади контакта база-коллектор, то поменять эмиттер и коллектор местами с помощью смены полярности подключения нельзя. Таким образом, транзистор относится к несимметричным устройствам.
Прежде, чем рассматривать физику работы транзистора, обрисуем общую задачу.
Она заключаются в следующем: между эмиттером и коллектором течет сильный ток (ток коллектора), а между эмиттером и базой — слабый управляющий ток (ток базы). Ток коллектора будет меняться в зависимости от изменения тока базы. Почему?
Рассмотрим p-n переходы транзистора. Их два: эмиттер-база (ЭБ) и база-коллектор (БК). В активном режиме работы транзистора первый из них подключается с прямым, а второй — с обратным смещениями. Что же при этом происходит на p-n переходах? Для большей определенности будем рассматривать n-p-n транзистор. Для p-n-p все аналогично, только слово «электроны» нужно заменить на «дырки».
Поскольку переход ЭБ открыт, то электроны легко «перебегают» в базу. Там они частично рекомбинируют с дырками, но большая их часть из-за малой толщины базы и ее слабой легированности успевает добежать до перехода база-коллектор. Который, как мы помним, включен с обратным смещением. А поскольку в базе электроны — неосновные носители заряда, то электирическое поле перехода помогает им преодолеть его. Таким образом, ток коллетора получается лишь немного меньше тока эмиттера. А теперь следите за руками. Если увеличить ток базы, то переход ЭБ откроется сильнее, и между эмиттером и коллектором сможет проскочить больше электронов. А поскольку ток коллектора изначально больше тока базы, то это изменение будет весьма и весьма заметно. Таким образом, произойдет усиление слабого сигнала, поступившего на базу. Еще раз: сильное изменение тока коллектора является пропорциональным отражением слабого изменения тока базы.
Помню, моей одногрупнице принцип работы биполярного транзистора объясняли на примере водопроводного крана. Вода в нем — ток коллектора, а управляющий ток базы — то, насколько мы поворачиваем ручку. Достаточно небольшого усилия (управляющего воздействия), чтобы поток воды из крана увеличился.
Помимо рассмотренных процессов, на p-n переходах транзистора может происходить еще ряд явлений. Например, при сильном увеличении напряжения на переходе база-коллектор может начаться лавинное размножение заряда из-за ударной ионизации. А вкупе с туннельным эффектом это даст сначала электрический, а затем (с возрастанием тока) и тепловой пробой. Однако, тепловой пробой в транзисторе может наступить и без электрического (т.е. без повышения коллекторного напряжения до пробивного). Для этого будет достаточно одного чрезмерного тока через коллектор.
Еще одно явления связано с тем, что при изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах меняется их толщина. И если база черезчур тонкая, то может возникнуть эффект смыкания (так называемый «прокол» базы) — соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает, и транзистор перестает нормально работать.
Коллекторный ток транзистора в нормальном активном режиме работы транзистора больше тока базы в определенное число раз. Это число называется коэффициентом усиления по току и является одним из основных параметров транзистора. Обозначается оно h21. Если транзистор включается без нагрузки на коллектор, то при постоянном напряжении коллектор-эмиттер отношение тока коллектора к току базы даст статический коэффициент усиления по току. Он может равняться десяткам или сотням единиц, но стоит учитывать тот факт, что в реальных схемах этот коэффициент меньше из-за того, что при включении нагрузки ток коллектора закономерно уменьшается.
Вторым немаловажным параметром является входное сопротивление транзистора. Согласно закону Ома, оно представляет собой отношение напряжения между базой и эмиттером к управляющему току базы. Чем оно больше, тем меньше ток базы и тем выше коэффициент усиления.
Третий параметр биполярного транзистора — коэффициент усиления по напряжению. Он равен отношению амплитудных или действующих значений выходного (эмиттер-коллектор) и входного (база-эмиттер) переменных напряжений. Поскольку первая величина обычно очень большая (единицы и десятки вольт), а вторая — очень маленькая (десятые доли вольт), то этот коэффициент может достигать десятков тысяч единиц. Стоит отметить, что каждый управляющий сигнал базы имеет свой коэффициент усиления по напряжению.
Также транзисторы имеют частотную характеристику, которая характеризует способность транзистора усиливать сигнал, частота которого приближается к граничной частоте усиления. Дело в том, что с увеличением частоты входного сигнала коэффициент усиления снижается. Это происходит из-за того, что время протекания основных физических процессов (время перемещения носителей от эмиттера к коллектору, заряд и разряд барьерных емкостных переходов) становится соизмеримым с периодом изменения входного сигнала. Т.е. транзистор просто не успевает реагировать на изменения входного сигнала и в какой-то момент просто перестает его усиливать. Частота, на которой это происходит, и называется граничной.
Условные обозначения n-p-n и p-n-p транзисторов отличаются только направлением стрелочки, обозначающей эмиттер. Она показывает то, как течет ток в данном транзисторе.
Режимы работы биполярного транзистора
Схемы включения биполярных транзисторов
Поскольку контактов у транзистора три, то в общем случае питание на него нужно подавать от двух источников, у которых вместе получается четыре вывода. Поэтому на один из контактов транзистора приходится подавать напряжение одинакового знака от обоих источников. И в зависимости от того, что это за контакт, различают три схемы включения биполярных транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ). У каждой из них есть как достоинства, так и недостатки. Выбор между ними делается в зависимости от того, какие параметры для нас важны, а какими можно поступиться.
Схема включения с общим эмиттером
Эта схема дает наибольшее усиление по напряжению и току (а отсюда и по мощности — до десятков тысяч единиц), в связи с чем является наиболее распространенной. Здесь переход эмиттер-база включается прямо, а переход база-коллектор — обратно. А поскольку и на базу, и на коллектор подается напряжение одного знака, то схему можно запитать от одного источника. В этой схеме фаза выходного переменного напряжения меняется относительно фазы входного переменного напряжения на 180 градусов.
Но ко всем плюшкам схема с ОЭ имеет и существенный недостаток. Он заключается в том, что рост частоты и температуры приводит к значительному ухудшению усилительных свойств транзистора. Таким образом, если транзистор должен работать на высоких частотах, то лучше использовать другую схему включения. Например, с общей базой.
Схема включения с общей базой
Эта схема не дает значительного усиления сигнала, зато хороша на высоких частотах, поскольку позволяет более полно использовать частотную характеристику транзистора. Если один и тот же транзистор включить сначала по схеме с общим эмиттером, а потом с общей базой, то во втором случае будет наблюдаться значительное увеличение его граничной частоты усиления. Поскольку при таком подключении входное сопротивление низкое, а выходное — не очень большое, то собранные по схеме с ОБ каскады транзисторов применяют в антенных усилителях, где волновое сопротивление кабелей обычно не превышает 100 Ом.
В схеме с общей базой не происходит инвертирование фазы сигнала, а уровень шумов на высоких частотах снижается. Но, как уже было сказано, коэффициент усиления по току у нее всегда немного меньше единицы. Правда, коэффициент усиления по напряжению здесь такой же, как и в схеме с общим эмиттером. К недостаткам схемы с общей базой можно также отнести необходимость использования двух источников питания.
Схема включения с общим коллектором
Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.
Напомню, что отрицательной называют такую обратную связь, при которой выходной сигнал подается обратно на вход, чем снижает уровень входного сигнала. Таким образом происходит автоматическая корректировка при случайном изменении параметров входного сигнала
Коэффициент усиления по току почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером. А вот коэффициент усиления по напряжению маленький (основной недостаток этой схемы). Он приближается к единице, но всегда меньше ее. Таким образом, коэффициент усиления по мощности получается равным всего нескольким десяткам единиц.
В схеме с общим коллектором фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением отсутствует. Поскольку коэффициент усиления по напряжению близок к единице, выходное напряжение по фазе и амплитуде совпадает со входным, т. е. повторяет его. Именно поэтому такая схема называется эмиттерным повторителем. Эмиттерным — потому, что выходное напряжение снимается с эмиттера относительно общего провода.
Такое включение используют для согласования транзисторных каскадов или когда источник входного сигнала имеет высокое входное сопротивление (например, пьезоэлектрический звукосниматель или конденсаторный микрофон).
Два слова о каскадах
Бывает такое, что нужно увеличить выходную мощность (т.е. увеличить коллекторный ток). В этом случае используют параллельное включение необходимого числа транзисторов. 
Естественно, они должны быть примерно одинаковыми по характеристикам. Но необходимо помнить, что максимальный суммарный коллекторный ток не должен превышать 1,6-1,7 от предельного тока коллектора любого из транзисторов каскада.
Тем не менее (спасибо wrewolf за замечание), в случае с биполярными транзисторами так делать не рекомендуется. Потому что два транзистора даже одного типономинала хоть немного, но отличаются друг от друга. Соответственно, при параллельном включении через них будут течь токи разной величины. Для выравнивания этих токов в эмиттерные цепи транзисторов ставят балансные резисторы. Величину их сопротивления рассчитывают так, чтобы падение напряжения на них в интервале рабочих токов было не менее 0,7 В. Понятно, что это приводит к значительному ухудшению КПД схемы.
Может также возникнуть необходимость в транзисторе с хорошей чувствительностью и при этом с хорошим коэффициентом усиления. В таких случаях используют каскад из чувствительного, но маломощного транзистора (на рисунке — VT1), который управляет энергией питания более мощного собрата (на рисунке — VT2).
Другие области применения биполярных транзисторов
Транзисторы можно применять не только схемах усиления сигнала. Например, благодаря тому, что они могут работать в режимах насыщения и отсечки, их используют в качестве электронных ключей. Также возможно использование транзисторов в схемах генераторов сигнала. Если они работают в ключевом режиме, то будет генерироваться прямоугольный сигнал, а если в режиме усиления — то сигнал произвольной формы, зависящий от управляющего воздействия.