Изучение свойств P-N-перехода различными методами

ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ p-n-ПЕРЕХОДА РАЗЛИЧНЫМИ МЕТОДАМИ ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ Полупроводники представляют собой группу веществ, по своим свойствам зани-мающих промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. При темпера-турах, не сильно отличающихся от абсолютного нуля, полупроводники проявляют свойст-ва хороших диэлектриков. Однако даже при незначительном повышении температуры, сопротивление полупроводника быстро

уменьшается и он начинает проводить электриче-ский ток - становится проводящим. Это - основное отличие полупроводников от провод-ников и диэлектриков. Типичными представителями полупроводников являются герма-ний, кремний, сурьма, индий, закись меди и др Однако, на практике наибольшее призна-ние нашли германий и кремний, на примере которых мы и рассмотри подробнее свойства полупроводников. Структура кристаллической решётки и собственная проводимость полупроводни-

ков. Электронные оболочки атома германия содержат 28 электронов, 4 из которых яв-ляются валентными. Каждый атом кристаллической решётки чистого (без примесей) по-лупроводника окружён четырьмя такими же атомами, расположенными друг от друга так близко, что валентные электроны каждого атома имеют возможность переходить от дан-ного атома к соседнему. Благодаря этому каждый атом кристаллической решётки связан с соседним атомом только двумя валентными

электронами, один из которых «свой», а вто-рой - «чужой». На рис. 1 (а) показаны два уединённых атома полупроводника. Кружок со знаком «+» символизирует ядро с двадцатью семью электронами, а кружок со знаком «-» - самый удалённый от ядра, двадцать восьмой, электрон (один из четырёх валентных). На рис. 1 (б) показаны те же два атома, но расположенные очень близко друг от друга.

Теперь эти самые удалённые от ядер электроны стали принадлежать сразу двум атомам. Если же атом окажется окружён четырьмя соседями (рис. 1 (в)), как это имеет место внутри кристалли-ческой решётки, то задействованными оказываются все четыре валентных электрона. Та-кая связь атомов называется ковалентной и является весьма прочной. Схематично траектории электронов, участвующих в образовании ковалентной свя-зи, принято изображать

параллельными линиями. Та на рис. 2 показана ковалентная связь атомов одного слоя кристаллической решётки полупроводника. При температурах кри-сталла, близких к абсолютному нулю, энергия валентных электронов довольно невелика, и поэтому все они остаются в пределах электронных оболочек и принимают участие в осуществлении ковалентной связи атомов. Однако с ростом температуры кристалл полу-проводника получает некоторую долю энергии в виде тепла, которая перераспределяется между всеми частицами кристаллической

решётки. Если энергия, полученная при этом электроном, окажется равной или превысит определённую величину, называемую энерги-ей активации, то электрон покинет свои атомы, нарушая при этом ковалентную связь, и перейдёт в межатомное пространство. Такие электроны называются свободными, по-скольку они в своём тепловом движении могут свободно перемещаться по всему кристал-лу полупроводника. Нарушение в том месте, откуда вырвался электрон, ковалентной свя-зи, приводит к появлению в этой области

не скомпенсированного положительного заряда ядра одного из атомов кристаллической решётки (см. рис. 2). Такой заряд называется дыр-кой. Таким образом, при температурах порядка комнатных и выше в кристалле чистого полупроводника содержится некоторое количество заряда обоих знаков - свободные элек-троны и дырки. Если кристалл не содержит примесей, то в любой момент времени число свободных электронов равно числу имеющихся в кристалле дырок. При постоянной тем-пературе это число в среднем остаётся постоянным

и быстро возрастает с ростом темпера-туры. В отсутствие внешнего электрического поля и свободные электроны и дырки беспо-рядочно блуждают по всему куску полупроводника. При этом следует отметить, что дви-жение свободных электронов в кристалле полупроводника совершенно аналогично беспо-рядочному движению свободных электронов в металле. Движение же дырок не похоже ни на один из других механизмов переноса заряда.

Дырка - это не частица, обладающая по-ложительным зарядом, а лишь нарушенная ковалентная связь атомов. Или, иными сло-вами, дырка представляет собой не скомпенсированную часть заряда ядра атома, т. е. нечто вроде иона (в полном смысле ионом её назвать нельзя, т. к. заряд иона обусловлен зарядом ядра только одного атома, а в случае дырок речь идёт о заряде ядра одного из двух соседних атомов). Но ковалентная связь (даже нарушенная) иона со своими соседями не позволяет ему даже при очень высоких

температурах полупроводника покинуть место своего пре-бывания в узле кристаллической решётки. Однако, в процессе беспорядочного движения свободных электронов, те из них, которые проходят слишком близко от какой-либо дыр-ки, под действием электростатической силы притяжения как бы «ныряют» в неё. В ре-зультате ковалентная связь восстанавливается и дырка исчезает. Исчезает, разумеется, и свободный электрон (теперь он становится валентным).

Такое событие называется актом рекомбинации. Исчезновение дырки и свободного электрона не приводит к истощению полупроводника зарядами, т. к. наряду с этим событием где-то в других местах кристалла происходит образование новой пары дырка - свободный электрон. Поскольку вероятность образования новой такой пары равна вероятности акта рекомбинации, то в среднем число актов рекомбинации в единицу времени равно числу вновь образовавшихся пар «свобод-ный электрон-

дырка». Поэтому среднее число электронов и дырок при постоянной темпе-ратуре полупроводника остаётся неизменным. Если же к концам кристалла полупроводника приложить некоторую разность по-тенциалов, то и свободные электроны и дырки придут в направленное движение. При этом механизм перемещения зарядов совершенно аналогичен описанному выше за тем лишь исключением, что дрейф зарядов происходит в определённом направлении: элек-троны перемещаются в сторону, противоположную

направлению электрического поля, а дырки - по ходу действия поля. Итак, в кристалле полупроводника в дали от температур абсолютного нуля име-ется два рода заряда - свободные электроны и дырки, которые под действием внешнего электрического поля способны создавать в кристалле полупроводника электрический ток. Величина этого тока зависит от величины электрического поля и температуры кристалла (концентрации зарядов). Поскольку в создании тока в равной степени прини-мают участие и электроны

и дырки, то такой механизм проводимости называется элек-тронно-дырочной проводимостью или собственной проводимостью. Зонная теория проводимости Выше были рассмотрены причины, по которым электрическое сопротивление ме-таллов и полупроводников зависит от температуры. Более строгое обоснование этой зави-симости даёт зонная теория проводимости. Известно, что энергия электрона внутри атома может изменяться только дискретно.

В отношении электрона, обладающего тем или иным значением энергии, говорят, что «электрон находится на данном энергетическом уровне». На рис. 3 схематично изображены энергетические уровни уединённого атома. Все уровни отделены друг от друга так называемыми запрещёнными зонами. В отсутствие внешних источников энергии атом находится в невозбуждённом состоянии, а его валентный элек-трон - на самом нижнем энергетическом уровне, который называется основным или невоз-буждённым уровнем.

Если же атом поглощает из вне энергию (например, тепловую), то электроны оболочек переходят на более высокие (возбуждённые) энергетические уровни. Так обстоит дело с уединённым атомом. Но когда атомы находятся внутри кристалличе-ской решётки (расположены близко друг от друга), то взаимодействие между атомами приводит к расщеплению каждого энергетического уровня на множество подуровней (рис. 4). В результате поглощение атомом даже незначительной энергии приводит к переходу электронов на более

высокий подуровень данного энергетического уровня. На рис. 5 (а) показаны два энергетических уровня атома металла. При абсолютном нуле температуры электроны атомов металла занимают только самые нижние подуровни валентной зоны. Поскольку все подуровни одной зоны расположены очень близко друг к другу и верхние подуровни зоны проводимости остаются свободными, то при даже незначительном повы-шении температуры кристалла электроны

легко переходят на более высокие энергетиче-ские подуровни. Воздействие внешнего электрического поля также способствует переходу электронов с нижних на верхние подуровни, в результате чего такие возбуждённые элек-троны становятся электронами проводимости. Несколько иначе обстоит дело с кристаллом диэлектрика. В отличии от металлов валентная зона диэлектрика полностью занята электронами.

Свободными от электронов являются только подуровни второй, третьей и т. д. энергетических зон. Чтобы кристалл был способен проводить ток необходимо перевести электроны на эти свободные подуров-ни. Но свободная зона отделена от валентной очень широкой запрещённой зоной. Для её преодоления недостаточно тепловой энергии и даже электрического поля. Поэтому ди-электрики не проводят ток. Кристалл полупроводника занимает промежуточное положение между

металлами и диэлектриками. Как и у диэлектриков, у полупроводников заняты все подуровни валент-ной зоны. Однако свободная зона кристалла полупроводника отделена от валентной зоны очень узкой запрещённой зоной (даже уже чем у металлов). Поэтому даже при незначи-тельном повышении температура полупроводника его электроны без труда преодолевают запрещённую зону и попадают на свободные подуровни свободной энергетической зоны. В результате кристалл становится способным проводить электрический ток.

Чем выше температура полупроводника, тем меньше его сопротивление: , (5) где - константа, - ширина запрещённой зоны (энергия активации, т. е. энергия, ко-торую нужно затратить, чтобы перевести электроны из валентной зоны в свободную зо-ну), - постоянная Больцмана. После логарифмирования выражения (5), получим: . (6) ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ Электропроводность чистых (без примесей) полупроводников невелика из-за от-носительно

небольшого содержания в них свободных электронов и дырок. Ситуация ме-няется, если в кристалл чистого полупроводника добавить незначительное количество атомов другого элемента с большей или меньшей валентностью атомов. Так, если в кри-сталл германия (4-х валентен) ввести примесь сурьмы (5-ти валентна), то ковалентная связь между разнородными атомами будет создаваться всеми четырьмя валентными элек-тронами германия и

только четырьмя валентными электронами сурьмы. Пятый же ва-лентный электрон сурьмы окажется «не в удел», а поскольку он, будучи валентным, слабо связан с ядром своего атома и не занят в образовании ковалентной связи, то очень легко может покинуть свой атом, став свободным электроном без образования новой дырки. Та-ким образом, в кристалле полупроводника с примесью окажется больше свободных элек-тронов, чем дырок. Поэтому при наложении на полупроводник внешнего электрического поля в кристалле возникает электрический

ток, порождаемый, прежде всего, электронами. Такая проводимость называется электронной или просто проводимостью n-типа. Если в тот же кристалл германия ввести некоторое количество индия (вместо сурь-мы), то проводимость кристалл окажется обратной. Поскольку индий трёхвалентен, то в образовании ковалентной связи смогут принять участие только три его электрона. Такая связь атома индия с атомом германия окажется не до конца укомплектованной, что приве-дёт к образованию новой дырки без образования свободного электрона.

В результате об-щее число дырок в кристалле окажется больше числа свободных электронов. Проводи-мость такого кристалла будет осуществляться, прежде всего, дырками. Поэтому она назы-вается дырочной проводимостью или проводимостью p-типа. С физической точки зрения особый интерес представляют процессы, происходящие в контактах полупроводников с различным типом проводимости. Тончайший слой на гра-нице раздела двух полупроводников p- и n-типов

принято называть p-n-переходом. При этом, очевидно, что в области полупроводника p-типа имеет место повышенная концен-трация дырок, а в области n- типа – повышенная концентрация электронов. В результате взаимной диффузии электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n-область, вблизи p-n-перехода n-область заряжается положительно, а p-область – отрица-тельно. При этом на границе раздела полупроводников возникает двойной электрический слой толщиной порядка 0,1

мкм, создающий электрическое поле, направленное от n-области к p-области, которое препятствует дальнейшей диффузии носителей. Благодаря этому полю возрастает энергия неосновных носителей (электронов в p-области и дырок в n-области). При этом в области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, что при-водит к возникновению потенциальных барьеров для электронов и дырок, а это приводит к оттоку неосновных носителей заряда из соответствующих областей. Поскольку ток не-основных носителей (ток проводимости или дрейфовый

ток ) направлен навстречу току основных носителей (диффузионный ток ), то в результате взаимной компенсации результирующий ток через p-n-переход равен нулю (рис. 1. а.). Ситуация меняется, когда к p-n-переходу приложено внешняя разность потенциа-лов. Если при этом напряжённость внешнего поля совпадает по направлению с вектором напряженности контактного поля, то говорят, что p-n-переход включён в обратном (запи-рающем) направлении.

Высота потенциального барьера при этом увеличивается, что при-водит к уменьшению диффузионного тока (рис. 1. б.). Ток же проводимости, вследствие малой концентрации неосновных носителей, с ростом разности потенциалов на p-n-переходе изменяется очень медленно. При достаточно высоком обратном напряжении на p-n-переходе ток через него обусловлен только дрейфовой составляющей и поэтому вовсе перестаёт зависеть от величины этого напряжения.

Значение обратного тока при высоких обратных напряжениях называют током насыщения ( ). При изменении полярности напряжения на p-n-переходе под действием внешнего поля потенциальный барьер уменьшится и ток проводимости останется практически не-изменным, а диффузионный ток начнёт возрастать (рис. 1. в.) по экспоненциальному за-кону: , (1) где - ток насыщения; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; U – величина напряжения, приложенного к p-n-переходу в обратном

направ-лении. Выражение (1) описывает вольтамперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода. Удобным средством при изучении свойств p-n-перехода является полупроводнико-вый диод, который представляет собой две сваренные между собой пластинки p- и n-типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из них расположены по краям, они от-носительно больших размеров и обладают одна проводимостью p-типа, а вторая - прово-димостью n-типа (рис.

2). Третья зона называется p-n переходом и представляет собой очень узкую область, разделяющую области с p- и n-типами проводимости (она образует-ся на стадии изготовления диода в результате диффузии пластинок полупроводника с раз-личными типами проводимости). Внешние поверхности областей с p- и n-типами прово-димости покрывают металлическими электродами. Электрод, контактирующий с обла-стью p-типа, называется анодом, а контактирующий с областью n-типа

- катодом. Если на электроды диода подать постоянное напряжение, соединив анод с положи-тельным полюсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под действием возник-шего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу полю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивление p-n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электрический ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению.

В этом случае говорят, что к диоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток, а сам диод нахо-дится в открытом состоянии. Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём – «-«). В результате область p-n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p-n перехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз.

Диод переходит в закрытое состояние. В этом слу-чае говорят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток. Зависимость величины протекающего через диод тока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольтамперной характеристикой диода (рис. 3). Существование обратного тока объясняется тем, что технически невозможно из-готовить полупроводники p- и n-типов, обладающих только дырочной или только элек-тронной проводимостью.

Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p-типа и дырок в полупроводнике n-типа и обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (полным отсутствием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совершенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся). Поскольку величина обратного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «прижата» к оси напряжений. Следует отметить, что стремление обеих ветвей

ВАХ в бесконечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высокое прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p-n переход сильно нагревается и плавится - диод перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерно высокого обратного напряжения.

В этом случае p-n переход, не выдерживая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойство односторонней проводимости дио-дом будет утеряно и он станет проводить ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характеризуется прежде всего двумя основными параметрами - мак-симально допустимым прямым током и максимально допустимым обратным на-пряжением . Диоды различных марок обладают различными значениями и .

Обе эти характеристики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зави-симость прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нелиней-ность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где величина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень медленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижении между электродами прямого напря-

жения определённой величины диод открывается и дальнейшая зависимость тока от на-пряжения становится практически линейной. Разные диоды обладают различной величи-ной открывающего напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо меньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открываться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напряжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении многих технических задач.

Так, например, использование диода в качестве датчика температуры или для контроля вели-чины переменного тока желательно использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо избавиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевый диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды вполне взаимозаменяемы. Способность диода проводить электрический ток характеризуется величиной элек-трического сопротивления

p-n перехода, которое называется внутренним сопротивлением диода. Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни раз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значительно меньше прямого тока. Математически зависимость может быть в первом приближении описана выражением (1). Одна-ко, при более детальном рассмотрении вопроса необходимо учитывать ряд обстоятельств, связанных, прежде всего, с наличием двух контактов на границе полупроводник-металлический электрод.

Как известно, при контакте двух тел, обладающих различной ра-ботой выхода, в месте их контакта возникает перетекание электронов так, что тело с меньшей работой выхода электронов заряжается положительно, а тело с большей работой выхода – отрицательно. В результате на границе металл-полупроводник возникает, так называемый, двойной электрический слой или запирающий слой и, следовательно, потен-циальный барьер (помимо того потенциального барьера, который порождается самим p-n-переходом).

Возникающая при этом в месте контакта разность потенциалов называется контактной разностью потенциалов. Образовавшиеся при этом заряды располагаются не строго на поверхности контактирующих тел (как это принято считать в электростатике), а распределены в пограничных слоях некоторой толщины. В металлах из-за большой плот-ности электронов в них, заряд сосредоточен почти точно на поверхности (в пределах од-ного-двух атомных слоёв), а в полупроводниках вследствие их малой проводимости он простирается

на значительно большую глубину. Наличие потенциального барьера на границе металл-полупроводник способен не-сколько изменить характер зависимости , что вынуждает переписать формулу (1) в виде: , (2) где - коэффициент, зависящий от строения запирающего слоя. При комнатной темпера-туре для однородного тонкого слоя =1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Диод В основе принципа выпрямления напряжения лежит свойство полупроводникового диода проводить электрический ток только в одном направлении. Схематично полупро-водниковый диод может быть представлен в виде двух сваренных между собой пластинок p- и n-типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из них расположены по краям, они относительно больших размеров и обладают одна проводимостью p-типа, а вторая - проводимостью n-типа. Третья зона называется p-n переходом и представляет со-бой очень

узкую область, разделяющую области с p- и n-типами проводимости (она обра-зуется на стадии изготовления диода в результате диффузии пластинок полупроводника с различными типами проводимости). Внешние поверхности областей с p- и n-типами про-водимости покрывают металлическими пластинками, к которым припаивают электроды. Электрод, контактирующий с областью p-типа, называется анодом, а контактирующий с областью n-типа - катодом. Диод может находиться в одном из двух состояний - открытом или закрытом.

Если на электроды подать постоянное напряжение, соединив анод с положительным по-люсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под действием возникшего электри-ческого поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу по-лю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивление p-n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электрический ток, величина которого пря-мо пропорциональна приложенному напряжению.

В этом случае говорят, что к диоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток, а сам диод находится в открытом состоянии. Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то элек-троны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём «-«). В результате область p-n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ве-дёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p-n перехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз.

Диод переходит в закрытое состояние. В этом случае го-ворят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток. Наличие обратного тока является недостатком полупроводникового диода. Суще-ствование этого тока объясняется тем, что технически невозможно изготовить полупро-водники p- и n-типов, обладающих только дырочной или только электронной проводимо-стью. Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p-типа и дырок в по-лупроводнике n-типа и

обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (пол-ным отсутствием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совер-шенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся). Способность диода проводить электрический ток характеризуется величиной элек-трического сопротивления p-n перехода, которое называется внутренним сопротивлением диода. Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни раз больше, чем открытого, в результате чего и обратный

ток диода значительно меньше прямого тока. Зависимость ве-личины протекающего через диод тока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) диода (рис. 2). Поскольку величина обратного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «прижата» к оси напряжений. Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в бесконечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высокое прямое напряжение

в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p-n переход сильно нагревается и плавится - диод перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерно высокого обратного напряжения. В этом случае p-n переход, не выдерживая слишком сильного электрического поля, будет пробит.

При этом свойство односторонней проводимости дио-дом будет утеряно и он станет проводить ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характеризуется прежде всего двумя основными параметрами - мак-симально допустимым прямым током и максимально допустимым обратным на-пряжением . Диоды различных марок обладают различными значениями и . Обе эти характеристики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих

справочниках по полупроводниковым приборам. Зави-симость прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нелиней-ность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где величина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень медленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижении между электродами прямого напря-жения определённой величины диод открывается и дальнейшая зависимость тока от на-пряжения становится

практически линейной. Разные диоды обладают различной величи-ной открывающего напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо меньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открываться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напряжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении многих технических задач. Так, например, использование диода в качестве датчика температуры или для контроля вели-чины переменного

тока желательно использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо избавиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевый диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды вполне взаимозаменяемы. Стабилитрон Стабилитрон представляет собой разновидность диода и способен выполнять его функции. Однако обратная ветвь ВАХ стабилитрона значительно отличается от аналогич-ного участка этой характеристики

диода. По мере роста обратного напряжения ток в об-ратном направлении через стабилитрон сначала изменяется очень медленно (как у диода), а при достижении обратным напряжением определённой величины, резко возрастает. Си-туация очень похожа на пробой обычного диода, но из строя стабилитрон при этом не вы-ходит (если обратный ток не превышает допустимой величины). Напряжение, начиная с которого стабилитрон входит в режим пробоя, называется напряжением стабилизации , а соответствующий ему ток минимальным током стабилизации

. Предельно допустимый для данного стабилитрона ток стабилизации называется максимальным то-ком стабилизации . Из рисунке 4 видно, что незначительное изменение напряжения ведёт к довольно существенному изменению обратного тока через стабили-трон. Отношение этих величин называется дифференциальным сопротивлением стабили-трона и является очень важной его характеристикой. Величина дифференциального со-противления является функцией обратного тока стабилитрона.

Чем больше этот ток, тем меньше дифференциальное сопротивление, а значит, согласно закону Ома, тем меньше изменение напряжения на электродах стабилитрона. Подробнее работу стабилитрона рассмотрим на примере схемы, изображённой на рис. 5. Эта схема представляет собой простейший параметрический стабилизатор на-пряжения. Состоит он из стабилитрона и балластного сопротивления, выполняющего роль ограничителя обратного тока

через стабилитрон (во избежании перегрева). На вход стабилизатора подаётся постоянное напряжение от внешнего источника питания. На-грузка стабилизатора подключается непосредственно к электродам стабилитрона. В зада-чу этого устройства входит поддержание такого режима питания нагрузки, чтобы даже при значительном изменении входного напряжения , изменение напряжения на на-грузке не превышало очень малой величины . Если входное напряжение по какой-либо причине возрастёт на величину , то и обратный через стабилитрон

ток возрастёт на некоторую величину . Это вызовет уменьшение дифференциального сопротивления стабилитрона на величину . Уменьшение же сопротивления приведёт к уменьшению напряжения на электродах стабилитрона, а, значит, и на нагрузке. В результате питаемое нагрузку напря-жение останется равным . Транзистор Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, способный работать в ключевом или усилительном режимах. В отличии от диода, транзистор имеет два p-n-перехода, между которыми располагается

полупроводник, например, p-типа, а по обе сто-роны от p-n-переходов – кристаллы полупроводника n-типа. Такие транзисторы называ-ются транзисторами n-p-n типа (рис. 6. а.). Если между p-n-переходами располагается по-лупроводник n-типа, а по обе стороны от p-n- переходов – полупроводники p-типа, то та-кой транзистор называют транзистором p-n-p типа (рис. 6. б.). Центральная область тран-зистора называется базой, а крайние области – эмиттером и коллектором.

В функции эмиттера входит вводить (эмитировать) в базу дырки (в транзисторе p-n-p типа) или элек-троны (в транзисторе n-p-n типа), а функции коллектора – собирать эти заряды. Графиче-ское обозначение транзисторов разной структуры показано на рисунке 7. Легко заметить, что такая комбинация полупроводников напоминает два диода с общим анодом (n-p-n) или катодом (p-n-p). Такая аналогия вполне справедлива и на прак-тике позволяет легко тестировать транзистор

на предмет его работоспособности при по-мощи обычного омметра. Рассмотрим в общих чертах работу транзистора p-n-p типа. Пусть сначала цепь эмиттер-база разомкнута, а между коллектором и базой приложено обратное напряжение порядка десяти вольт. В этом случае p-n-переход окажется запертым, и в коллекторной цепи будет протекать обратный ток незначительной величины, являющийся важной характеристикой транзистора.

Теперь между эмиттером и базой приложим прямое напряжение порядка еди-ниц вольт. Поскольку эмиттер содержит значительно больше атомов примеси, чем база, то концентрация дырок в эмиттере больше, чем в базе. Так как напряжение приложено к p-n-переходу в прямом направлении, то в цепи эмиттер-база протекает ток значительной величины даже при небольшом значении приложенного напряжения. В базе некоторая часть дырок рекомбинирует со свободными электронами, убыль которых пополняется но-

выми электронами, поступающими из внешней цепи, образуя в ней ток базы . В базе вследствие диффузии большая часть дырок доходит до коллекторного перехода и под действием электрического поля источника проникает через p-n-переход в коллектор. В результате в цепи база-коллектор возникает ток того же порядка, что и на уча-стке эмиттер-база. Отношение приращения коллекторного тока к соответствующей величине приращения эмиттерного тока при

постоянном напряжении на коллекторе называется коэффициентом передачи тока: (при ) и является одной из важнейших характеристик любого транзистора. Из сказанного следует, что коэффициент передачи тока всегда меньше единицы и принимает значение порядка 0,9-0,99. Принцип действия транзистора n-p-n- типа полностью аналогичен рассмотренному. В транзисторе n-p-n типа под действием напряжения между эмиттером и базой эмитиру-ются электроны из

области n в область p. Полярность источников и в этом случае должна быть обратной по сравнению с той, которая имела место при рассмотрении прин-ципа действия транзистора p-n-p типа. Как было сказано выше, транзистор может быть использован в качестве усилителя напряжения, тока или мощности. При этом усиливаемый сигнал подаётся на два электрода транзистора (вход), а усиленный сигнал снимается тоже с двух электродов (выход). Таким образом, один электрод является общим для входной и

выходной цепей. В зависимости от того, какой из электродов является общим, различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей базой (ОБ). При включении транзистора по схеме ОЭ (рис. 8. а.) напряжение питания прикладывается между эмиттером и коллектором, в цепь которого включается сопротив-ление , служащее нагрузкой усилителя. Усиливаемый сигнал прикладывается между заземлённым эмиттеров и базой через конденсатор связи , препятствующий

проникно-вению на базу транзистора постоянной составляющей усиливаемого сигнала. Усиленный сигнал снимается с эмиттера и коллектора транзистора. Схема ОЭ позволяет достигать 10-200-кратного усиления сигнала по напряжению и 20-100-кратного усиления по току (зави-сит от усилительных свойств транзистора). Существенным недостатком такого включения транзистора является его малое входное сопротивление (всего 500-1000

Ом), что значительно затрудняет согласование каскадов, собранных по схеме ОЭ. Объясняется это тем, что эмиттерный переход в этом случае оказывается включённым в прямом направлении, в результате чего сопротивление перехода, зависящее от величины прикладываемого напряжения, очень мало. Выходное же сопротивление схемы ОЭ велико (2-20 кОм) и зависит не только от усилительных свойств транзистора, но и от сопротивления нагрузки . При включении транзистора по схеме

ОК (рис. 8. б.) усиливаемый сигнал прикла-дывается между базой и эмиттером через резистор , выполняющий функции нагрузки транзистора. Именно с него и снимается усиленный сигнал. Такая схема включения тран-зистора даёт усиление по напряжению меньше единицы, а по току коэффициент усиления может достигать той же величины, что и при включении по схеме ОЭ. Поскольку транзи-стор в этом случае не даёт усиления по напряжению, а только как бы повторяет его

на вы-ходе (эмиттере), транзистор, включаемый по схеме ОК, также называют эмиттерным по-вторителем. Важным достоинством такой схемы включения транзистора является боль-шая величина его входного сопротивления (10-500 кОм), что хорошо согласуется с высо-ким выходным сопротивлением схемы ОЭ. Чтобы разобраться в причинах, по которым транзистор, включаемый по схеме ОК, не усиливает напряжения, вновь обратимся к рисунку 8. б.

Резистор , показанный пунктиром (в состав схемы ОК он не входит) представляет собой эквивалент внутреннего сопротивления источника усиливаемого сигнала (например, микрофона). Через это сопро-тивление усиленный сигнал с нагрузки через сопротивление подаётся на базу в противофазе. В результате между эмиттерной и базовой цепями возникает сильная отри-цательная обратная связь, сводящая усиление каскада по напряжению на нет. При включении транзистора по схеме

ОБ (рис. 8. в.) база через конденсатор со-единена с эмиттерной цепью, то есть с общим, заземлённым проводом. Усиливаемы сиг-нал через конденсатор связи подаётся одновременно и на базу и на эмиттер транзи-стора, а усиленный сигнал снимается с коллектора и заземлённой базы, которая, таким образом, служит общим электродом входной и выходной цепей каскада. Схема ОК даёт усиление по току меньше единицы, а по напряжению примерно такое же, как и при вклю-чении транзистора

по схеме ОЭ (10-200 раз). Поскольку входное сопротивление схемы ОК очень невелико (30-100 Ом), её обычно используют в генераторах электрических колеба-ний, в аппаратуре радиоуправления моделями и пр Оптимальный режим работы транзистора, включённого в ту или иную цепь, во многом определяется его, так называемыми, входными и выходными статическими харак-теристиками. Входной характеристикой транзистора называется функциональная зависи-мость тока базы от напряжения

между базой и эмиттером при фиксированном на-пряжении между коллектором и эмиттером : . Графически эта зависимость для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, пока-зана на рисунке 9. При малых значениях между базой и эмиттером ток базы растёт медленно, но по мере возрастания напряжения крутизна кривой увеличивается и ха-рактеристика выходит на линейный участок. Как видно из рисунка, угол наклона линей-ных участков характеристики зависит от величины выходного

напряжения . Выходная характеристика транзистора представляет собой функциональную зави-симость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при фик-сированной величине тока базы : . Графически выходные характеристики для транзистора p-n-p типа, включённого по схеме ОЭ, представлены на рисунке 9. СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ Снятие ВАХ диода при помощи вольтметра и амперметра На рисунке 4 изображена принципиальная схема, позволяющая исследовать ВАХ p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод Д. Показанное на схеме включение реостатов и позволяет осуществлять плавную регулировку на-пряжения на электродах диода в большом диапазоне значений. Двухполюсной ключ

К предназначен для изменения полярности питающего цепь напряжения. Так как диод пред-ставляет собой последовательное соединение полупроводника и запирающего слоя, а вольтметр фиксирует полное падение напряжения (не только на запирающем слое), то вы-ражение (2), вообще говоря, следует записывать так: , (3) где – напряжение на электродах диода, – падение напряжения на слое полупро-водника сопротивлением R. Согласно (2) и (3) при (в прямом направлении) и при больших значениях величина

, и формулы могут быть перепи-саны в виде: , (4) то есть с ростом напряжения ток возрастает экспоненциально. При ещё большем напряжении, когда падение напряжения на слое полупроводника становится соизмеримым с падением напряжения на электродах диода, следует писать: , (5) Дифференцируя выражение (3) по и исключая из производной напря-жение , можно убедиться, что при большом прямом токе характеристика становится линейной и дифференциальное сопротивление диода устремляется к

постоянной величи-не: . (6) Если сопротивление запирающего слоя много больше сопротивления полупровод-ника, то, пренебрегая величиной и логарифмируя выражение (2), получаем линеари-зованную ВАХ диода: , (7) которая позволяет экспериментально определить величину коэффициента (ток насы-щения при этом определяется по ВАХ, показанной на рисунке 3). Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 4.

Реостаты и предназначены для плавной регулировки напряжения на электродах диода Д в широких пределах. Ключ К предназначен для изменения полярности напряжения. Снятие ВАХ ре-комендуется начинать с максимальной величины обратного тока (правое по схеме положение ключа К) в сторону уменьшения. По достижении =0 следует при помощи переключателя К изменить полярность напряжения и продолжать снимать зависимость вплоть до величины .

В ходе работы при пользовании ключом следует помнить о соблюдении полярно-сти измерительных приборов. Снятие ВАХ диода при помощи осциллографа Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Питание цепи осуще-ствляется от ЛАТРа через понижающий трансформатор Тр. На электродах диода действу-ет переменное напряжение, которое подаётся на горизонтально отклоняющие пластины электронного осциллографа ЭО. На вертикально отклоняющие пластины осциллографа подаётся напряжение

с резистора R. Поскольку это напряжение пропорционально силе тока в цепи, то вертикальное отклонение электронного луча осциллографа позволяет из-мерять силу тока, соответствующую разности потенциалов на электродах диода (см. лабо-раторную работу «Изучение электронного осциллографа»). Снятие ВАХ диода при помощи операционного усилителя При измерении силы тока посредством амперметра последний вносит в цепь неко-торое дополнительное сопротивление

(внутреннее сопротивление амперметра), что при-водит к изменению режима работы цепи и, следовательно, к возникновению систематиче-ской погрешности измерений. Избежать этого можно, используя при измерении силы тока операционный усилитель с бесконечно малым внутренним сопротивлением. Операционный усилитель представляет собой усилитель постоянного тока с боль-шим (более ) коэффициентам усиления, который схемах с обратной связью может вы-полнять математические операции

(сложение, умножение, интегрирование и пр.) над на-пряжением, подаваемым на его вход. На рисунке 6 показан традиционный способ включе-ния операционного усилителя DA для измерения тока. Поскольку потенциалы точек a и b практически одинаковы, то падения напряжения на участке ab не возникает и режим ра-боты цепи не нарушается. Измеряемый ток равен току I через резистор R обратной свя-зи, что позволяет, зная величину этого сопротивления

и измерив напряжение на выходе операционного усилителя, можно определить ток в изучаемой цепи: . Схема экспериментальной установки по изучению ВАХ p-n-перехода показана на рисунке 7. В качестве сопротивления обратной связи здесь используется сопротивление p-n-перехода, функции которого выполняет полупроводниковый диод VD. При снятии пря-мой ветви ВАХ в цепь при помощи ключа К включается резистор , а при снятии обрат-ной ветви – резистор ( и полярность

диода меняется на обратную). Поскольку потенциалы точек a и b равны нулю, то напряжение U на диоде VD рав-но напряжению на выходе операционного усилителя. Ток через диод равен току через по-следовательно включённый резистор или , так как входная цепь операционного уси-лителя тока не потребляет. Согласно сказанному выше, ток I через диод VD можно опре-делить, измерив напряжение

U, подаваемое на резисторы или с потенциометра R по формуле: , где при снятии прямой ветви ВАХ и - при снятии обратной ветви. Снятие ВАХ стабилитрона Снятие ВАХ стабилитрона может быть осуществлено аналогично описанному для диода с учётом иной полярности включения и крутизной ветвей характеристики. Однако на практике обычно оказывается достаточным точно знать величину напряжения стабили-зации стабилитрона .

Остальные его предельные параметры (минимальный и макси-мальный токи стабилизации, максимально допустимые прямое и обратное напряжения) берутся из справочников. Определить величину напряжения стабилизации конкретного стабилитрона можно при помощи схемы, показанной на рисунке …. Работает она анало-гично рассмотренной выше. Плавно изменяя напряжение на электродах стабилитрона, следят за показаниями вольтметра, которые сначала

возрастают, а затем остаются неиз-менными. Это напряжение и есть напряжение стабилизации. Снятие статических характеристик транзистора Принципиальная схема простейшего устройства для снятия входных и выходных характеристик транзистора показана на рисунке …. Резисторы и предназначены для плавной регулировки напряжения на базе транзистора, а резисторы и обеспечивают возможность грубой и точной регулировки напряжения между коллектором и эмиттером.

Порядок работы со схемой следующий: 1. При разомкнутой входной цепи устанавливают напряжение на коллекторе = -8 В и измеряют начальный обратный ток коллектора . 2. Устанавливают значение = 0 В и, изменяя напряжение между базой и эмиттером от нуля до 250 мВ с шагом 50 мВ, измеряют ток базы . 3. Повторяют измерения при напряжениях = -5 В и = -10 В. 4. По полученным данным строят три входные статические характеристики транзистора, включённого

по схеме с общим эмиттером. Результаты измерений удобно заносить в следующую таблицу: № = 0 В = -5 В = -10 В , мВ , мкА , мВ , мкА , мВ , мкА 1 2 3 … 5. Устанавливают ток базы = 50 мкА и, изменяя напряжение на коллекторе от ну-ля до –12 В с шагом 1 В, измеряют ток коллектора. 6. Повторяют измерения при токах базы = 100 мкА и = 150 мкА. 7. Результаты измерений заносят в нижеприводимую таблицу, по которой строят три вы-ходные характеристики

транзистора . № = 50 мкА = 100 мкА = 150 мкА , В , мА , В , мА , В , мА 1 2 3 … ВЫПРЯМЛЕНИЕ ТОКА Способность диода проводить электрический ток только в одном направлении мо-жет быть использована при выпрямлении переменного тока. Наибольшее распространение на практике получили две схемы выпрямления переменного тока: однополупериодная и двухполупериодная (или мостовая). На рисунке 6 а показана схема однополупериодного выпрямителя, который

пред-ставляет собой всего один диод, включённый последовательно с нагрузкой . В течение второй половины периода на аноде диода действует положительный полупериод напря-жения, а на катоде – отрицательный. При этом диод открывается и через него, а значит и через нагрузку , протекает ток. В течение второй половины периода, когда на аноде диода действует отрицательный полупериод напряжения, а на катоде – положительный, диод закрыт и ток через нагрузку практически не течёт (при этом через

нагрузку протека-ет обратный ток диода, значительно меньший прямого). Таким образом диод, отсекая от-рицательные полупериоды переменного тока, пропускает через нагрузку пульсирующий ток одного направления (в течение положительных полупериодов переменного напряже-ния). На рисунке 7 показаны графики временной зависимости переменного тока и вы-прямленного (пульсирующего) тока, протекающего через нагрузку. Однополупериодный выпрямитель обеспечивает частоту пульсаций тока,

равной частоте переменного тока. Мостовая схема выпрямления тока представляет собой четыре диода, соединённых по схеме, показанной на рисунке 6 б. Принцип действия мостового выпрямителя состоит в следующем. В течение первой половины периода переменного напряжения открытыми оказываются только диоды Д1 и Д3. При этом ток протекает через диод Д1, нагрузку и диод Д3 (сплошные стрелки на рисунке). В течение второй половины периода открытыми оказываются диоды

Д2 и Д4, а диоды Д1 и Д3 – закрыты. Теперь ток протекает через диод Д2, нагрузку и диод Д4 (пунктирные стрелки на рисунке). В результате через нагрузку протекает ток в течение обоих полупериодов переменного напряжения. При этом направ-ление тока не меняется. Следовательно через нагрузку течёт постоянный ток, который так же является пульсирующим, но частота пульсаций в этом случае вдвое больше частоты переменного тока.

На рисунке 7 графически показан результат работы мостового выпря-мителя в сравнении с работой однополупериодного выпрямителя. Напряжение на выходе любого из рассмотренных выпрямителей изменяется со временем аналогичным образом (в соответствии с законом Ома). Но таким (пульсирую-щим) напряжением можно питать далеко не любую нагрузки. Например, лампочку нака-ливания можно, а радиоприёмник – нет, т. к. в этом случае в динамике будет прослуши-ваться низкочастотный гул частотой 50

Гц. Сгладить пульсации выпрямленного напряже-ния можно при помощи сглаживающего фильтра, роль которого обычно выполняет элек-тролитический конденсатор достаточно большой ёмкости (порядка 1000 мкФ). Для этого необходимо параллельно нагрузке подключить электролитический кон-денсатор как показано на рисунке 8. Когда напряжение на нагрузке возрастает (первая четверть полупериода), конденсатор заряжается, а когда напряжение начинает убывать, конденсатор разряжается на нагрузку по экспоненциальному закону,

тем самым, поддер-живая в нагрузке ток. Чем больше ёмкость конденсатора, тем больше его постоянная вре-мени и тем, следовательно, медленнее конденсатор разряжается, что приводит к уменьше-нию глубины пульсаций выпрямленного тока. При достаточно большой ёмкости конден-сатора пульсации практически исчезают. В этом случае на выходе выпрямителя действует сглаженное напряжение, равное амплитуде пульсирующего напряжения. При измерении пульсирующего напряжения следует помнить, что вольтметр фиксирует действующее

значение напряжения , которое связано с амплитудным напряжением соотношени-ем: . Поэтому, как следует из выше сказанного, показания вольтметра при измерении сглажен-ного напряжения окажутся в больше показаний прибора при измерении соответст-вующего пульсирующего напряжения. СТАБИЛИЗАЦИЯ ТОКА Суть эксперимента по изучению стабилизирующих свойств полупроводникового стабилитрона состоит в измерении напряжения, действующего на электродах стабилитро-на при принудительном изменении

величины питающего схему напряжения. Схема соот-ветствующей установки показана на рисунке 9. Исследуемый стабилитрон VD2 и резисто-ры и здесь выполняют те же функции, что и в схеме, показанной на рисунке 5. По-лупроводниковый диод VD1 является разделительным элементом между источником пи-тающего (нестабилизированного, измеряемого вольтметром V1) напряжения и напряже-нием на нагрузке (стабилизированного, измеряемого вольтметром V2). Реостат R предна-значен для плавной регулировки питающего напряжения.

Выполнение задания сводится к снятию зависимости , где - величина питающего схему напряжения, - величина стабилизированного на-пряжения (на электродах стабилитрона). Результаты измерений целесообразно представлять графически как зависимость относительного изменения напряжения на электродах стабилитрона от напряжения .