Для преобразования электрических сигналов (усиления, генерирования колебаний, изменения формы сигнала и т.д.) недостаточно использования в цепях пассивных линейных элементов. Для этих цепей в электронике широко применяются различные активные элементы, обладающие необходимыми нелинейными характеристиками. Исторически такими элементами долгое время служили электровакуумные и газонаполненные приборы. Сейчас подавляющее развитие и распространение получили полупроводниковые приборы.
Работа большинства полупроводниковых приборов основана на свойствах т.наз. p-n перехода (электронно-дырочного перехода).
Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют область, возникшую на границе раздела полупроводников п-типа и р-типа. ЭДП получают вплавлением (резкий переход) или диффузией (плавный переход) в полупроводниковый монокристалл примесей, создающих тип проводимости, противоположный типу проводимости исходного монокристалла.
Электрические свойства ЭДП можно понять, если рассмотреть процесс его образования. Концентрация электронов в п-области пп (основные носители) во много раз больше их концентрации в р-области пр (неосновные носители). Поэтому при образовании p-n перехода из-за существования градиента концентрации носителей заряда происходит диффузия электронов из п-области в р-область кристалла, а дырок из р-области в п-область. В результате этого вблизи границы ЭДП в n- области остается связанный положительный объемный заряд ионизированных атомов доноров (атомов примеси, обогащающей исходный монокристалл отрицательными носителями заряда – электронами), а в р-области - отрицательный объемный заряд ионизированных атомов акцепторов (атомов примеси, обогащающей исходный монокристалл положительными носителями заряда–дырками).Эти объемные заряды образуют электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок, образуется запирающий слой, в котором практически отсутствуют подвижные основные (примесные) носители заряда, вследствие чего его сопротивление велико. Устанавливается равновесие, при котором падение напряжения на границе р и п-областей, называемое потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов, принимает стационарное значение. При этом полный ток через р-п переход равен нулю. Ширина области запирающего слоя (ширина р-п перехода) зависит от метода изготовления ЭДП и концентрации основных носителей в п- и р-областях и тем больше, чем меньше эти концентрации. Если к ЭДП приложить электрическое напряжение U, то равновесие нарушается. При обратном смещении (+U приложено к области n ) потенциальный барьер для основных носителей возрастает, вследствие чего ток через переход за счёт основных носителей практически равен нулю,однако по цепи: источник питания – переход протекает ток, порождаемый так называемыми неосновными носителями заряда. Неосновными носителями являются заряды p – типа в области n и n- типа в области p, возникающие в результате термогенерации атомов исходного монокристалла, их концентрация много меньше таковой для основных ( примесных ) носителей, для неосновных носителей слой объёмного заряда не является запирающим.Ток неосновных носителей мал по величине, слабо зависит от обратного напряжения на переходе, поскольку их концентрация постоянна для данной температуры и носит название обратного или теплового тока p-n перехода.
Увеличение обратного напряжения может привести к пробою р-п перехода. Под пробоем понимают явление резкого возрастания тока через переход, вызванное увеличением числа подвижных носителей заряда в обедненной области. Различают два основных вида пробоя: электрический и тепловой. В первом случае увеличение числа подвижных носителей заряда происходит за счет процессов ударной (лавинной) ионизации атомов, во второй – вследствие нарушения теплового равновесия и повышения температуры полупроводника. Напряжение, при котором происходит пробой, называется напряжением пробоя Uпр.
В случае прямого смещения (+U приложено к области p ) потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается. Основные носители заряда пересекают ЭДП, образуя прямой ток через переход, который может достигать значительной величины. Этот процесс называют инжекцией носителей. Инжектированные носители заряда диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с носителями заряда, приходящими из внешней цепи. Прямой ток через ЭДП устанавливается не мгновенно из – за инерционности, которая обусловлена процессами рекомбинации и характеризуется временем жизни t носителей заряда. Величина t определяет частотные характеристики полупроводниковых приборов. На рис. 10 приведена вольт – амперная характеристика ЭДП, на которой различают прямую ветвь (1 квадрант) и обратную ветвь (3 квадрант).
Рис. 10 Вольт – амперная характеристика ЭДП
Полупроводниковым диодом – называют электропреобразовательный прибор с двумя выводами, принцип действия которого основан на использовании свойств ЭДП.
В зависимости от оформления p-n перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. В плоскостных граница между областями полупроводника представляет собой плоскость соприкосновения, в точечных диодах полупроводник контактирует с металлической иглой (ЭДП полупроводник – металл).
На рис.11 приведена в качестве примера наиболее распространённая структура плоскостного диода, изготовленного методом вплавления .
Рис. 11
Структурная схема плоскостного диода
Промышленность выпускает следующие типы полупроводниковых диодов.
Выпрямительные диоды – для преобразования переменного тока в постоянный. В качестве основных материалов используются – кремний и германий. Прямое напряжение и рабочая температура кремниевых диодов выше, чем у германиевых. Частотные характеристики лучше у германиевых диодов. Диапазон прямых токов и допустимых обратных напряжений диодов весьма широк: от десятков миллиампер до сотен ампер и от десятков вольт до десятков киловольт соответственно. Величина обратных токов в зависимости от типа диода может находиться в пределах единиц микроампер – единиц миллиампер. Обратный ток диода характеризует неидеальность его выпрямительных свойств, с этой точки зрения кремниевые диоды, имеющие существенно меньшие обратные токи перспективнее германиевых.
Высокочастотные диоды предназначены для использования в качестве ключевых элементов в импульсных схемах. Для диода состояние «включено» соответствует прямому смещению р-п перехода, состояние «выключено» – обратному. Характерной особенностью этих диодов является малая ёмкость перехода, достигаемая технологическим путем, благодаря чему время переходного процесса между двумя состояниями весьма мало.
Стабилитроны (опорные диоды) предназначены для поддержания неизменного напряжения (напряжения стабилизации) при больших изменениях тока. Стабилитроны работают при отрицательном смещении на р-п переходе при U = Uобр. (рис.10). Вольтамперные характеристики этих диодов имеют слабую зависимость напряжения от тока в области электрического пробоя. Основным параметром этих диодов является напряжение стабилизации.
Варикапы (параметрические диоды) используют в качестве конденсатора переменной ёмкости. Принцип действия их основан на свойстве барьерной ёмкости обратно смещенного перехода изменять свою величину в зависимости от приложенного напряжения. Варикапы широко используются в схемах автоматической подстройки частоты, амплитудной и частотной модуляции, в схемах параметрических усилителей и др.
Светодиоды – приборы с р-п переходом, которые излучают свет при прохождении через них прямого тока. Светодиоды являются источниками некогерентного излучения. Светодиоды изготовляются на основе полупроводниковых материалов, вероятность излучательной рекомбинации в которых высока. Одним из основных параметров светодиодов является длина волны излучаемого света, которая определяет цвет излучения. Светодиоды находят широкое применение в качестве буквенно-цифровых индикаторов и индикаторных панелей, в установках аварийной сигнализации, в системах ночного видения, в контрольно-цифровой аппаратуре и др.
Туннельные диоды – используются в схемах генераторов и усилителей СВЧ диапазона, в быстродействующих ключевых и импульсных схемах и др. Принцип действия их основан на туннельном эффекте, который возможен в случае сверхмалой толщины ЭДП. Туннельные диоды изготавливают на основе таких высоколегированных полупроводниковых материалов как Ge и GaAs
Фотодиоды -используются в качестве приемников светового излучения, принцип работы основан на генерации под действием квантов света пар носителей заряда, которые разделяются p-n переходом, образуя на выходных выводах фотоэдс ,фотодиоды работают при обратном смещении перехода и используются в двух основных режимах: как датчик освещенности (режим фотоэдс) и как переменное сопротивление, включаемое последовательно с нагрузкой и зависящее от внешней освещенности. Весьма широко используется комбинация : светодиод – фотодиод, конструктивно объединенные в одном приборе, называемом оптроном или оптопарой, такие оптопары служат для идеальной гальванической развязки маломощных управляющих и мощных нагрузочных цепей.
Тиристоры –полупроводниковые приборы ,основанные на трех - переходной диодной структуре, подразделяются на три основные типа :динисторы, тринисторы (чаще называются просто тиристорами) и симисторы. Основное назначение – коммутация больших нагрузочных токов в широком диапазоне напряжений на нагрузке. На рис.12 показана физическая модель динистора,включающая три p-n перехода.
При некотором напряжении между анодом и катодом, называемом напряжением включения, в коллекторном переходе создаются условия для лавинообразного нарастания числа неосновных носителей в результате чего электрическое сопротивление динистора резко падает, возрастает прямой ток, величина которого теперь будет определяться сопротивлением последовательно включенной нагрузки и приложенным напряжением. Вольт-амперная характеристика динистора с характерными точками,определяющими параметры динистора приведена на рис.13.
Следует отметить,что обратная ветвь характеристики динистора ничем не отличается от таковой для диода, кроме того, после включения выключить динистор можно только одним способом – уменьшить прямой ток до величины Iвыкл.
Тринистор отличается от динистора наличием дополнительного «управляющего» вывода, подачей напряжения на который, можно управлять моментом включения тринистора (Рис.14)
Вольт-амперная характеристика тринистора приведена на рис.15.
Разновидность тринистора – симистор обладает симметричной характеристикой в первом и третьем квадрантах, таким образом, симистор способен коммутировать переменный ток в нагрузке. Управление указанными приборами ведется также только на включение, выключение возможно только путём снижения тока нагрузки. В принципе существуют тринисторы как с включением, так и с выключением с помощью управляющего электрода, однако при этом, выключающий ток сравним по величине с током нагрузки, в связи с этим они используются крайне редко.
Условные графические обозначения диодов и их разновидностей приведены на рис.16.
На рис.16 приведены УГО следующих основных разновидностей диодов:
а) – диод выпрямительный,
б) – стабилитрон,
в)-варикап,
г)-туннельный диод,
д)-диод Шоттки (контакт:металл-полупроводник),
е)-светодиод,
ж)-фотодиод,
з)-диодный оптрон (оптопара),
и)-динистор,
к)-тринистор с управлением по катоду (управляющее напряжение действует между управляющим электродом и катодом),
л)-симистор с управлением по катоду .
УГО диодов на принципиальных схемах сопровождается буквами «VD».
Система обозначений диодов в конструкторской документации:
· первый элемент - цифра или буква:1 или Г (германий), 2 или К (кремний),3 или А (арсенид галлия),
· второй элемент - буква: Д – выпрямительный диод,
В – варикап,
А – СВЧ диод,
И – туннельный диод,
С – стабилитрон,
Ц – выпрямительные блоки,
У – тиристоры,
А Л - излучающие диоды,
ФД – фотодиоды.
· третий элемент – 3х значное число - свойства группы,
· четвёртый элемент – буква : особенности внутри группы. Примеры обозначений: 1Д402А –германиевый выпрямительный диод, КД 202В - кремниевый выпрямительный диод, КС107А – стабилитрон, КУ 208Г – симистор, КВ110Б – варикап.
Биполярный транзистор (БТ) – полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на взаимодействии близкорасположенных ЭДП. На рис.17схематически приведена структура БТ типа р п р.
На рис.16 приведены УГО следующих основных разновидностей диодов: