Основные типы полупроводниковых электронных приборов

Сравнительно давно было известно, что кристалл полупроводника может выполнять в паре с металлической контактной пружинкой роль нелинейного элемента — диода. Такой кристаллический диод был впервые применён в 1900 г. для приема телеграфных сигналов искрового радиопередатчика А. С. Поповым и в начальной стадии развития радиотехники являлся обязательным элементом радиоприемных устройств.

Работы А. Ф. Иоффе и его школы, М. А. Бонч-Бруевича, О. В. Лосева, С. И. Шапошникова и других физиков привели к широкому применению полупроводников в физическом эксперименте, и различных областях техники. В последнее время разработаны и успешно применяются многочисленные полупроводниковые приборы, из которых в первую очередь нужно отметить полупроводниковые диоды и триоды. Быстрые темпы развития полупроводниковой электроники дают основания полагать, что в недалеком будущем во многих- областях радиотехники полупроводниковые триоды вытеснят электронные лампы и станут основным усилительным элементом. (Учебник 1969 г. издания!)

Ниже кратко рассмотрим принципы действия,, основные параметры полупроводниковых приборов, а также методика, расчета некоторых простейших схем.

К полупроводникам, как известно, относятся вещества с удельной электропроводностью от ~5·10⁶ом^-1·см^-1 до 10^-10ом^-1·см^-1 и обладающие электронной проводимостью. Удельная электропроводность около 10⁵ом^-1·см^-1 и более соответствует металлам, а порядка 10^-10ом^-1·см^-1 и менее — изоляторам. Если проводимость металлов объясняется свободным движением валентных электронов в чистых полупроводниках обычно почти все электроны находятся в связанном состоянии и не могут принимать участия в осуществлении проводимости.

Характеристикой полупроводника можно также считать зависимость его электропроводности от температуры. Если электропроводность металлов с понижением температуры растет и с приближением к абсолютному нулю достигает весьма больших значений (явление сверхпроводимости), то у полупроводников картина обратная; с понижением температуры они уменьшают свою проводимость, становясь вблизи абсолютного нуля изоляторами.

В настоящее время наиболее употребительными материалами для изготовления полупроводниковых приборов, и в частности диодов и триодов, являются германий и кремний. Рассмотрим на их примере, какими способами можно изменять проводимость полупроводников.

Атомы германия и кремния имеют на внешней орбите по четыре валентных электрона. Каждый из атомов расположен в центре правильного тетраэдра, в вершинах которого находятся соседние атомы. Любая связь между атомами образована двумя электронами (ковалентная связь), из которых один относится к числу четырех валентных электронов одного атома, а второй — к числу валентных электронов другого. Такая структура рассматриваемого кристалла германия или кремния соответствует изолятору, если тем или иным способом не будет нарушена целость кристаллической решетки.

Кристаллическая решетка может быть разрушена различными способами. Бомбардируя, например, исследуемый кристалл частицами, обладающими значительной энергией, можно разрушить какую-либо связь, выбив один из электронов. Если энергия частиц достаточно велика, то электрон не только будет выбит из связи, но
и удален от нее на значительное расстояние. Выбитый электрон будет находиться в беспорядочном тепловом движении в кристалле до тех пор, пока не попадет либо обратно па свою связь, либо на другую, где также нет электрона. Если наложить на кристалл электрическое поле, то выбитые из связей электроны можно заставить упорядоченно двигаться, что равносильно протеканию электрического тока. В той связи, из которой был выбит электрон, образуется дырка. Поскольку отсутствие электрона можно рассматривать как локальный положительный заряд, то, наложив на кристалл электрическое поле, можно заставить дырки упорядоченно двигаться (дрейфовать), что также равносильно протеканию электрического тока, но в другом направлении (в противоположном по отношению к. движению дырок и в том же, куда направлен электронный ток).

Проводимость, создаваемая свободными (избыточными) электронами, называется электронной или проводимостью п-типа. Проводимость, создаваемая движением дырок, называется дырочной или проводимостью р-типа. Необходимо подчеркнуть, что дырочную проводимость ни в коем случае нельзя отождествлять с ионной, так как носителями тока по-прежнему являются электроны. При электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое количество электронов поочередно заменяют друг друга в связях. Возможность одновременного и раздельного существования в кристалле двух указанных типов проводимости является одним из основных положений теории полупроводников.

Описанный метод получения в кристалле полупроводника носителей электрического тока применяется очень редко. Наиболее эффективным и в то же время простым методом является введение в кристалл различных примесей.

Если в качестве основного вещества, например, использовать четырехвалентные германий или кремний, то число валентных электронов у примесного вещества может быть больше или меньше четырех. Пусть примесью служит пятивалентный мышьяк. Тогда атом мышьяка занимает в каком-то участке кристаллической решетки место атома основного вещества (в нашем случае германия, или кремния) и за счет своих четырехвалентных электронов образует связи с соседними атомами этих элементов. Пятый валентный, электрон мышьяка не может принять участия в связи, так как все места уже заполнены. При этом силы притяжения его к своему атому сравнительно малы и уже при комнатной температуре, за счет энергии теплового движения, электрон отрывается от своего атома, становясь свободным. Атом же мышьяка превращается в носителя неподвижного положительного заряда и при низких температурах может рекомбинировать с каким-либо из свободно движущихся электронов. Однако, в силу очень слабой энергии связи (сотые доли электронвольта), рекомбинация не оказывает существенного влияния ил процесс проводимости, осуществляемый свободными электронами.

Таким образом, за счет примеси кристалл германия или кремния приобрел проводимость п-типа. Сам кристалл, обладающий электронной проводимостью, называется кристаллом типа п.

Если в качестве примеси вместо мышьяка использовать трехвалентный бор, то атом бора образует с соседними атомами основного вещества три полноценных связи. В четвертой связи один электрон будет отсутствовать, в результате чего в кристаллической решетке образуется дырка, которую может нейтрализовать электрон из соседней связи; иначе говоря, образовавшаяся дырка переместится в соседнее положение. Атом бора становится носителем неподвижного отрицательного заряда и при низких температурах будет притягивать к себе положительно заряженную дырку. Однако, как и в предыдущем случае, уже при комнатных температурах эта связь разрывается, и практически имеет место только процесс проводимости, осуществляемый дырками. Подобного рода примеси превращают кристалл в кристалл типа р.

return false">ссылка скрыта

Из сказанного можно также сделать вывод, что проводимость полупроводника в значительной степени зависит от температуры. Наконец, можно указать еще на один способ создания проводимости в полупроводнике. Под влиянием светового облучения ряд валентных связей в кристалле разрывается, образуя одинаковое число дырок и свободных электронов. При наложении на кристалл электрического поля в нем потекут дырочный и электронный токи. С прекращением облучения, вследствие рекомбинации дырок с электронами, кристалл придет в свое прежнее состояние, так как новые дырки и электроны не появляются. Таким образом, ток через кристалл зависит от интенсивности светового облучения — внутренний фотоэффект. Описанный эффект широко используется в полупроводниковых фотоэлементах и фотосопротивлениях.

Избыточные электроны в кристалле полупроводника л-типа и избыточные дырки в кристалле р-типа называются основными носителями. Кроме основных в полупроводниках может находиться некоторое количество неосновных носителей. К ним относятся дырки в полупроводнике п-типа и электроны в полупроводнике р-типа.

Основные носители сохраняются обычно в объеме кристалла в течение неопределенно продолжительного времени. В противоположность им время жизни неосновных носителей существенно ограничено и составляет (для германия) от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Вероятность уничтожения неосновных носителей при непосредственной встрече с основными практически равна нулю, так как концентрация неосновных носителей в объеме полупроводника ничтожно мала. Возникновение и уничтожение неосновных носителей происходит в центрах рекомбинации, роль которых могут выполнять различные дефекты кристалла. Эти центры захватывают сначала носитель одного типа, а затем другого, которые и рекомбинируют друг с другом. Так как, согласно данным опыта концентрация неосновных носителей в кристалле остается постоянной, необходимо допустить возможность обратного процесса в центрах рекомбинации, т.е. возникновения пары электрон — дырка.

Неосновные носители играют главную роль в работе полупроводниковых приборов.

 

Основной частью многих полупроводниковых приборов является так называемый р—п-переход. Он получается в монокристалле полупроводника, если часть кристалла имеет проводимость п-типа, а другая часть — р-типа. Необходимо тут же подчеркнуть, что оба объема различной проводимости вместе с переходной областью должны быть получены в одном целом монолитном кристалле с однородной кристаллической решеткой, т.е. переход типа р—п невозможно получить спаиванием или сваркой двух кристаллов с различными типами проводимости.

Одним из наиболее распространенных в настоящее время способов получения р—п - перехода является вплавление трехвалентного элемента (обычно индия) в монокристалл германия с проводимостью п-типа.

Вплавление осуществляется при температуре, меньшей точки плавления германия, но большей, чем точка плавления индия. При этом .часть индия диффундирует в германий и создает там область с р-проводимостью. К областям р и п припаиваются контакты (рис. 113).

Рассмотрим коротко принцип действия р—п-перехода. При наличии в кристалле двух областей с различными типами проводимости работа выхода электронов из области л меньше, чем из области р. Следствием этого является возникновение между областями р и п разности потенциалов, равной разности работ выхода и, следовательно, возникновение электрического поля. Это поле направлено так, что оно отталкивает электроны в глубь области п, а дырки — в глубь области р. Между областями рил образуется слой полупроводника, обедненный носителями тока (запорный слой), сопротивление которого значительно превышает сопротивление материала полупроводника. Из области р в область п могут попасть только те дырки, энергия которых оказывается достаточной для преодоления существующего потенциального барьера. Точно также из области п в область р могут попасть только электроны, обладающие достаточной энергией.

Кроме основных носителей, в областях п и р, вследствие теплового движения атомов, возникают пары электрон — дырка. Если подобная пара возникла в р-области и электрон за время жизни успел дойти до перехода, то электрическое поле перетянет его п-область. Аналогичным образом дырки, образовавшиеся в п-области, могут попасть в р-область. Однако суммарный ток перехода отсутствие внешних напряжений равен нулю, так как поток дырок и электронов из области р в область п уравновешивается встречным потоком электронов и дырок из области п в область р.

Приложим к р—п-переходу разность потенциалов u минусом к области р и плюсом к области п(u_обр). При этом высота существующего потенциального барьера увеличивается на величину и. Поток электронов из области п в область р и поток дырок из области р в область п прекращается, так как энергии электронов и дырок уже не хватает для преодоления нового потенциального барьера.

Потоки электронов и дырок из области р в область п и обратно, обусловленные возникновением пар электрон—дырка остаются, так как их существование не зависит от внешних напряжений. В результате, через р—п-переход течет слабый ток и сопротивление перехода по этой причине весьма велико. Если теперь разность потенциалов приложить минусом к области п и плюсом к области р (и_пр), то высота существующего потенциального барьера уменьшается и это обстоятельство облегчает прохождение дырок в область п и электронов в область р; р—п-переход пропускает значительный общий ток, действуя как очень низкое сопротивление. Поток электронов и дырок, вызванный возникновением Пар электрон — дырка остается прежним.

Диоды

Таким образом, р—п-переход обладает свойством очень хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо в другом, т.е. является диодом. То направление, в котором для данного диода ток больше, т. е. сопротивление меньше, называется прямым направлением тока. Противоположное направление тока называют обратным или запирающим направлением.

Величина тока в прямом направлении определяется, в основном, сопротивлением объема полупроводника. Ток в обратном направлений незначителен. Однако, при больших значениях обратной разности потенциалов, электроны приобретают энергию, достаточную я преодоления существующего потенциального барьера. В результате обратный ток возрастает и при дальнейшем увеличении обратной разности потенциалов наступает электрический пробой.

 

 

На рис. 114 показана реальная характеристика р—п-перехода, причем с целью большей наглядности для прямого и обратного направлений тока как по оси абсцисс, так и по оси ординат выбраны разные масштабы.

Описанные диоды в настоящее время широко применяются. Они обычно называются плоскостными диодами, так как р—п-переход представляет из себя два слоя с различными типами проводимости. Допустимая величина тока в прямом направлении определяется в основном площадью р—п-перехода. Диоды указанного типа изготовляются с допустимыми значениями токов от нескольких десятков миллиампер до нескольких сотен ампер.

Хорошо известны и также широко применяются точенные диоды, в которых выпрямление происходит между пластинкой из полупроводника (германия, кремния) и металлической пружинкой. Несмотря на то, Что точечные диоды появились очень давно и им посвящена обширная литература, к настоящему времени следует считать выясненными лишь основные принципы их действия.

Согласно современным представлениям, в точечных диодах вблизи контакта металл — полупроводник возникает р—п-переход. Свойства этого перехода во многом определяют параметры диода, однако существенную роль играют также граница металла с полупроводником и некоторые другие факторы. Параметры точечных диодов в общем хуже параметров плоскостных. Так, прямое сопротивление несколько меньше. Прямой максимальный ток точечного диода невелик и обычно составляет несколько десятков миллиампер.

Основным достоинством точечных диодов является их способность работать на очень высоких частотах, что объясняется малыми размерами рабочей поверхности диода и, следовательно, малой его емкостью. Точечные диоды могут применяться в широком диапазоне частот, вплоть до 10¹¹ гц и выше, в то время как верхняя частотная граница плоскостных диодов обычно составляет около 10⁷ гц или ниже.

 

Триоды

Плоскостной триод представляет собой монокристалл полупроводника, разделенный на три области с поочередно меняющимися типами проводимости: Если объем с электронной проводимостью заключен между двумя объемами с дырочной проводимостью, то полученный триод называется плоскостным триодом типа р—п—р. Наоборот, если объем с дырочной проводимостью заключен между двумя объемами с электронной проводимостью, то получается плоскостной триод типа п—р-п. (рис. 115, а). Иначе говоря, плоскостной триод состоит из двух р—п-переходов, причем одна область (п или р) является общей. Рассмотрим кратко работу плоскостного триода типа р—п—р. К каждой его области присоединены контакты, при помощи которых он может быть включен в схему. Если к триоду не приложено никаких внешних напряжений, тогда токи через р—п-переходы отсутствуют.

 

Рис.115. Схематическое устройство р—п—р- и п—р—п- триодов (а)

и схема питания триода типа р—п—р (б)

 

Пусть теперь на левый контакт (рис. 115, б) подано относительно среднего контакта небольшое положительное напряжение, составляющее обычно доли вольта, а на правый — большое отрицательное напряжение, порядка единиц или десятков вольт. Для простоты будем считать, что электрическое поле имеется только в р—п-переходах, т.е. в переходе между левой областью р и средней областью п и между правой областью р и средней областью п, а в самих р- и п-областях поле отсутствует. При этом потенциальный барьер между левой и средней областями понижается, а между правой и средней — повышается. Так как р—п-переход между левым и средним контактами включен в прямом направлении, то его ток складывается из дырочного и электронного токов, как в обычном плоскостном диоде. Электронный ток течет между левым и средним контактами и замыкается через источник питания.

Никакой пользы он не приносит, так как электроны не могут преодолеть потенциального барьера закрытого перехода между правой и средней областями, Дырки же, перешедшие, в среднюю область, могут попасть в правую область, и создать полезный ток в правом р—п-переходе. Если время прохождения дырок через среднюю п-область много меньше времени их жизни, то основная часть дырок дойдет до правого р— п-перехода и попадет на правый контакт. Лишь очень небольшая часть дырок рекомбинирует с электронами, находящимися в средней области. Таким образом, величина тока через правый р— п-переход определяется величиной тока через левый. Левый контакт триода называется эмиттером, правый — коллектором и средний — базой. Аналогично, левая область триода называется эмиттерной, а правая — коллекторной. Среднюю область часто называют еще основанием триода.

 

Полупроводниковые усилители

С помощью полупроводников можно производить не только выпрямление, но и усиление электрических колебаний. Употребляемые для этого полупроводниковые приборы имеют не два электрода (как в выпрямителях), а три (и больше) и действуют подобно вакуумным электронным лампам с сетками.

Для разъяснения принципа усиления электрических сигналов с помощью полупроводников мы рассмотрим только один из типов полупроводниковых триодов, схематически изображенный на рис. 435.

Он представляет собой кристалл германия, в котором при помощи соответствующего распределении двух примесей созданы три области с чередующимися типами проводимости: дырочной—электронной—дырочной, между которыми находятся два р-n-перехода. Кристалл соединен с соответствующими металлическими электродами, с помощью которых триод включают в схему, показанную на рис. 435.

Как видно из рисунка, один из р-n-переходов (левый), рассматриваемый как выпря­митель, работает в проходном направлении, в то время как другой переход (правый) — в запорном. Оконечная часть кристалла, прилегающая к первому из переходов, получила название эмиттера, а вторая оконечная часть—коллектора. Промежуточная область называется основанием или базой триода. Ее ширина всегда мала и измеряется десятками (или даже единицами) микрон. Источник усиливаемых колебаний присоединяют между эмиттером и основанием, а усиленные колебания возникают в цепи коллектора.

Рассмотрим теперь, что происходит внутри триода. Основная доля электрического тока внутри эмиттера представляет собой движение дырок, которые являются основными носителями заряда. Эти дырки инжектируются в область основания и в качестве не­основных носителей заряда движутся к коллектору. Если длина диффузии дырок в области базы больше толщины базы, то значительная часть инжектированных дырок достигнет коллектора. Здесь положительные дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и, вступая внутрь коллектора в качестве основных носителей, изменяют ток коллектора. Таким образом, всякое изменение тока в цепи эмиттера будет вызывать изменение тока в цепи коллектор. То же самое будет справедливо и для напряжений на эмиттере и коллекторе.

Оказывается, что изменение напряжения, возникающее на нагрузочном сопротивлении r в цепи коллектора, можно сделать гораздо больше, нежели вызвавшее его изменение напряжения в цепи эмиттера, т. е. получить усиление напряжения. Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, мы получим в цени коллектора переменный ток, а на нагрузочном сопротивлении — переменное напряжение. При этом мощность, выделенная и нагрузочном сопротивлении, будет больше мощности, расходуемой в цепи эмиттера, т. е. получится усиление мощности. Усиление по напряжению и усиление по мощности в современных германиевых триодах может превышать 10 000.

Помимо рассмотренного полупроводникового триода существуют и другие их типы, так же как и иные схемы включения.

Из сказанного видно, что действие полупроводниковых триодов напоминает действие вакуумных трехэлектродных ламп (рис. 435). При этом роль катода играет эмиттер, роль анода — коллектор, а в качестве сетки служит база. Изменяя напряжение между сеткой и катодом в вакуумном триоде, мы изменяем величину электронного потока в лампе и получаем изменение тока в цепи анода. Аналогично, изменяя напряжение между эмиттером и базой, мы меняем величину потока неосновных носителей, инжектирован­ных в область базы, и этим изменяем ток в цепи коллектора.

Полупроводниковые триоды обладают рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами. Они не имеют накаливаемого катода и поэтому потребляют меньшую мощность. Так как, кроме того, они не требуют вакуума (который может портиться при работе лампы), то их надежность и срок службы больше, чем у электронных ламп. Полупроводниковые триоды имеют также гораздо меньшие размеры. Поэтому применение полупроводниковых приборов стало чрезвычайно успешным по отношению к электронным лампам в большинстве радиотехнических схем и счетно-решающих устройств.

 

Одним из важных параметров полупроводникового триода является его коэффициент усиления по току α. Он определяется как отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при постоянном напряжении на коллекторе:

Очевидно также, что α представляет собой ту долю тока эмиттера, которая достигла коллектора.

На коллектор можно подать сравнительно высокое напряжение, а для нормальной работы триода нужно иметь на коллекторе относительно базы небольшое напряжение порядка 0,5÷1,0 В. Поэтому в цепь коллектора может быть включено большое сопротивление нагрузки R_н (рис. 116,6). Если последовательно с источником питания цепи эмиттер—база включить источник сигнала, то на сопротивлении нагрузки может быть получено усиление по напряжению и по мощности.

Схема, приведенная на рис. 116, б, называется схемой с общей (или заземленной) базой, так как базовый электрод здесь является общим и для входного, и для выходного сигналов. У плоскостного триода ток коллектора меньше тока эмиттера. В схеме с общей базой через источник сигнала проходит весь ток эмиттера, и усиления по току не происходит. Поэтому коэффициент усиления по току α в схеме с общей базой всегда меньше единицы. У хороших триодов, однако, он может приближаться к ней достаточно близко. Обычно значения α лежат в пределах 0,9÷0,99.

Можно включить триод и по так называемой схеме с общим (или заземленным) эмиттером (рис. 116, а). В такой схеме происходит усиление не только по напряжению, но и по току, так как через источник сигнала проходит лишь ток базы, который много меньше тока коллектора. Коэффициент усиления по току в схеме с общим эмиттером обозначается буквой β и определяется как отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при постоянном напряжении на коллекторе:

На основании принципа действия полупроводникового триода можно утверждать, что ток эмиттера складывается из тока коллектора (движение неосновных носителей тока в базе от эмиттера к коллектору) и тока базы (та часть тока эмиттера, которая замыкается в цепи прямого перехода эмиттер — база), т. е.

Сопоставление определений для α (36.1) и β (36.2) с учетом формулы (36.3) показывает, что α и β связаны простым соотношением:

Наконец, возможна и третья схема включения полупроводникового триода — схема с общим коллектором (рис. 116, в).

Из рассмотрения принципа работы плоскостного полупроводникового триода очевидно, что он обладает свойством симметрии. Это означает, что можно поменять местами эмиттер и коллектор; при этом коллектор будет работать как эмиттер, а эмиттер — как коллектор. Однако подобная симметрия обычно не бывает полной, так как для получения оптимальных параметров требуется некоторое различие в размерах и электрических свойствах эмиттера и коллектора.

Работа триода п—р—п полностью аналогична работе триода р—п— р. Необходимо; лишь изменить полярность питающих напряжений на обратную. В этом случае эмиттер будет эмитировать в кристалл уже не поток дырок, а поток электронов.

На рис. 117 приведено семейство коллекторных характеристик плоскостного, триода типа р—п—р. Нетрудно заметить, что они очень сходны с анодными характеристиками пентода.

Проведем аналогию с трехэлектродной лампой. При этом эмиттер триода может быть уподоблен катоду, так как он является источником носителей зарядов (дырок или электронов), которые через объем полупроводника переходят на коллектор. Основание триода (база) выполняет функции, сходные с теми, которые выполняет сетка электронной лампы. Потенциал основания (базы) относительно эмиттера управляет движением носителей зарядов от эмиттера к коллектору. Наконец, третий электрод триода — коллектор — подобен аноду трехэлектродной лампы. Следует, однако, здесь же заметить, что эта аналогия носит только внешний характер, так как явления переноса зарядов в электронной лампе и в полупроводниковом триоде существенно различны.

В электронной лампе электроны переходят от катода к аноду вследствие непрерывного воздействия на них электрического поля анода и управляющей сетки. В полупроводниковом триоде распространение носителей зарядов в объеме полупроводника подчиняется в конечном итоге уравнению диффузии. Если в вакуумном триоде значения выходных напряжений и токов определяются разностью потенциалов на входе, то в полупроводниковом триоде значения выходных напряжений и токов являются функциями входного тока, так как ток коллектора определяется количеством носителей, введенных в кристалл. (Формально выходной ток является также функцией приложенной разности потенциалов между эмиттером и основанием, однако физическая сущность процесса приводит к необходимости считать выходной ток (и другие параметры) триода функциями входного тока.) На характеристиках полупроводникового триода это проявляется в том, что на осях координат место напряжений заняли токи и место токов — напряжения.

 

 

Существенным является также еще одно обстоятельство, которым в вакуумном триоде обычно пренебрегают. Оно заключается в наличии некоторого обратного влияния (обратная связь, выходных цепей на входные) в силу физических особенностей полупроводникового триода, имеющего небольшое (по сравнению с лампой) сопротивление в обратном направлении от нагрузки к управляющей цепи. Существование обратного влияния приводит иногда к необходимости проверки устойчивости работы.

Исторически раньше были разработаны полупроводниковые триоды другого типа — так называемые точечные триоды.

Точечный триод представляет собой конструкцию, в которой к монокристаллу полупроводника (обычно германия п-типа) присоединены две контактные пружинки, аналогичные пружинкам точечного диода. Острия этих двух пружинок расположены на малом расстоянии друг от друга (порядка 10^{-2 мм).} Отвод от самого кристалла и две контактные пружинки являются тремя выводами триода, при помощи которых он может быть включен в схему. Кристалл полупроводника является базой триода, а точечные контакты — эмиттером и коллектором. Как и в случае плоскостного триода, на эмиттер подается относительно базы небольшое положительное напряжение, а на коллектор — сравнительное большое отрицательное.

Принцип действия точечного триода аналогичен принципу действия плоскостного, однако некоторые особенности работы приводят к тому, что коэффициент усиления по току а у точечного триода оказывается существенно больше единицы (2÷5).

По сравнению с плоскостными точечные триоды имеют ряд крупных недостатков. К ним относятся малая механическая прочность, большая нестабильность параметров, высокий уровень собственных шумов и некоторые другие.

Это привело к тому, что в настоящее время точечные триоды применяются редко.

Из рассмотренных выше принципов работы полупроводниковых диодов и триодов очевидно, что параметры последних существенно зависят от температуры. Действительно, верхний температурный предел для германиевых диодов и триодов составляет всего +60 ÷ +80 ^оС. При повышении температуры начинает увеличиваться обратный ток р—п-перехода (i_{к обр}), вследствие чего его обратное сопротивление уменьшается. Увеличение тока i_{к обр} происходит по экспоненциальному закону и уменьшает коэффициент усиления.

При разработке конкретных схем на полупроводниковых приборах подобные изменения необходимо учитывать. С этой точки зрения большой интерес представляют полупроводниковые диоды и триоды, в которых в качестве основного элемента используется кремний. Верхний температурный предел работы кремниевых приборов выше, чем германиевых и составляет +120 ÷ +130° С.

 

 

Здесь С_к – емкость коллекторного перехода, а сопротивления R₆’ и R_б’’ соответственно равны

При необходимости расчет схемы может вестись по эквивалентной схеме рис. 122, но чаще для определения верхнего частотного предела работы полупроводникового триода вводят понятие граничной частоты (f_гр). Для данного триода граничной является частота, на которой α — коэффициент усиления триода по току, падает на 3 дб (до 0,707 от своей первоначальной величины) по сравнению с коэффициентом усиления на низкой частоте (обычно 1000 гц). Иногда верхний частотный предел работы триода определяют по максимальной частоте генерирования в какой-либо из стандартных схем генераторов. Как правило, частотный предел работы определяется при включении триода по схеме с общей базой.

 

 

§ 3.6. Схемы применения полупроводниковых триодов

Всякий полупроводниковый триод, как уже говорилось, является нелинейным элементом.

Величины сопротивлений R₆, R_э, R_K, коэффициенты усиления α (или β) или H-параметры системы непостоянны и зависят от режима работы схемы. Рассмотренный метод анализа схем предполагал работу полупроводникового триода в малой окрестности некоторой рабочей точки, когда характеристики триода могут быть линеаризованы. Таким образом, прежде всего для нормальной работы схемы должны быть обеспечены рабочие режимы полупроводникового триода.

Как следует из принципа действия триодов и его характеристик в схеме должны быть определены напряжение питания коллектора U_K0 и ток базы в рабочей точке 1_б0, соответствующие выбранному линейному участку. При этом величина U_K0 не должна превышать некоторого допустимого предельного значения U_{K макс}, а ток коллектора в рабочей точке соответствующего максимального значения I_{K макс.}

Кроме того, всегда существует некоторое предельное значение мощности, рассеиваемой на полупроводниковом триоде Р_Тмакс. Рассеиваемая мощность Р_Т определяется как сумма мощностей, рассеиваемых на переходах эмиттер — база Р_эб и база — коллектор Рsub>бк:

и может быть определена непосредственно из выражений для составляющих

Здесь напряжения эмиттер — база — U_эб0, база— коллектор — U_бко и токи эмиттера I_э0 и коллектора I_к0 — постоянные составляющие напряжений и токов в рабочей точке.

Нормальный режим работы триода, соответствующий выбранной рабочей точке, может быть обеспечен применением специальных источников питания перехода эмиттер — база или путем применения автоматического смещения (рис. 123). Особенность схем автоматического смещения при использовании транзисторов (в отличие от ламповых схем) состоит в том, что транзисторы обладают значительной температурной нестабильностью, и это обстоятельство требует специальных мер температурной компенсации, которые уменьшают смещение рабочей точки при изменении температуры. На рис. 123, б в качестве примера приведена схема каскада усиления на транзисторе. Смещение рабочей точки осуществляется за счет сопротивления R₄, по для температурной компенсации использована дополнительная цепь с сопротивлениями R₁ и R₂, которая создает смещение в противоположном направлении.

 

Такая комбинация сопротивлений позволяет одновременно обеспечить требуемое смещение и подобрать наиболее выгодные условия компенсации.

Зависимость параметров триода от температуры ограничивает область применения полупроводников. В настоящее время получили распространение полупроводниковые приборы на основе германия и на основе кремния. Германиевые диоды и транзисторы удовлетворительно работают в области температур от —60 до + 70° С, кремниевые от —60 до +120° С.

Соображения по выбору величин емкостей конденсаторов, шунтирующих сопротивление смещения, и принципы построения входных и выходных цепей в схемах с полупроводниковыми триодами те же, что и в ламповых схемах. Следует только всегда иметь в виду, что входные сопротивления схем с транзисторами обычно весьма малы, а выходные велики. Это обстоятельство вынуждает особенно внимательно относиться к согласованию сопротивлений как по входной, так и по выходной цепям.

Все сказанное справедливо для транзисторов как р—п—р - типа, так и для п—р—n - типа, различие в применении этих приборов будет состоять только в обратной полярности питания схем (на рис. 123 приведены схемы, справедливые для триода р—п—р.