Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Задание №1
Очевидно, что из-за несовпадения уровня Ферми в полупроводниках p и n типов возникает перепад энергетических уровней, называемый потенциальным барьером. Именно потенциальный барьер уравновешивает диффузионный и дрейфовый токи в p-n переходе, находящемся в равновесном состояния
Задание №2
1. Назначение выпрямительных диодов и их основные параметры.
Наиболее часто используются выпрямительные диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. превращения переменного тока в постоянный. При этом через выпрямительные диоды протекают достаточно большие токи, поэтому p-n переходы в таких диодах имеют сравнительно большую площадь, что сказывается на отличие вольт-амперной характеристики (ВАХ) данного типа диодов от идеальной
Выпрямительные диоды характеризуются следующими основными параметрами:
Изображение диода на схемах напоминает стрелку, которая показывает направление тока, протекающего через открытый диод (рис.2).
Задание №12
На основе p-n перехода изготовляются стабилитроны. В стабилитронах используется управляемый пробой p-n перехода при достаточно больших приложенных к нему обратных напряжениях.
Задание №3
Вольтамперные характеристики идеального p-n перехода и реального выпрямительного диода.
Наиболее часто используются выпрямительные диоды. Они предназначены для выпрямления переменного тока, т.е. превращения переменного тока в постоянный. При этом через выпрямительные диоды протекают достаточно большие токи, поэтому p-n переходы в таких диодах имеют сравнительно большую площадь, что сказывается на отличие вольт-амперной характеристики (ВАХ) данного типа диодов от идеальной
Задание №24
Задание №25
Задание №6
Задание №5
Типы БП транзисторов. Основные параметры транзисторов
Задание №4
Нормальный активный режим
Режим насыщения
Режим отсечки
Барьерный режим
Инверсный активный режим
Задание №18
Характеристики БТ как четырехполюсника
Каждый из h-параметров имеет определенный физический смысл.
1)Параметр h11 представляет собой величину входного сопротивления транзистора rвх при коротком замыкании на выходе (U2=0) и измеряется в Омах. h11 = U1/I1; при U2=0
2)Параметр h12 называется коэффициентом обратной связи и равен отношению входного напряжения U1 к выходному U2 при разомкнутой входной цепи(I1=0). h12 = U1/U2; при I1=0
3)Параметр h22 представляет собой выходную проводимость транзистора при разомкнутом входе (I1=0) и измеряется в микросимменсах ( 1 мкСм =10-6См = 1 мкА/В).h22 = I2/U2; при I1=0
4)Параметр h21 – коэффициент прямой передачи тока при коротком замыкании на выходе.h21 = I2/I1; при U2=0
Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180.
Задание №19
1.Нарисуйте и поясните зависимость барьерной ёмкости p-n перехода варикапа от приложенного к нему напряжения.
На основе p-n перехода изготовляются и варикапы – приборы, которые выполняют функцию конденсатора с ёмкостью, управляемой напряжением. Изменение заряда положительных и отрицательных ионов с приложением обратного напряжения происходит одновременно с расширением зоны p-n перехода. Это можно интерпретировать, как удаление друг от друга пластин конденсатора, ёмкость p-n перехода должна уменьшаться с ростом приложенного напряжения.
Барьерная ёмкость p-n перехода убывает по закону
где Сб – барьерная ёмкость перехода,
Со– барьерная ёмкость перехода при нулевом напряжении на переходе,
Uобр – напряжение, приложенное к переходу,
А – коэффициент пропорциональности, зависящий от технологии изготовления и конструкции варикапа.
Зависимость СБ=f(UОБР), а также пример схемы включения варикапа в резонансном контуре с расчетной формулой приведена на рисунке 9.
Рисунок 9. Зависимость барьерной емкости варикапа, а также пример расчетной схемы включения (Сб – барьерная ёмкость p-n перехода, управляемая напряжением Еупр, С0 паразитная ёмкость варикапа и конструкции LC-контура).
2.Что такое крутизна спада характеристики АЧХ фильтров. Нарисовать хар-ки с крутизной спада 20дБ/окт. и 40 дБ/окт.
Крутизна спада АЧХ характеризует скорость спада АЧХ фильтра от точки перегиба. Обычно она измеряется в децибелах на октаву.
Крутизна спада/подъема АЧХ – разность уровней на графике АЧХ на частоте среза и на частоте, отстоящей от частоты среза на октаву выше/ниже.
Задание №20
Применяется варикап при замене обычного конденсатора переменной емкости там, где требуется изменение ее величины без механических усилий. Это настройка резонансных контуров (в радиоприемниках), в параметрических усилителях, при автоматической подстройки частоты в генераторах и т. д. На рис варикап применяется для настройки резонансной частоты колебательного контура. Резонансная частота зависит от величины индуктивности L и результирующей емкости С=C1*Cvd/(C1+Cvd),
.
Рис. Применение варикапа
При подаче управляющего напряжения Uупр меняется емкость варикапа и как следствие резонансная частота.
К качественным показателям относятся передаточные характеристики, основными из которых являются:
АЧХ – зависимость изменения коэффициента передачи каскада от частоты. ФЧХ – зависимость изменения фазы сигнала на выходе усилителя от частоты. Данные параметры характеризует коэффициент нелинейных искажений (М). Рабочая область (частотный диапазон) разбивается на 3 участка – низкие частоты, средние частоты (полоса работы усилителя), и высокие частоты (рисунок 3). Для каждой из частот среза (fн, fв) существует соответствующий коэффициент нелинейных искажений (Mн, Mв), характеризующий качество усилителя. Область, ограниченная fн и fв, называется рабочей полосой усилителя.
Непосредственно, сам коэффициент нелинейных искажений заключает в себе 3 основных коэффициента:
-коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение в фазе;
-коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение частоты;
-коэффициент нелинейных искажений, характеризующий изменение формы сигнала.
В общем случае данные коэффициенты определяются следующими зависимостями:
-коэффициент передачи
Чем ближе рабочая частота сигнала к центральной частоте АЧХ усилителя, тем меньшим будет КНИ.
Задание №21
Другим важным параметром полевого транзистора является дифференциальное сопротивление канала rК на пологом участке зависимости IС=f(UС). Оно определяется, как
при Uз=const и заданном токе Iс.
Это сопротивление обычно достаточно велико, поэтому зависимости Iс=f(Uс) на пологом участке практически параллельны оси абсцисс.
Произведение S и rК называется коэффициентом усиления напряжения полевого транзистора μ: μ=S∙rк Коэффициент μ показывает, какой предельный коэффициент усиления по напряжению можно получить, если выполнить на полевом транзисторе усилительный каскад.
Эквивалентная схема полевого транзистора с p-n переходом.
В этой эквивалентной схеме учтено, что полевой транзистор управляется полем, т.е. в отличие от биполярного транзистора входное сопротивление очень велико и в схеме не учитывается. Ёмкости Сзс, Сзи, Сис оказывают влияние только на высоких частотах, уменьшая коэффициент усиления каскадов, выполненных на полевых транзисторах. Основные усилительные свойства полевого транзистора определяются генератором тока SUзи и сопротивлением канала rк.
Следует учитывать, что запирающее напряжение на затворе, обеспечивающее режимный ток полевого транзистора, должно быть таким, что при подаче входного сигнала напряжение на затворе всегда оставалось отрицательным. В противном случае управляющий p-n переход окажется смещённым в прямом направлении и полевой транзистор потеряет своё основное достоинство - большое входное сопротивление.
Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180.
Графически проиллюстрировать работу каскада с ОЭ можно, используя входные и выходные статические характеристики БТ, путем построения его динамических характеристик (ДХ). Вследствие слабой зависимости входной проводимости транзистора g от величины нагрузки, входные статические и динамические характеристики практически совпадают. Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.
Координаты рабочей точки для малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А. Другие режимы работы каскадов чаще используются в усилителях мощности, и будут рассмотрены в соответствующем разделе.
Задание №22
1. Что такое тиристор? Его назначение. Нарисовать управляемый тиристор и его вольт-амперную характеристику.
Тиристоры
Семейство тиристоров относятся к диодным структурам, использующим значение собственного барьерного потенциала или барьерного потенциала управляющего электрода для управления током через диод.
Тиристоры имеют многослойную p-n, n-p структуру.
Конструкции переходов и областей p-n выбирается такой, чтобы при определенных токах через тиристор на его ВАХ имелась область с отрицательным сопротивлением.
Тиристоры по своей структуре бывают:
Наиболее часто используемые типы тиристоров изображены на рис.1.
динистор тиристор симистор
а) б)
Рисунок 1 - Типы силовых полупроводниковых приборов а) неуправляемые, б) управляемые
Семейство вольт-амперных характеристик тиристора.
2. Объяснить почему каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 1800.
Если входного сигнала нет, то каскад работает в режиме покоя. С помощью резистора задается ток покоя базы . Ток покоя коллектора . Напряжение коллектор-эмиттер покоя . Отметим, что в режиме покоя напряжение составляет десятки и сотни мВ (обычно 0,5…0,8 В). При подаче на вход положительной полуволны синусоидального сигнала будет возрастать ток базы, а, следовательно, и ток коллектора. В результате напряжение на возрастет, а напряжение на коллекторе уменьшится, т.е. произойдет формирование отрицательной полуволны выходного напряжения. Таким образом, каскад с ОЭ осуществляет инверсию фазы входного сигнала на 180.
Задание №23
Пробоем называется резкое увеличение обратного тока при достижении обратным напряжением определенного уровня, выше которого обратный ток возрастает с большим градиентом в узком диапазоне обратного напряжения.
Пробои переходов могут быть двух видов:
1) тепловой пробой;
2) электрический пробой.
В свою очередь электрический пробой делится на два типа: лавинный и туннельный.
Тепловой пробой является необратимым. Возникает он при нарушении баланса выделяемой в переходе мощности и мощности, рассеиваемой в окружающую среду.
Лавинным пробоем называют явление резкого повышения обратного тока в узком диапазоне прироста обратного напряжения, которое вызвано лавинообразным размножением носителей заряда в результате ударной ионизации атомов в области перехода.
Туннельным пробоем называется явление перехода электронов через энергетический барьер, высота которого больше энергии электрона. Туннельный пробой возможен в диодах, у которых в электронно-дырочных переходах:
1) толщина перехода меньше диффузионной длины свободного пробега электрона;
2) напряженность результирующего электрического поля не менее 108В/м;
3) на том же самом энергетическом подуровне, котором соответствует энергетическому состоянию электрона в соседней области, куда должен перейти электрон существует вакантное место, т.е. дырка.
Лавинный и туннельный пробои, в отличие от теплового пробоя, являются обратимыми. Это означает, что они не приводят к повреждению диода и при снижении напряжения его свойства сохраняются.
Служит для ограничения коллекторного тока и для обеспечения необходимого коэффициента усиления.
Задание №23
пробоем диода- явление когда обратное напряжение диода достигает определенного критического значения, ток диода начинает резко возрастать. Заметим, что пробой сопровождается выходом диода из строя лишь в том случае, когда возникает чрезмерный разогрев перехода, и происходят необратимые изменения его структуры. Если же мощность, выделяющаяся в диоде, поддерживается на допустимом уровне, он сохраняет работоспособность и после пробоя.
Напряжение, при котором наступает пробой перехода, зависти от типа диода и может иметь величину от единиц до сотен вольт.
Различают два основных вида пробоя электронно-дырочного перехода: электрический и тепловой. В обоих случаях резкий рост тока связан с увеличением числа носителей заряда в переходе. При электрическом пробое число носителей заряда в переходе возрастает под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов решетки, при тепловом пробое – за счет термической ионизации атомов.
Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.
Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.
При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.
Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.
Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током: .
Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.
Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:
,где RT – общее тепловое сопротивление диода.
Вольтамперная характеристика диода в режиме теплового пробоя имеет падающий характер, так как вследствие повышения температуры перехода концентрация носителей заряда в нем сильно увеличивается и электрическое сопротивление перехода уменьшается относительно быстрее, чем растет ток перехода.
Rк – сопротивление в цепи коллектора является нагрузкой по постоянному току, и сопротивление, с помощью которого iк преобразуется в напряжение.
Задание №24
Основные схемы включения транзистора в режиме усиления, и их наиболее важные параметры, представлены на рис.2. Основными коэффициентами транзистора являются: α – коэффициент передачи эмиттерного тока из цепи эмиттера в цепь коллектора, и β=α/(1-α) - коэффициент усиления базового тока. ( Схемы включения транзистора и их расчетные параметры.
(KU – коэффициент усиления по напряжению, KI – коэффициент усиления по току)).
а) Схема с общей базой
б) Схема с общим эмиттером
в) Схема с общим коллектором
Выходные ДХ - это прямые линии, которые в координатах соответствуют уравнениям, выражающим зависимости между постоянными и переменными значениями токов и напряжений на нагрузках каскада по постоянному и переменному току.
Процесс построения выходных динамических характеристик (нагрузочных прямых по постоянному - , переменному - току) понятен из рисунка 2.10.
Нагрузки рассматриваемого каскада по постоянному и переменному току определяются как:
Координаты рабочей точки для малосигнальных усилительных каскадов выбирают на линейных участках входной и выходной ВАХ БТ, используя в малосигнальных усилительных каскадах так называемый режим (класс) усиления А.
При отсутствии в справочных данных ВАХ БТ, координаты рабочей точки могут быть определены аналитическим путем (см. рисунок 2.10):
,
где - напряжение нелинейного участка выходных статических ВАХ транзистора, ;
Задание №25
Rэ= (от 100 до 300 )Iб Он влияет на положение рабочей точки.
Задание №26
Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности и предназначеный для усиления сигнала. Биполярные транзисторы являются полупроводниковыми приборами универсального назначения и широко применяются в различных усилителях, генераторах, в импульсных и ключевых устройствах.
Рассмотрим устройство и принцип действия кремниевого биполярного транзистора n-p-n типа. При его изготовлении обеспечивается последовательное соединение трёх областей примесного полупроводника, как это показано на рис1. Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она эмиттирует электроны), правая n-область называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является общей для эмиттерной и коллекторных областей полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером (э), коллектором (к) и базой (б) транзистора.
Биполярные транзисторы можно классифицировать по материалу: германиевые и кремниевые; по виду проводимости: типа р-n-р и n-p-n; по мощности: малая (Рмах < 0,3Вт), средняя (Рмах 1,5Вт) и большая (Рмах 1,5Вт); по частоте: низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные и СВЧ.
При включении транзистора по схеме с общей базой входными характеристиками транзистора будут зависимости тока эмиттера от приложенного к эмиттерному переходу напряжения при различных запирающих напряжениях на коллекторном переходе. Выходными характеристиками транзистора в схеме с общей базой являются зависимость тока коллектора IК=f(UК) при разных токах эмиттера IЭ (рис.1).
Рис.1. Входные и выходные характеристики транзистора в схеме с общей базой.
Аналогично входными и выходными характеристиками в схеме с общим эмиттером являются зависимости, представленные на рис.2. Из-за того, что в схеме с общим эмиттером напряжение на коллекторе по сравнению со схемой с общей базой одновременно действует на оба перехода транзистора выходные характеристики IК=f(UК) при разных IБ будут сдвинуты вправо и будут иметь больший наклон.
Рис.2. Входные и выходные характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером.
Два основных параметра транзистора α - коэффициент передачи эмиттерного тока в схеме с общей базой и β – коэффициент усиления базового тока в схеме с общим эмиттером. Эти параметры являются интегральными, т.к. связывают не приращения токов IБ, IЭ и IК, а их полные величины. При работе транзистора в режиме малых сигналов используются дифференциальные параметры, которые в значительной степени будут зависеть от того, какой эмиттерный ток мы задаём в эмиттер и какое напряжение приложено к коллекторному переходу.
- при UКБ=const и заданном токе IЭ
- при UКБ=const и заданном токе IБ.
Оказывается, что и α и β будут зависеть от токов IЭ и IБ и в меньшей мере от UКБ , причём при номинальном режиме эти параметры близки к максимальному значению. При этом, как при уменьшении, так и при увеличении токов эмиттера и базы α и β уменьшаются. При включении транзистора по схеме с общей базой транзистор можно охарактеризовать следующими параметрами:
- при UКБ=const и заданном токе IЭ,
- при IБ =const и заданном напряжении UКБ.
Первый параметр называется сопротивлением эмиттерного перехода, второй параметр называется сопротивлением коллекторного перехода.
Кроме того, ещё используют параметр rБ – сопротивление области базы, обычно учитывающее не только омическое сопротивление слоя базы, но и небольшое влияние напряжения на коллекторе на входные характеристики транзистора. Для современных транзисторов можно считать, что rБ лежит в пределах от 100 до 250 ом.
Iд= (от 2 до 5 )Iб Он влияет на положение рабочей точки.
Задание №27
Основной характеристикой полевого транзистора является стоко-затворная характеристика (рис.3).
При изменении напряжения на затворе характеристики IС=f(UС) принципиально не изменяются, но при больших UЗ характеристики пойдут ниже, а напряжение насыщения UСН уменьшается.
Рис.5. Зависимости тока стока от напряжений на затворе а) и напряжений на стоке б).
В усилителе класса А используется линейный участок характеристики активного элемента, что позволяет осуществлять усиление с минимальными искажениями в широкой полосе частот. Рассмотрим выбор рабочей точки на примере транзистора, как активного элемента. В этом режиме в отсутствие сигнала через активный элемент усилителя протекает постоянный ток, следовательно, усилитель потребляет активную мощность. Кпд таких усилителей теоретически не превышает 50% , а на практике составляет от 30% до 40%..
Общий недостаток усилителей классов A, B, C – пропорциональное изменение (понижение) кпд с уменьшением амплитуды колебаний.
Основные рабочие точки усилителя мощности показаны на рис.1( Режимы работы усилителей мощности и пример схемы усилителя, работающего в режиме А. )