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
|
|
|
|
Электроника – это наука, изучающая принципы построения, работы и применения различных электронных приборов. Согласно планетарной модели, атом состоит из ядра и электронов, движущихся вокруг ядра по круговым или эллиптическим орбитам. Установлено, что электрон может двигаться только по такой орбите, вдоль которой укладывается целое число его волн де Бройля, отражающих его волновые свойства. Двигаясь по разрешенной орбите, электрон не расходует (не излучает) энергии, противном случае, излучая энергию, электрон по спирали упал бы на ядро. Под действием внешних факторов или спонтанно (самопроизвольно) электрон может переходить с одной разрешенной орбиты на другую. Чтобы перейти с низкой орбиты на более высокую, электрон должен получить порцию (квант) энергии, строго равную разности его энергий для двух разрешенных орбит. Такая энергия доставляется атомам главным образом световыми, ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, а также при тепловых столкновениях. атомов. Атом, поглотивший один или несколько квантов лучистой энергии, называется возбужденным. Иногда поглощенная энергия столь велика, что электрон переходит на очень удаленную орбиту и практически отрывается от атома. Такой атом называется ионизированным. Через некоторое время ионизированный атом захватывает встретившийся ему свободный электрон и становится нейтральным. Возбужденный атом самопроизвольно переходит в нормальное состояние, т. е. электрон, находившийся в состоянии с более высокой энергией, переходит в основное или какое-либо другое разрешенное состояние, имеющее меньшую потенциальную энергию. При этом атом излучает квант энергии, равный разности энергий электрона на этих двух орбитах. Энергия электрона, не связанного в атоме (свободного), считается равной нулю. Так как при возвращении электрона на одну из решенных орбит атом излучает квант энергии, то энергия связи электрона в атоме становится отрицательной. Атом, находящийся в нормальном (не возбужденном) состоянии, излучать энергию не способен, может только ее поглощать. С увеличением номера орбиты абсолютное значение энергии уменьшается, т. е. энергетический уровень атома возрастает. Энергия электрона на первой орбите связана с энергией электрона на других орбитах формулой ., n- номер разрешенной орбиты, главное квантовые число. Взаимодействие атомов в решетке приводит к тому, что их энергетические уровни расщепляются на большое количество почти сливающихся подуровней, образующих энергетические зоны. Энергетическая зона, заполненная подуровнями, тем шире, чем ближе расположены атомы, и чем выше энергетический уровень. |
Вследствие малой ширины (1эВ) запрещенной зоны полупроводника дополнительная энергия (например, тепловые колебания атомов в кристаллической решетке), сообщенная атому (валентным электронам), достаточна для перехода электронов из заполненной валентной зоны в свободную зону проводимости. Каждый такой переход приводит к возникновению (генерации) пары носителей заряда: свободного электрона в зоне проводимости и свободного энергетического состояния – дырки – в валентной зоне. Генерация носителей заряда происходит при воздействии теплового хаотического движения атомов кристаллической решетки {тепловая генерация), при воздействии поглощенных полупроводником квантов света (световая генерация) и других энергетических факторов. Генерация пар свободных, т.е. способных перемещаться под действием приложенного напряжения, зарядов делает кристалл способным проводить электрический ток, а электропроводность такого кристалла называется собственной. Одновременно с образованием пар носителей часть электронов из зоны проводимости спонтанно переходит обратно в валентную зону, излучая кванты энергии. Этот процесс называется рекомбинацией пар. При постоянной температуре устанавливается динамическое равновесие, определяющее концентрацию свободных электронов и дырок (при данной температуре). Чем выше температура, тем выше концентрация свободных носителей зарядов, тем больше собственная электропроводность кристалла. Одновременно с генерацией в полупроводнике непрерывно происходит и обратный процесс — рекомбинация носителей заряда, т. е. возвращение электронов из зоны проводимости в валентную зону, в результате чего исчезает пара носителей заряда. Межзонная, или непосредственная, рекомбинация происходит при переходе свободного электрона из зоны проводимости в валентную зону на один из свободных энергетических уровней, что соответствует исчезновению пары носителей заряда — свободного электрона и дырки. Рекомбинация с участием рекомбинационных ловушек протекает в два этапа. На первом этапе рекомбинационная ловушка (или энергетический уровень рекомбинационной ловушки) захватывает, например, электрон из зоны проводимости. Таким образом, электрон выбывает из процесса электропроводности. В этом состоянии ловушка будет находиться до тех пор, пока к ней не подойдет дырка, или, другими словами, пока в данном месте кристалла не окажется свободный энергетический уровень валентной зоны. При выполнении этих условий осуществляется второй этап рекомбинации — электрон переходит на свободный уровень валентной зоны Электронная и дырочная электропроводность. Дырочная электропроводность не наблюдается в металлах. Она является особенностью полупроводников. |
Реальные кристаллы содержат многочисленные дефекты кристаллической решетки: точечные, линейные, объемные и поверхностные. В местах нарушения периодической структуры кристалла (внедрения атома в междоузлия) энергия связи электронов с ядрами изменяется. В результате чего возникают новые энергетические уровни, которые могут выходить за пределы валентной зоны и размещаться в запрещенной зоне вблизи зоны проводимости. Дефекты кристаллической решетки вызываются также примесями, когда в структуру кристалла внедряются чужеродные атомы. Переход носителей заряда в свободное состояние при наличии примесных уровней существенно облегчается, так как сокращается участок запрещенной зоны, который электронам надо преодолеть. Проводимость кристалла возрастает. Электропроводность, возникающую за счет примесных атомов, называют примесной. Характером носителей зарядов и значением примесной электропроводности можно управлять, подбирая состав и концентрацию примесей. Примеси могут быть донорного и акцепторного типа. В современной технике для изготовления полупроводниковых кристаллов используют элементы четвертой группы периодической системы Д. И. Менделеева германий и кремний, атомы которых имеют по четыре электрона на внешних валентных оболочках. Кристаллические решетки этих элементов строятся таким образом, что каждый атом связан с соседними двумя ковалентными связями, что можно представить как движение двух электронов по одной орбите, охватывающей ядра двух соседних атомов (рис. 1). Процесс внесения примесей в полупроводник называется легированием. В качестве регулирующих примесей, придающих кристаллам германия и кремния требуемые свойства, применяют либо пятивалентные элементы (сурьма, мышьяк, фосфор), либо трехвалентные (бор, индий, галлий, алюминий). Так как примесная зона и зона проводимости размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов примесной зоны переходит в зону проводимости. При каждом таком переходе образуется пара носителей зарядов: электрон в зоне проводимости и дырка в примесной зоне. Предположим, что к кристаллу приложено внешнее напряжение, обычно составляющее несколько десятков вольт. Под действием этого напряжения положительно заряженные дырки, переходя с одного энергетического подуровня примесной зоны на близко расположенный другой подуровень, практически мгновенно «прижмутся» к дну примесной зоны. Дальнейшее движение дырок, связанное с увеличенным значением их энергии, будет невозможным, так как они не смогут преодолеть широкую запрещенную зону. Что касается электронов, то они беспрепятственно движутся навстречу приложенному напряжению, переходя в зоне проводимости с одного энергетического подуровня на другой. Таким образом, в рассмотренном случае прохождение тока через кристалл обеспечивается электронами. Электропроводность кристалла называется электронной, а примесь, поставляющая электроны в зону проводимости,— донорной. Пятивалентная донорная примесь в четырехвалентном кристалле создает электронную электропроводность. |
|
|
|
|
Под действием теплового (или иного) возбуждения электроны соседних орбит легко переходят на незаполненную орбиту, что приводит к хаотическому (или упорядоченному) движению дырок. Энергетический уровень дырки размещается в непосредственной близости от валентной зоны кристалла. Взаимодействие атомов примеси приводит к тому, что энергетический уровень размывается в примесную зону. Так как примесная и валентная зоны размещаются рядом, а иногда и перекрываются, уже при небольших температурах значительная часть электронов валентной зоны переходит в примесную зону. При каждом таком переходе образуется пара носителей зарядов: электрон в примесной и дырка в валентной зонах. Что касается дырок, то они упорядоченно движутся по направлению приложенного напряжения, приобретая добавочную энергию, соответствующую этому напряжению, и беспрепятственно переходя с одного на другой энергетический подуровень широкой валентной зоны. Таким образом, в рассмотренном случае прохождение тока через кристалл обеспечивается дырками. Электропроводность такого кристалла называется дырочной, а примесь, отбирающая электроны из валентной зоны,— акцепторной. Трехвалентная акцепторная примесь в четырехвалентном кристалле создает дырочную электропроводность. Если концентрация примесей в полупроводнике достаточно велика, то уровни акцепторной примеси расщепляются, образуя зону, которая может слиться с валентной зоной. Такой полупроводник называют вырожденным. |
Процесс переноса зарядов может наблюдаться в полупроводниках при наличии электронов в зоне проводимости и при неполном заполнении электронами валентной зоны. При выполнении этих условий и в отсутствие градиента температуры перенос носителей зарядов может происходить либо под действием электрического поля, либо под действием градиента концентрации носителей заряда. Под действием разности потенциалов в полупроводнике возникает электрическое поле, которое ускоряет электроны и дырки и сообщает им еще некоторое поступательное движение, представляющее собой ток проводимости. Движение носителей заряда под действием электрического поля иначе называют дрейфом носителей, а ток проводимости — током дрейфа iДp. Полный ток проводимости складывается из электронного и дырочного тока проводимости. Направленное движение носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфом. Электроны, получая ускорение в электрическом поле, приобретают на длине свободного пробега дополнительную энергию около Ю-8— Ю-4 эВ. При этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни |
Поведение свободных электронов и дырок в полупроводнике напоминает поведение молекул газа. Эту аналогию можно распространить и на явления, происходящие в результате неравномерного распределения концентрации носителей заряда в объеме полупроводника в отсутствие градиента температуры. В этом случае происходит диффузия — движение носителей заряда из-за градиента концентрации, выравнивание концентрации носителей по полупроводнику, Из молекулярной физики известно, что поток частиц при диффузии (число частиц, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную направлению градиента концентрации) пропорционален градиенту концентрации этих частиц: Фт=Dmgrad*m, где Dm — коэффициент диффузии, равный абсолютному значению отношения плотности потока частиц к градиенту их концентрации. Одновременно с процессом диффузии неравновесных носителей происходит процесс их рекомбинации. Поэтому избыточная концентрация уменьшается в направлении от места источника этой избыточной концентрации носителей. Расстояние, на котором при одномерной диффузии в полупроводнике без электрического поля в нем избыточная концентрация носителей заряда уменьшается вследствие рекомбинации в е = 2,718 ... раза, называют диффузионной длиной (L). Иначе говоря, это расстояние, на которое носитель диффундирует за время жизни. Таким образом, диффузионная длина связана с временем жизни носителей соотношениями
|
|
|
|
|
Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, в которой существует диффузионное электрическое поле, называется электронно-дырочным или n - р-переходом. Электронно-дырочный переход, у которого рр ≈ nn. называют симметричным. Если рр >> nn или nn >> рр , то переход называют несимметричным. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких n — р-переходов. Рассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе. При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия в области с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта Между нескомпеисироваиными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n -области к р-области и называемое диффузионным электрическим полем, напряженность которого равна Ек . Говорят, что между этими объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов ик = φn — φр. |
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Действие прямого напряжения ипр, вызывающее прямой ток iпр через переход, поясняется потенциальной диаграммой. Электрическое поле, создаваемое в п - р-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью или базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то п -область является эмиттером, а р-область — базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — п -область. Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным — к области р (рис. 4, я). Под действием такого обратного напряжения иобр через переход протекает очень небольшой обратный ток iобр, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. |
Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения Ia = f(Ua), называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. Идеализированная ВАХ имеет вид При прямом напряжении UПР ВАХ имеет прямую ветвь, а при обратном напряжении UОБР. покажем какими уравнениями описываются эти ветви. В равновесном состоянии через р-n-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена диффузией основных носителей заряда в область, где они являются неосновными, другая - дрейфом неосновных носителей заряда теплового происхождения. При приложении к р- n -переходу прямого напряжения это равновесие нарушается. Ток диффузии основных носителей заряда 1Т за счет снижения потенциального барьера увеличивается в раз и является функцией приложенного напряжения: Этот ток называется тепловым или обратным током насыщения. |
|
|
|
|
В идеальном р- n -переходе обратный ток уже при сравнительно небольшом обратном напряжении не зависит от значения последнего. Однако при исследованиях реальных р- n -переходов наблюдается достаточно сильное увеличение обратного тока при увеличении приложенного напряжения, причем в кремниевых структурах обратный ток на 2...3 порядка выше теплового. Такое отличие экспериментальных данных от теоретических объясняется термогенерацией носителей заряда непосредственно в области р- n -перехода и существованием канальных токов и токов утечки. Канальные токи обусловлены наличием поверхностных энергетических состояний, искривляющих энергетические зоны вблизи поверхности и приводящих к появлению инверсных слоев. Эти слои называют каналами, а токи, протекающие через переход между инверсным слоем и соседней областью,— канальными токами. Емкости р- n -перехода. Наряду с электропроводностью р- n -переход имеет и определенную емкость. Емкостные свойства обусловлены наличием по обе стороны от границы электрических зарядов, которые созданы ионами примесей, а также подвижными носителями заряда, находящимися вблизи границы р- n -перехода. Емкость р- n -перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в р- n -переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи р- n -перехода. При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном (режим экстракции) заряды вблизи р- n-перехода (в базе) меняются мало и основную роль играет барьерная емкость. Диффузионная емкость отражает физический процесс изменения концентрации подвижных носителей заряда, накопленных в областях, вследствие изменения концентрации инжектированных носителей. |
Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним электрическим р-n-переходом и двумя выводами. Классификация полупроводниковых диодов: 1. В зависимости от технологических процессов, использованных при их изготовлении: точечные диоды, сплавные и микросплавные, 2. По функциональному назначению: выпрямительные, универсальные, Большинство полупроводниковых диодов выполняют на основе несимметричных р-n -переходов. Низкоомную область диодов называют эмиттером, а высокоомную — базой. Идеализированная вольтамперная характеристика диода описывается выражением, что были указаны для р-n -перехода. В реальных диодах прямая и обратная ветви вольтамперной, характеристики отличаются от идеализированной. При практическом использовании диодов выделять составляющие, которые искажают идеализированную вольтамперную характеристику, сложно и нецелесообразно. Поэтому у реальных диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток Iобр. Выпрямительный диод — это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные плоскостные низкочастотные диоды обычно используют для выпрямления переменного тока промышленной частоты (50 Гц). В бортовой аппаратуре частота переменного напряжения составляет 400 Гц. Значительно реже выпрямительные низкочастотные диоды должны работать при еще больших частотах. Так, в транзисторных преобразователях напряжения частота переменного тока, выпрямляемого диодом, достигает нескольких десятков килогерц. Из основных и справочных параметров выпрямительных диодов необходимо отметить: - максимально допустимый прямой ток Iпр max - прямое напряжение на диоде при заданном значении прямого тока Uпр; обычно прямое напряжение на диоде указывается при максимально допустимом прямом токе через диод; - максимально допустимое обратное напряжение Uобр max ; оно обычно значительно меньше пробивного; - обратный ток при заданном обратном напряжении Iобр; обычно обратный ток указывается при максимально допустимом обратном напряжении; диапазон рабочих температур окружающей среды. В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды подразделяют на: 1) Диоды малой мощности (прямой ток до 0,3 А), 2) Средней мощности (прямой ток от 0,3 до 10 А). 3) Большой мощности (прямой ток более 10 А). |
Полупроводниковый стабилитрон — это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне и который предназначен для стабилизации напряжения. Как было показано ранее, ВАХ полупроводниковых диодов в области электрического пробоя имеет участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Он должен быть либо лавинный, либо туннельный пробой, так как только при этих видах пробоя получаются ВАХ, необходимые для стабилизации напряжения Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, т.е. в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. В настоящее время выпускаются исключительно кремниевые стабилитроны многих типов. Наиболее часто стабилитрон работает в таком режиме, когда напряжение источника нестабильно, а сопротивление нагрузки RH постоянно. Для установления и поддержания правильного режима стабилизации в этом случае сопротивление Roгp должно иметь определенное значение. Обычно Roгp рассчитывают для средней точки Т характеристики стабилитрона. Второй возможный режим стабилизации применяется в том случае, когда Е = const, a RH изменяется в пределах Rнmin до Rнmax Для такого режима Roгp можно определить по средним значениям токов. Недостаток рассматриваемых схем стабилизации состоит в том, что потери мощности в самом стабилитроне и на Roгp велики, особенно в схеме каскадного соединения. |
|
|
|
|
Варикап — это полупроводниковый диод, действие которого основано на использовании зависимости емкости от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Таким образом, варикапы представляют собой конденсаторы, управляемые не механически, а электрически, т.е. изменением обратного напряжения. Варикапы применяются главным образом для настройки колебательных контуров, а также в некоторых специальных схемах, например, в так называемых параметрических усилителях. Основные параметры 1)Емкость варикапа СВ — емкость, измеренная между выводами варикапа при заданном обратном напряжении. Для различных варикапов емкость может быть от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад. 2)Коэффициент перекрытия по емкости Кс — отношение емкостей варикапа при двух заданных значениях обратных напряжений. Значение этого параметра составляет обычно несколько единиц. 3)Добротность варикапа QB — отношение реактивного сопротивления варикапа на заданной частоте переменного сигнала к сопротивлению потерь при заданном значении емкости или обратного напряжения. Добротность— это величина, обратная тангенсу угла диэлектрических потерь. Добротность варикапов измеряют обычно при тех же напряжениях смещения, что н емкость. Значение добротности — от нескольких десятков до нескольких сотен. |
Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодействующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частности, для усиления электрических сигналов. эмиттер (Э). предназначен для создания сильного потока основных носителей заряда коллектор (К), предназначен для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. база (Б). предназначена для управления потоком носителей эмиттерный переход (ЭП), разделяет эмиттер и базу коллекторный переход (КП). разделяет базу и коллектор Режимы: активный режим - эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. инверсный режим - эмиттерный переход закрыт, а коллекторный – открыт. режим насыщения - оба перехода открыты. режим отсечки - оба перехода закрыты. Схемы включения: общей базой (ОБ) входной цепью является цепь эмиттера, а выходной - цепь коллектора. (а) общим эмиттером (ОЭ) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь коллектора (б) общим коллектором(ОК) входной цепью является цепь базы, а выходной - цепь эмиттера.(в) |
В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы: инжекция, диффузия, рекомбинация и экстракция. Рассмотрим р-n переход эмиттер - база при условии, что длина базы велика. В этом случае при прямом смещении р-n перехода из эмиттера в базу инжектируются неосновные носители. Закон распределения инжектированных дырок рn(х) по базе описывается следующим уравнением: Процесс переноса инжектированных носителей через базу - диффузионный. Характерное расстояние, на которое неравновесные носители распространяются от области возмущения -диффузионная длина Lp. Поэтому, если необходимо, чтобы инжектированные носители достигли коллекторного перехода, длина базы W должна быть меньше диффузионной длины Lp. Это условие - W < Lp, является необходимым для реализации транзисторного эффекта - управление током во вторичной цепи через изменение тока в первичной цепи. В процессе диффузии через базу инжектированные неосновные носители рекомбинируют с основными носителями в базе. Для восполнения прорекомбинированных основных носителей в базе через внешний контакт должны подойти такое же количество носителей. Таким образом, ток базы - это рекомбинационный ток. Продиффундировавшие через базу без рекомбинации носители попадают в электрическое поле обратно смещенного коллекторного p-n перехода и экстрагируются из базы в коллектор. Таким образом, в БТ реализуются четыре физических процесса:
|
|
|
|
|
Параметры транзисторов являются величинами, характеризующими их свойства. С помощью параметров можно сравнивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы. Для транзисторов предложено несколько различных систем параметров и эквивалентных схем, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны. В качестве собственных параметров принимают коэффициенты усиления (передачи) эмиттерного тока α и тока базы β, а также сопротивления эщиттера rэ, коллектора rк и базы rБ переменному току. |
Все системы вторичных параметров основаны на том, что транзистор рассматривается как четырехполюсник, т. е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима. Вторичные параметры связывают входные и выходные переменные токи и напряжения и справедливы только для данного режима транзистора и для малых амплитуд. Поэтому их называют низкочастотными малосигнальными параметрами. Вследствие нелинейности транзистора вторичные параметры изменяются при изменении ого режима и при больших амплитудах. Если переменные напряжения иа переходах транзистора достаточно малы, токи в нем оказываются линейными функциями этих напряжений. Транзистор можно рассматривать как линейный четырехполюсник. При этом два внешних вывода четырехполюсника считают входными, соответствующие им ток и напряжение обозначают и . Два других вывода являются выходными, соответствующие им ток и напряжение обозначают и . За положительное принимают направление токов, входящих в четырехполюсник. Чтобы показать связь между величинами и , и , составим шесть систем уравнений. |
Все параметры можно разделить на собственные (или первичные) и вторичные. Собственные параметры характеризуют свойства самого транзистора независимо от схемы его включения, а вторичные параметры для различных схем включения различны. В качестве собственных параметров принимают коэффициенты усиления (передачи) эмиттерного тока α и тока базы β, а также сопротивления эмиттера rэ, коллектора rк и базы rБ переменному току. Сопротивление rэ. представляет собой сумму сопротивлений эмиттерного перехода и эмиттерной области. Подобно этому rк является суммой сопротивлений коллекторного перехода и коллекторной области. Сопротивление rБ есть поперечное сопротивление базы. Ток эмиттера управляется напряжением на эмиттерном переходе, но до коллектора доходит несколько меньший ток, который можно назвать управляемым коллекторным током iк ynp- Часть инжектированных из эмиттера в базу носителей рекомбини-рует. Поэтому iк ynp = α iЭ (1) где α — коэффициент передачи тока эмиттера, являющийся основным параметром транзистора; Таким образом, полный коллекторный ток, преобразовав выражение iк = α iЭ + iк0 Получим Здесь β - коэффициент передачи тока базы и составляет несколько десятков. Выделяют статический коэффициент передачи тока βDC, который определяется следующим выражением (5) Статический коэффициент передачи тока βАC, который определяется следующим выражением |
|
|
|
|
Включение биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ) является основной схемой в цепях усиления постоянного и переменного тока. Входными сигналами являются напряжение между эмиттером транзистора и его базой Uбэ и ток базы Iб, выходными - напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ и ток на коллекторе Iк. Для схемы с ОЭ ток коллектора Iк = Iэ - Iб, на выход транзистора передаётся ток базы, а не эмиттера, при этом слабый сигнал тока базы Iб (доли-единицы миллиампера) усиливается в десятки-сотни раз до величины Iк, составляющего десятки-сотни миллиампер. Напряжение на входе составляет 0,5-0,7 В а напряжение на нагрузке - единицы-десятки вольт, т.е. в схеме усиливается и ток, и напряжение, и, следовательно, мощность: KI = Iб / Iк; КU = Uкэ/ Uбэ; КР = Рвых/Рвх. |
Входные характеристики = f(иэ-б) при ик.б = const аналогичны характеристике для прямого тока диода, поскольку ток эмиттера является именно таким током. С увеличением ик-б уменьшается толщина базы, а вследствие этого уменьшается ток iб и напряжение на сопротивлении гб0. В результате возрастает напряжение иэ-б и ток эмиттера. На рис. а показано семейство выходных характеристик iK=f(uк-б) при iЭ = const. |
Входное напряжение, которое необходимо усилить, подается от источника колебаний ИК на участок база — эмиттер. На базу подано также положительное смещение от источника Е1 являющееся прямым напряжением для эмиттерного перехода. При этом в цепи базы протекает некоторый ток, а следовательно, входное сопротивление транзистора получается сравнительно небольшим. Чтобы не происходила потеря части входного переменного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е1, он зашунтирован конденсатором достаточно большой емкости Ct. Этот конденсатор на самой низкой -рабочей частоте должен иметь сопротивление, во много раз меньшее входного сопротивления транзистора. Цепь коллектора (выходная цепь) питается от источника Е2. Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка RH. Источник Е2 зашунтирован конденсатором С2 для того, чтобы не было потери части выходного усиленного напряжения на внутреннем сопротивлении источника Е2. На самой низкой частоте сопротивление этого конденсатора должно быть во много раз меньше RH. В дальнейшем для упрощения схем конденсаторы С1 и С2 не всегда будут показаны. Можно считать, что они имеются внутри самих источников Е1 и Е2. Если эти источники являются выпрямителями, то в них всегда есть конденсаторы большой емкости для сглаживания пульсаций. Напряжение источника Е2 делится между сопротивлением нагрузки RH и внутренним сопротивлением транзистора г0, которое он оказывает постоянному току коллектора. Это сопротивление приближенно равно сопротивлению коллекторного перехода гк0 для постоянного тока. В действительности к сопротивлению гк0 еще добавляются небольшие сопротивления эмиттерного перехода, а также n- и р-областей, но эти сопротивления можно не принимать во внимание. Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера, а следовательно, сопротивление коллекторного перехода гк0. Тогда напряжение источника Е2 будет перераспределяться между RH и гк0. При этом переменное напряжение на резисторе нагрузки может быть получено в десятки раз большим, чем входное переменное напряжение. Изменения тока коллектора почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником Е2. |
|
|
|
|
Рабочий режим, т. е. режим усиления, транзисторов частично уже рассмотрен в в предыдущем вопросе. Это режим, когда транзистор работает с нагрузкой RH в выходной цепи. Обычно сопротивление нагрузки во много раз меньше выходного сопротивления Rвых самого транзистора. В частности, это условие выполняется, если нагрузка шунтирована малым входным сопротивлением следующего каскада. В таких случаях для упрощения расчета можно приближенно считать, что транзистор работает в режиме без нагрузки. В зависимости от того, в каком режиме работает источник колебаний во входной цепи, усиление будет происходить с большими или меньшими нелинейными искажениями. Рассмотрим два наиболее характерных случая. Пусть источник колебаний создает синусоидальную ЭДС евх = Етвх sin ωt и имеет внутреннее сопротивление Rи к. Будем считать это сопротивление и сопротивление нагрузки RH линейными. Входное сопротивление транзистора Rвх, как известно, нелинейно, поскольку нелинейна входная характеристика iвх = f(ивх) отражающая нелинейные свойства самого транзистора. Так как сопротивление RBX у транзисторов мало, наиболее часто бывает, что Rвх << Rи к, и тогда источник колебаний работает как генератор тока, т. е. в режиме, близком к короткому замыканию. Входной переменный ток в этом случае iвх ≈ евх/ Rи к является синусоидальным, поскольку ЭДС евх синусоидальна, а сопротивление Rи к линейно. Переменный ток на выходе приблизительно пропорционален входному току и также синусоидален. Очевидно, и выходное напряжение ивых = - iвыхRH будет синусоидальным, т. е. усиление происходит с малыми нелинейными искажениями. При этом, хотя входное напряжение ивх = iвхRвх оказывается искаженным (несинусоидальным), так как Rвх нелинейно, тем не менее на выходе получаются почти не искаженные усиленные колебания. Небольшие нелинейные искажения все же наблюдаются из-за того, что зависимость iвых от iвх не является строго линейной. Значительно реже бывает, что Rвх >> Rи к, так как источники колебаний с очень Малым внутренним сопротивлением встречаются не так часто. В этом случае ток iвх ≈ eвх/ Rвх и является несинусоидальным, поскольку RBX нелинейно. Но тогда и выходной ток, пропорциональный входному току, будет несинусоидальным, а следовательно, и выходное напряжение получится искаженным, несмотря на то что входное напряжение в данном режиме приблизительно равно ЭДС и имеет синусоидальную форму. Простейший расчет рабочего режима является приближенным, что допустимо во многих случаях, так как параметры транзисторов имеют разброс. Если Rн << Rвых, то коэффициент усиления по току кi приближенно равен h21, т. е. кi ≈ α для схемы ОБ и кi ≈ β для схемы ОЭ. |
На данном рисунке указан полевой транзистор p-n-перехода. Принцип его работы аналогичен, только направление и полярность приложенных напряжений противоположны. На рисунке г приведено семейство стоковых (выходных) характеристик этого прибора прибора Ic=f (Uси) при Uзи = const. При управляющем напряжение Uзи = 0 и подключении источника напряжения между стоком и истоком Uси по каналу течет ток, который зависит от сопротивления канала. Напряжение Uси равномерно приложено по длине канала, это напряжение вызывает обратное смещение p-n-перехода между каналом p-типа и n-слоем, приче наибольшее обратное напряжение на p-n-переходе существует в области, прилегающей к стоку, а вблизи истока p-n-переход находится в равновесном состоянии. При увеличении напряжения Uси область двойного электрического слоя p-n-перехода, обедненная подвижными носителями зарда, будет расширяться, как показано на рисунке а). Особенно сильно расширение перехода проявляется вблизи стока, где больше обратное напряжение на переходе. Расширение p-n-перехода приводит к сужению проводящего тока канала транзистора, и сопротивление канала возрастает. Из-за увеличения сопротивления канала при росте Uси стоковая характеристика полевого транзистора имеет нелинейный характер. |
Полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим p-n-переходом и со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП-МОП-или MOS-транзисторы). Этот транзистор устроен следующим образом: металлический затвор отделен от полупроводникового канала тонким слоем диэлектрика. Иначе эти приборы называют МДП-транзисторами (от слов «металл – диэлектрик – полупроводник») или МОП-транзисторами (от слов «металл – оксид – полупроводник»), тк диэлектриком служит слой диоксида кремния Si02. Существенным преимуществом МДП – транзисторов является высокое входное сопротивление, достигающее значений от 10 в 10 степени до 10 в 14 степени Ом. У транзисторов с управляющим p-n-переходом входное сопротивление равно от 10 в 7 степени до 10 в 9 степени Ом. |
|
|
|
|
Динистор – это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода. Крайняя область р называется анодом, а другая крайняя область n – катодом. Три p-n-перехода динистора обозначены, как j1, j2, j3. Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения, которые приведены на данном рисунке. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому соединению внутри прибора возникает положительная обратная связь. Согласно схеме замещения, ток через тиристор равен сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки. С ростом напряжения при U = Uвкл один из транзисторов перейдет в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения. После включения транзисторов динистор открывается, и ток будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. 1 – понизить ток в нем до значение Iвыкл. 2 – поменять полярность напряжения на аноде. а) прерывается ток в цепи динистора. б) падение напряжения на динисторе уменьшается до нуля. в) ток динистора понижается до Iвыкл включением добавочного резистора Rд. г) при замыкании ключа К на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора С. |
||
|
|
|
|