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
Электропроводность полупроводников
Полупроводники — вещества, например, кремний, германий, селен, закись меди, проводимость которых значительно меньше, чем у металлов, но значительно больше, чем у диэлектриков. Кремний и германий — основные полупроводниковые материалы, обнаруживают свойства полупроводников при очень высокой степени химической чистоты. Они относятся к четырехвалентным элементам, т.е. имеют на внешней электронной оболочке каждого атома четыре валентных электрона, которые могут вступать в связи с соседними атомами. Кристалл германия построен таким образом, что каждый из четырех валентных электронов связан с одним из соседних атомов. Посредством этих связей у германия образуется кристаллическая решетка, такая же, как у алмаза. Каждые два соседних атома кристаллической решетки связаны между собой двумя валентными электронами (рис. 1).
Рис. 1. Схема связей в кристаллической решетке германия
С увеличением температуры вещества такие связи вследствие увеличения тепловых колебаний могут разрушаться, и электроны становятся свободными. Этих электронов с их отрицательными зарядами будет недоставать у отдельных атомов германия, каждый из которых соответственно имеет положительный элементарный заряд. Дефицит электронов у атома может покрываться за счет соседних связей, что приводит к перемещению дефектного места — дырки, которая перемещается от атома к атому, совершая неупорядоченное движение, подобное движению свободных электронов. Этот процесс эквивалентен движению положительного элементарного заряда по тому же пути. Внешнее электрическое поле действует на дырку в направлении поля, так же, как на положительный заряд, ускоряя ее перемещение. Таким образом, в полупроводниках имеются два различных типа проводимости — проводимость за счет перемещения свободных электронов и проводимость за счет перемещения дырок. Первая из них называется проводимостью n-типа, или электронной проводимостью, вторая — проводимостью р-типа, или дырочной проводимостью.
Путем внесения в полупроводник малых количеств примесей элементов третьей (бор, индий) или пятой (мышьяк, сурьма) группы имеется возможность влиять на величину и характер проводимости.
Примеси третьей группы называют акцепторами, или приемниками электронов. Полупроводники с такими примесями, характеризующиеся дырочной проводимостью, называют полупроводниками р-типа. После перемещения дырки атом примеси будет представлять собой закрепленный в решетке отрицательный ион.
Примеси пятой группы называют донорами, или источниками. Полупроводники с такими примесями, характеризующиеся преобладанием свободных электронов, являются полупроводниками n-типа. После перемещения электрона атом примеси будет представлять собой закрепленный в решетке положительный ион.
Электронно-дырочный переход
Использование большинства полупроводниковых приборов основано на процессах, протекающих на границах соприкосновения двух областей различных типов проводимости.
Предположим, что в полупроводник слева от плоскости соприкосновения введены акцепторные примеси, а справа — донорные (рис. 2).
Носители заряда, определяющие вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике и электроны в n-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными. Дырки будут диффундировать слева направо из области р в область п. Свободные электроны будут диффундировать в противоположном направлении. В итоге слева от плоскости соприкосновения образуется избыточный отрицательный заряд, а справа — избыточный положительный заряд. Вследствие рекомбинации электронов и дырок в близлежащих к плоскости соприкосновения областях не будет ни дырок, ни свободных электронов, избыточный заряд по существу будет создаваться слева отрицательными ионами акцептора, а справа — положительными ионами донора. В месте р-п перехода возникает электрическое поле Е, направленное справа налево и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов. Между областями р и п образуется разность электрических потенциалов, т.е. возникает так называемый потенциальный барьер.
Рис. 2. Схема р-п перехода:—отрицательные ионы акцепторов; — положительные ионы доноров;— электроны;— дырка
Если к р-п переходу подвести постоянное напряжение, как показано на рис. 3, а, то величина потенциального барьера снизится и основные носители тока (дырки слева и электроны справа) получат возможность проходить через р-п переход. В цепи возникает так называемый прямой ток, который возрастает с увеличением напряжения источника питания.
Если к р-п переходу приложить обратное напряжение (рис. 3, б), то потенциальный барьер возрастет на величину этого напряжения, и основные носители тока не смогут проходить через плоскость раздела двух полупроводников. Однако ток не будет полностью отсутствовать.
Кроме основных носителей тока, вызванных наличием примесей, в р и п областях имеются в небольшом количестве так называемые неосновные носители тока, имеющие знаки зарядов, противоположные знакам зарядов основных носителей, а именно: в области р присутствуют в небольшом количестве свободные электроны, а в области п — дырки. Очевидно, что эти неосновные носители тока свободно проходят через потенциальный барьер, так как электрическое поле здесь не препятствует, а способствует их прохождению. Они образуют так называемый обратный ток. С увеличением обратного напряжения обратный ток быстро достигает своего предельного значения, определяемого числом электронно-дырочных пар, порождаемых в образце в единицу времени. Обратный ток во много раз меньше прямого.
Если напряжение в непроводящем направлении увеличивать далее, то при определенном значении напряжения обратный ток резко возрастает. В этом случае в переходном слое отрываются от атомов валентные электроны, что еще больше увеличивает число электронов проводимости. Это явление используется в специальных диодах — стабилитронах.
Рис. 3. Включение р-n перехода на постоянное напряжение
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод — это прибор, имеющий один p-n переход и два внешних вывода. К полупроводниковым диодам относятся: выпрямительные диоды низкой и высокой частоты, стабилитроны, туннельные диоды, фотодиоды и др.
Выпрямительные диоды, предназначенные для преобразования переменного тока пониженной частоты в постоянный, подразделяются на собственно выпрямительные диоды (средний выпрямительный ток Iср.< 10 А) и силовые вентили (Iср > 10 А).
На рис. 4, а показана структура диода, а на рис. 4, б — его обозначение на электрических схемах. Электрод, подключенный к области р, называется анодом, а электрод, подключенный к области п — катодом.
Рис. 4. Структура диода (а); обозначение диода на электрических схемах (б)
К основным параметрам диода относятся:
- импульсное обратное напряжение Uобр.и.
Типовая вольтамперная характеристика (ВАХ) диода показана на рис. 5.
Маркировка полупроводниковых диодов содержит обозначение из четырех элементов (четвертый элемент, указывающий на конструктивное оформление — буква, может отсутствовать). Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал: Г или 1 — германий или его соединения; К или 2 — кремний или его соединения; А или 3 — соединения галлия. Второй элемент (буква) указывает класс полупроводникового прибора: Д — диод; И — туннельный диод; С — стабилитрон и т.д.
Рис. 5. Вольтамперная характеристика силового диода
Третий элемент – трехзначное число, обозначающее тип прибора. Например: диод КД212А является кремниевым выпрямительным диодом средней мощности, в пластмассовом корпусе на металлической подложке.
Стабилитрон (опорный диод) — полупроводниковый диод, у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, расположенный в области лавинного пробоя. Этот рабочий участок стабилитрона характеризуется слабой зависимостью напряжения от тока (рис. 6).
Рис. 6. ВАХ стабилитрона (а); условное графическое обозначение стабилитрона (б)
В качестве материала для изготовления р-п перехода стабилитрона используется кремний, т.к. кремниевые р-п переходы имеют небольшие обратные токи, а переход в область пробоя резкий, проходящий практически параллельно оси токов. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона почти не отличается от прямой ветви выпрямительного диода.
Стабилитроны кроме стабилизации напряжения могут быть использованы как ограничители в импульсных схемах.
Основными параметрами стабилитронов являются:
Условное обозначение стабилитрона включает: материал проводника (К — кремний); обозначение подкласса стабилитронов, например, буква С; цифру, указывающую на мощность стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению стабилизации; букву, указывающую особенность конструкции или корпуса. Например: стабилитрон КС196Б является кремниевым стабилитроном, прецизионным (высокоточным), маломощным, напряжение стабилизации 9,6 В, в герметичном металлическом корпусе со стеклянным изолятором.
Для стабилизации напряжений (0,7-1,9) В применяют специальные полупроводниковые приборы, называемые стабисторами, которые используют прямую ветвь ВАХ.
Туннельный диод — полупроводниковый прибор с отрицательным сопротивлением, характерной особенностью которого является малая чувствительность к изменению внешней температуры.
Отличие туннельных диодов заключается в очень высокой концентрации примесей, тонком электронно-дырочном переходе в туннельном прохождении тока через р-п переход.
Большое количество примесных атомов образует достаточно много свободных энергетических состояний. Поэтому процесс прохождения тока в сильно легированных полупроводниковых веществах мало зависит от температуры и внешнего облучения. Наличие участка отрицательного сопротивления на ВАХ туннельного диода является его особенностью (рис. 7). В обычном сопротивлении, которое можно назвать положительным, при увеличении величины напряжения увеличивается ток и, соответственно, количество энергии, превращающейся в тепло. В отрицательном сопротивлении увеличение напряжения приводит к уменьшению тока и уменьшению рассеиваемой энергии. Например, в колебательном контуре всегда имеются потери, из-за этого колебания затухают. Если же параллельно контуру включать отрицательное сопротивление, то оно будет способствовать восполнению потерь энергии в контуре, причем синхронно с изменением напряжения на контуре. В этом состоит принцип действия большинства устройств, использующих полупроводниковые диоды с туннельным эффектом.
Рис. 7. ВАХ туннельного диода (а); условное графическое обозначение туннельного диода на электрических схемах (б)
Область применения туннельных диодов в электронной аппаратуре значительно расширяется. Это определяется рядом их преимуществ. Туннельные диоды практически безынерционны, имеют высокую температурную стабильность, мало чувствительны к радиоактивному облучению, так как концентрация носителей тока очень велика и относительное изменение их количества под действием энергии, сообщенной радиоактивным излучением, оказывается несущественным.
Фотодиод представляет собой диод с открытым р-п переходом. Световой поток Ф, падающий на открытый р-п переход, приводит к появлению в одной из областей дополнительных неосновных носителей зарядов, в результате увеличивается обратный ток (рис. 8). Схема включения фотодиода показана на рис. 9. Напряжение на нагрузке определяется как разность напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде: Uн = Е – Uф.д.
Рис. 8. ВАХ фотодиода (а); условное графическое обозначение диода (б)
Рис. 9. Схема включения фотодиода
Фотодиоды находят применение в качестве приемников оптического излучения. Основными параметрами фотодиодов являются: диапазон длин волн принимаемого изучения, интегральная чувствительность и темновой ток. Большинство фотодиодов имеет интегральную чувствительность в пределах (10-3 − 1) мкА/лм. Темновой ток зависит от площади р-п перехода и обычно имеет значение (10-2 − 1) мкА. В связи со сравнительно небольшим уровнем выходного сигнала фотодиоды используются совместно с усилителем.
Светоизлучающие диоды (рис. 10, а) преобразуют электрическую энергию в световую за счет рекомбинации (объединения) электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомбинации происходит с выделением тепла, а в светодиодах преобладает рекомбинация с излучением света. Обычно такое излучение бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот (рис. 10, б). Для изготовления светодиодов применяют фосфид галлия (GaP) и карбид кремния (SiC), а также некоторые тройные соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из галлия, алюминия и мышьяка (GaAlA3), или галлия, мышьяка и фосфора (GaA3P). Диоды инфракрасного (ИК) излучения изготавливают из арсенида галлия (GaAs).
Рис. 10. Спектральные характеристики излучения светодиодов
(а); условное графическое изображение светодиода (б); условное
графическое изображение двухкристального светодиода (в)
Германий и кремний непригодны для изготовления светодиодов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала (зона, где электроны не могут находиться).
Светодиоды широко используются в бытовой радиоэлектронной аппаратуре в качестве индикаторов, ИК-диоды используются в телевизионных пультах дистанционного управления, охранных системах, датчиках объема, в портах передачи данных, например, в ИК-порте сотового телефона.
Для сигнализации о состоянии автоматического процесса, степени готовности к работе аппаратуры, логическом уровне напряжения и в раде других практических случаев, часто используют двухкристальные светодиоды (рис. 10, в).
Варикапы – это полупроводниковые диоды, в которых используется барьерная емкость р-п перехода (рис. 11). Эта емкость зависит от приложенного к диоду обратного напряжения (рис. 12).
Рис. 11. Условное графическое обозначение варикапа на схемах
Рис. 12. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения
(вольт-фарадная характеристика)
Условное обозначение варикапа содержит пять элементов. Первый элемент обозначает материал, из которого изготовлен варикап (К – кремний). Второй элемент обозначает принадлежность диода к подклассу варикапов (В – варикап). Третий элемент – цифра, определяющая назначение варикапа (1 – для подстроечных варикапов, 2 – для умножительных варикапов). Четвертый элемент – это порядковый номер разработки. Пятый элемент – соответствует разбраковке по параметрам.
Теоретическое значение емкости варикапа можно определить по формуле
СВ = Со(1 – UВ/ψк)-1/2,
где Со – начальная емкость варикапа при UВ = 0;
UВ – напряжение на варикапе;
ψк – контактная разность потенциалов.
Основными параметрами варикапа являются: начальная емкость Со; добротность QВ; коэффициент перекрытия по емкости КС. Добротность варикапа определяется отношением реактивной мощности Q варикапа к активной Р:
QВ = Q/Р.
Коэффициент перекрытия по емкости определяется как отношение максимальной емкости Сmax варикапа к его минимальной Сmin:
КС = Сmax /Сmin.
Кроме этого часто указывают температурный коэффициент емкости варикапа
αс = ∆С/∆Т и предельную частоту fпред, при которой добротность варикапа снижается до единицы. Добротность варикапа увеличивается с увеличением обратного напряжения и с уменьшением рабочей частоты (рис.13 и рис.14).
Варикапы находят применение в различных электронных схемах – модуляторах, перестраиваемых резонансных контурах, генераторах с электронной настройкой, параметрических усилителях и генераторах и др. На рис. 15 показана схема резонансного контура с электронной перестройкой при помощи постоянного напряжения UП. Напряжение перестройки подается в среднюю точку двух встречно-последовательно включенных варикапов VD1 и VD2 через дополнительный резистор RД. Такое включение варикапов позволяет увеличить крутизну перестройки и устраняет необходимость применения разделительного конденсатора. Специально для таких схем промышленностью выпускаются сдвоенные варикапы.
Рис. 13. График зависимости добротности варикапа от частоты
Рис. 14. График зависимости добротности варикапа от обратного напряжения
Рис. 15. Схема резонансного контура с электронной
перестройкой при помощи варикапов
Транзисторы
Транзистор (от англ. transfer — переносить и resistor — сопротивление) — полупроводниковый прибор с тремя или более выводами, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний, коммутации сигналов и т.д. От электронных ламп, выполняющих те же функции, транзисторы отличаются малыми габаритами, высокой экономичностью потребления электрической энергии, большой механической прочностью и долговечностью, мгновенной готовностью к работе. Транзистор является важнейшим элементом современной электроники. По принципу действия транзисторы разделяются на два класса: биполярные и униполярные (полевые). В биполярных транзисторах ток в проводящей области содержит как положительные зарядоносители, так и отрицательные (электроны). В униполярных транзисторах ток через проводящую область определяется зарядоносителями только одного знака.
По мощности рассеяния Ррас (допустимое значение мощности потерь, рассеиваемой транзистором без применения дополнительного теплоотвода), различаются транзисторы малой (Ррас < 0,3 Вт), средней (0,3 Вт < Ррас < 1,5 Вт) и большой мощности (Ррас > 1,5 Вт). По диапазону частот различаются низкочастотные (предельно допустимая частота f < 3 МГц), среднечастотные (3 МГц < f < 30 МГц), высокочастотные (30 МГц < f < 300 МГц) и сверхвысокочастотные (f > 300 МГц) транзисторы.
Биполярные транзисторы (триоды) представляют собой кристаллы германия или кремния с тремя чередующимися областями электронного или дырочного типов электрической проводимости, разделенными двумя электронно-дырочными переходами (рис. 16, а, г). Таким образом, биполярный транзистор можно представить состоящим из двух диодов (рис. 16, б, д).
Рис. 16. Схема включения р-п-р транзистора по постоянному току
(а); схема замещения р-п-р транзистора (б); условное графическое
обозначение (в); схема включения п-р-п транзистора по постоянному
току (г); схема замещения п-р-п транзистора (д); условное
графическое обозначение (е)
В диоде (см. рис. 16, б), работающем в запирающем направлении, обратный ток — это ток неосновных носителей заряда. При изменении приложенного к диоду напряжения от весьма малых величин до пробивного напряжения этот ток практически остается неизменным и имеет относительно небольшую величину. Если к диоду, работающему в запирающем направлении, включать последовательно еще один диод, но в прямом направлении, то возможно увеличение обратного тока. Эта идея лежит в основе работы транзисторов. Условные графические обозначения транзисторов приведены на рис. 16, в, е.
Рассмотрим принцип действия плоскостных германиевых триодов. В триоде две области германия р-типа разделены слоем германия n-типа (см. рис. 16, а). С помощью электродов в виде металлических пластин, называемых эмиттером (Э), базой (Б) и коллектором (К), эти три области соединяются с внешней электрической цепью. Напряжение батареи, включенной между базой и эмиттером, снижает потенциальный барьер в р-n переходе от эмиттерной области к области базы, так как эта батарея включена в прямом (способствующем прохождению прямого тока) направлении. Напряжение батареи, включенной между базой и коллектором, увеличивает потенциальный барьер в р-п переходе от области базы к области коллектора, так как эта батарея включена в обратном (запирающем) направлении.
Снижение потенциального барьера между эмиттерной областью и областью базы вызывает движение дырок из области эмиттера в область базы (в область п). Ввиду малой толщины слоя п германия почти все дырки, прошедшие в этот слой из области эмиттера, продрейфуют через всю толщину слоя до следующего n-р перехода и свободно пройдут через этот переход в область коллектора, так как электрическое поле в этом переходе не препятствует, а, наоборот, способствует движению дырок слева направо. Этому движению дырок способствует и напряжение батареи, включенной между базой и коллектором.
В слое п будет иметь место рекомбинация некоторого количества дырок со свободными электронами этого слоя, что приведет к небольшому снижению тока в коллекторе, по сравнению с током в эмиттере, вследствие ответвления небольшой части тока эмиттера в базу. Кроме того, должен иметь место электронный ток из области базы в область эмиттера, но при правильном конструировании триода этот ток значительно меньше тока, обусловленного движением дырок. Электронный ток создает дополнительную составляющую тока через базу и, соответственно, несколько увеличивает ток в эмиттере.
Возможны три схемы включения транзисторов p-n-р типа и n-p-п типа с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим коллектором ОК (рис.17). Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым.
В схеме с общей базой положительное приращение напряжения на входе ∆Uвх вызывает увеличение тока эмиттера Iэ, что приводит к увеличению как тока коллектора Iк, так и напряжения выхода ∆Uвых причем ∆Uвых ˃˃ ∆Uвх. В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер-база, а нагрузка и источник питания — в цепь коллектор-база. Входное сопротивление схемы с ОБ незначительно (несколько Ом или десятков Ом), так как эмиттерный переход включен в прямом направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сотни кОм), так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным недостатком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера, и усиления по току не происходит
(коэффициент усиления по току α = ). Усиление по напряжению и по мощности в этой схеме может достигать нескольких сотен.
Рис. 17. Схема включения с общей базой, общим эмиттером, общим, коллектором: а —р-п-р; б — п-р-п
В схеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки Rн и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, поэтому эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротивление составляет сотни Ом. Выходное сопротивление схемы с ОЭ может достигать 100 кОм. Коэффициент усиления по току β в этой схеме определяется как отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при постоянном напряжении
на коллекторе , т.е . при Uк = const и может иметь значение β = 10 -100 для
различных транзисторов. Коэффициент усиления по напряжению KU для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ.
В схеме с общим коллектором ОК источник входного напряжения включается в цепь базы, а источник питания и сопротивление нагрузки — в цепь эмиттера. Входным током является ток базы, а выходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по току для этой схемы Ki = / . Входное сопротивление схемы с ОК велико (десятки кОм), а выходное сопротивление незначительно, до (1-2) кОм. Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим коллектором ОK KU = 0,9 – 0,95, т.е. близок к единице, поэтому данную схему называют эмиттерным повторителем и используют для согласования отдельных каскадов усиления, источника сигнала или нагрузки с усилителем.
Свойства каждого транзистора определяются статическими ВАХ. Первое семейство характеристик — зависимость тока входной цепи (цепи управления) от напряжения между электродами транзистора, включенными во входную цепь Iб = f(Uэб) при Uэк = const (рис. 18, а).
В отличие от схемы с ОБ входные характеристики в схеме с ОЭ смещаются под действием коллекторного напряжения вправо вниз. При малых значениях напряжения между эмиттером и базой ток базы растет медленно вследствие большого сопротивления р-п перехода, которое с увеличением тока уменьшается. С увеличением Uэк необходимо повысить напряжение Uэб для того, чтобы ток базы остался неизменным. Второе семейство характеристик — зависимость тока выходной цепи от напряжения между электродами транзистора, включенными в выходную цепь Iк = f(Uэк) при Iб = const (рис. 18, б). Выходные характеристики показывают, что напряжение Uэk незначительно влияет на коллекторный ток Iк, так как в основном он зависит от тока базы.
Полевой (униполярный или канальный) транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором управление выходным током осуществляется электрическим полем изменением проводимости проводящего канала. Принцип работы основан на управлении движением носителей только одного знака (основных носителей), в отличие от биполярных транзисторов, в которых физические процессы связаны с движением носителей зарядов обоих знаков (основных и неосновных).
По проводимости канала полевые транзисторы делятся на два типа: транзисторы с каналом p-типа и n-типа.
Рис. 18. Статические характеристики транзистора типа р-п-р,
включенного по схеме с общим эмиттером: а — входные;
б — выходные
В зависимости от выполнения затвора полевые транзисторы бывают двух видов: с управляющим р-п переходом и изолированным затвором (МДП-транзисторы).
Полевой транзистор с р-п переходом состоит из полупроводникового материала п- или p-типа (рис. 19), образующего токопроводящий канал с двумя электродами.
Рис. 19. Условное обозначение полевого транзистора
с управляющим р-п переходом: с каналом п-типа (а);
с каналом р-типа (б)
Электрод, от которого при приложении напряжения начинают двигаться основные носители заряда, называется истоком, а электрод, к которому они двигаются, называется стоком. В центральной части канала с пластиной полупроводника создается р-п переход с выводом от наружной области. Наружная область р-п перехода является третьим электродом полевого транзистора и называется затвором.
Сопротивление канала зависит от материала полупроводника, концентрации примесей в нем, а также от его сечения и длины. Для эффективного управления каналом управляющий р-п. переход делают резко несимметричным, чтобы запирающий слой в основном располагался в толще полупроводниковой пластины (канала), т.е. концентрация основных носителей в затворе много больше, чем в канале.
Если приложить напряжение между стоком и истоком, то в цепи стока будет протекать ток I, величина которого при постоянных Uс и Rн зависит от сопротивления канала (рис. 20).
Рис. 20. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом
и каналом п-типа: а — схематическое устройство;
б — схема включения по постоянному току
Если между затвором и истоком, т.е. на р-п переход извне подать запирающее напряжение U3, то под его воздействием увеличится ширина р-п перехода, что приведет к уменьшению проводимости канала, а следовательно, и к увеличению его электрического сопротивления. В результате уменьшится ток стока Iс. При некотором обратном напряжении сопротивление р-п перехода может настолько увеличиться, что токопроводящий канал окажется полностью перекрыт и величина тока стока обратится в нуль. Это напряжение U3.п. называется пороговым напряжением отсечки. Таким образом, изменяя обратное напряжение U3, можно управлять величиной выходного тока Iс. На этом принципе основано действие полевого транзистора.
Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора — это зависимость тока стока Iс от напряжения между стоком и истоком Uс при постоянных значениях напряжения между затвором и истоком Uз, Iс = f(Uс) при Uз = const (рис. 21, а).
Рис. 21. Характеристики полевого транзистора с управляющим р-п переходом: а — стоковые;
б — стоко-затворная
Рассмотрим стоковую характеристику при Uз = 0. При малых значениях Uс ток стока Iс изменяется почти пропорционально Uс. Наклон этого участка характеристики определяется сопротивлением полностью открытого канала. По мере увеличения Uс рост тока Iс замедляется вследствие уменьшения ширины стокового участка канала и значительного увеличения его сопротивления. В точке Uс = Uс нас (напряжение насыщения) ток стока достигает насыщения Iснас и дальнейшее увеличение напряжения почти не вызывает изменения тока Iс. При дальнейшем увеличении Uс = Uс проб возникает электрический пробой стокового участка р-п перехода, и ток Iс резко возрастает. Этот участок характеристики является нерабочим. Если на затвор подано обратное напряжение, то перекрытие канала наступает при меньших значениях напряжения стока.
Стоко-затворная характеристика Iс = f(Uз) при Uс = const полевого транзистора с управляющим р-п переходом приведена на рис. 21, б. Так как полевой транзистор обычно в усилительных каскадах работает при Uс = Uс нас, то рассмотрим характеристику Iс = f(Uз) для одного значения Uс нас. Для остальных значений Uс ˃ Uс нас характеристики Iс = f(Uз) практически не отличаются от характеристики, снятой при Uс нас. Изменение напряжения на затворе от порогового значения до нуля вызывает плавное увеличение тока стока вследствие увеличения проводимости канала.
Характеристика полевого транзистора по внешнему виду напоминает характеристики пятиэлектродной электронной лампы — пентода. Поэтому для расчета схем на полевых транзисторах используют методику расчета схем на электронных лампах, ранее уже разработанную.
В настоящее время широкое распространение получили полевые транзисторы с изолированным затвором — МДП-транзисторы (металл-диэлектрик-полупроводник), иначе их называют МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник). Структура МДП-транзисторов широко применяется при изготовлении микроэлектронных приборов.
Физические процессы, происходящие в канальном транзисторе МДП-структуры, отличны от процессов, происходящих в канальном транзисторе с управляющим р-п переходом. Рассмотрим контактные явления, происходящие в поверхностном слое полупроводника структуры металл-диэлектрик-полупроводник при воздействии на него электрического поля (рис. 22).
Если к металлу подвести положительный вывод, а к полупроводнику — отрицательный вывод внешнего источника напряжения (рис. 22, а), то металл зарядится положительно, а полупроводник — отрицательно. В результате основные носители полупроводника — электроны — начнут притягиваться к поверхности раздела полупроводника и диэлектрика, а неосновные носители — дырки — отталкиваться от поверхности раздела.
Так как концентрация основных носителей в полупроводнике значительно выше, чем неосновных, то на границе раздела металл-полупроводник за счет избытка основных носителей образуется слой, обогащенный носителями зарядов с небольшим сопротивлением.
Если изменить полярность внешнего напряжения и подключить минус источника напряжения к металлу, а плюс — к полупроводнику (рис. 22, б), то металл зарядится отрицательно, а полупроводник — положительно. В этом случае основные носители — электроны — будут отталкиваться, а неосновные носители — дырки — притягиваться к границе раздела полупроводника и диэлектрика. При определенном значении напряжения концентрация основных носителей электронов в приконтактном слое, уменьшаясь, достигнет концентрации дырок. Уменьшение концентрации электронов до концентрации собственного полупроводника приведет к увеличению его сопротивления и образованию слоя, обедненного носителями заряда (обедненного слоя).
При увеличении отрицательного напряжения (рис. 22, в) электрическое поле между металлом и полупроводником усилится и более интенсивно основные носители —: электроны — будут отталкиваться от границы раздела диэлектрика и полупроводника, и одновременно больше неосновных носителей — дырок — будет притягиваться к границе этого раздела, концентрация которых при определенном значении напряжения у границы раздела может стать больше, чем концентрация основных носителей. При этом в приконтактной области диэлектрик-полупроводник образуется слой с дырочной проводимостью, т.е. проводимостью, свойственной полупроводникам р-типа.
Рис. 22. Воздействие электрического поля на МДП-структуру п-типа и образование: а — обогащенного слоя; б — обедненного слоя; в — инверсного слоя
В этом случае говорят о возникновении инверсного слоя. Толщина инверсного слоя растет с увеличением абсолютного значения отрицательного напряжения. Таким образом, инверсный слой с высокой дырочной проводимостью ограничен с одной стороны диэлектриком, а с другой стороны — высокоомным слоем собственного полупроводника. Этот высокоомный слой можно рассматривать как запирающий слой р-п перехода, возникающий на границе раздела полупроводников с различными проводимостями. Все рассмотренное выше относительно полупроводника n-типа справедливо для полупроводника p-типа.
В МДП-транзисторах, в отличие от полевых транзисторов с управляющим р-п переходом, затвор изолирован от канала тонким слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно используются окислы (например, SiO2). МДП-транзисторы имеют две разновидности: с индуцированным каналом и встроенным каналом.
Основой МДП-транзистора с индуцированным каналом служит пластинка (подложка) из слаболегированного полупроводника — кремния с n-проводимостью (рис. 23, а). Сток и исток обладают проводимостью типа р. Электрод затвора изолирован от полупроводниковой области тонким слоем диэлектрика SiO2.
Подложку обычно соединяют с истоком. Сток и исток с подложкой образуют два р-п перехода, а при любой полярности приложенного напряжения между стоком и истоком один из переходов оказывается включенным в обратном направлении, и ток стока практически равен нулю.
Если подать отрицательное напряжение между затвором и подложкой и постепенно увеличивать по абсолютной величине, то концентрация основных носителей на поверхности полупроводника начнет уменьшаться, и вблизи поверхности образуется слой,
Рис. 23. Устройство МДП-транзистора:
а) с индуцированным каналом; б) с встроенным каналом
обедненный основными носителями заряда. Однако это не приводит еще к образованию токоприводящего канала (см. рис. 23, б). При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения между затвором и подложкой и достижения некоторого порогового значения Uз пор у поверхности полупроводника образуется инверсный срок с проводимостью типа р (см. рис. 23, в), толщина которого увеличивается при увеличении отрицательного напряжения, подводимого к затвору.
Инверсный слой р-типа соединяет p-область стока и истока и образует токопроводящий канал между ними.
В этом случае, если между истоком и стоком приложено напряжение, то через канал протекает ток стока, величина которого будет зависеть от сопротивления канала. Пороговое напряжение затвора Uз пор аналогично напряжению отсечки полевого транзистора с управляющим р-п переходом. Так как возникновение и увеличение инверсной проводимости канала происходит при обогащении дырками поверхностного слоя полупроводника, то считают, что транзистор работает по принципу обогащения.
Если теперь на затвор относительно подложки подать положительное напряжение, то это приведет к еще большему обогащению электронами проводимости поверхности слоя полупроводника и обеднению дырками, токопроводящего канала между стоком и истоком не возникает. Поэтому транзистор по принципу обеднения канала не работает.
Другой разновидностью канального транзистора с изолированным затвором является МДП-транзистор с встроенным каналом (рис. 23, б). У транзистора этого типа канал, соединяющий сток и исток, получается технологическим путем и отличается тем, что имеет собственный проводящий канал. Эти транзисторы могут работать как в режиме обогащения канала, так и в режиме обеднения.
Таким образом, полевые транзисторы с встроенным каналом, в отличие от транзисторов с р-п переходом и индуцированным каналом, могут работать при нулевом, положительном или отрицательном смещении затвора. Для сравнения стоковые характеристики Iс = f(Uс) при Uз = const для полевых транзисторов с встроенным каналом показаны на рис. 24. Параметры полевых транзисторов на МДП-структуре определяются так же, как и параметры полевых транзисторов с р-п переходом.
На рис. 25 показаны условные обозначения МДП-транзисторов с изолированным затвором. Канал транзистора изображается штриховой или сплошной линией. Штриховая линия обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный.
Рис. 24. Стоковые характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом
Рис. 25. Условные графические обозначения МДП-транзистора с изолированным затвором:
а — каналом п-типа; б — каналом р-типа
Исток и сток изображаются под прямым углом к каналу. Подложка изображается как электрод со стрелкой, направление которой указывает тип проводимости канала. Затвор изображается вертикальной линией, параллельной каналу.
Полевые транзисторы всех типов имеют исключительно низкий уровень собственных шумов и большое входное сопротивление.
Силовые полупроводниковые приборы
Силовые полупроводниковые приборы предназначены для использования в силовых устройствах — управления электроприводом, преобразователях частоты, блоках питания большой мощности и т.д.
Тиристором называется полупроводниковый прибор, основой которого служит четырехслойная структура типа р-п-р-п (п-р-п-р), изготовленный из кремния с тремя р-п переходами. В простейшем случае тиристор имеет два электрода — анод и катод (рис. 26), называется диод тиристором или динистором. Анод осуществляет электрическую связь с внешней p-областью, а катод — с внешней n-областью. Два крайних перехода П1 и П3 называют эмиттерными переходами, средний П2 — коллекторным.
Если динистор подключать к источнику внешнего напряжения, полярностью, показанной на рис. 26, а, то два перехода П1 и П3 окажутся смещенными в прямом направлении, а П2 — в обратном.
Рис. 26. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)
Поэтому сопротивление перехода П2, будет значительно больше сопротивлений переходов П1 и П3, и основная часть питающего напряжения будет приложена к переходу П2. По мере увеличения анодного напряжения растет и падение напряжений на переходах П1 и П3, а на переходе П2 уменьшается, ток через динистор увеличивается (рис 27).
При некотором значении внешнего напряжения, называемого напряжением включения Uвкл процесс лавинообразно нарастает, ток резко возрастает, но ограничивается сопротивлением нагрузки Rн, и динистор переходит в режим насыщения (прямолинейный участок характеристики). Таким образом, все три перехода оказываются включенными в прямом направлении, и сопротивление динистора и, соответственно, падения напряжения на нем оказываются незначительными. В этом режиме динистор является отпертым, или включенным. Следовательно, динистор представляет собой переключающий прибор, имеющий два устойчивых состояния: включено и выключено.
Рис. 27. Вольтамперная характеристика динистора
Если от одной из базовых областей сделать вывод, то получится управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором (рис. 28).
Рис. 28. Структура тринистора с катодным управлением и его условное графическое обозначение (а); структура тринистора с анодным управлением и его условное графическое обозначение (б)
Подавая через управляющий электрод прямое напряжение на один из переходов, можно увеличить ток через этот переход, следовательно, и общий анодный ток, что приводит к снижению величины напряжения включения Uвкл. Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно управлять напряжением включения тринистора. При токе управления Iупр = 0, характеристика тринистора совпадает с характеристикой динистора (рис. 29). При токе Iупр > 0 происходит инжекция носителей из соответствующего эмиттерного перехода к коллекторному переходу.
Рис. 29. Вольт-амперная характеристика тринистора
Чем больше управляющий ток, тем сильнее инжекция носителей и тем меньше требуется напряжения на тринисторе для его включения. Таким образом, для включения тринистора при заданном напряжении нужно соответственно подобрать значение управляющего тока.
Рассмотренные тринисторы не запираются с помощью тока управления. Чтобы тринистор запереть, следует уменьшить анодный ток до значения ниже Iвкл. В радиоэлектронной аппаратуре применяются тринисторы, которые можно запереть отрицательным импульсом управляющего тока (рис. 30).
Рис. 30. Условное графическое обозначение запираемого тиристора:
а — с выводом от р-области; б —с выводом от n-области
Четырехслойные тиристоры, рассмотренные выше, коммутируют токи, протекающие в одном направлении. На переменном токе применяются многослойные полупроводниковые приборы — симисторы (симметричные тринисторы), которые при воздействии напряжений различной полярности могут переключаться в двух направлениях. Основу таких приборов составляет шестислойная структура (рис. 31), у которой концевые переходы П1 и П4 соединены металлическими шунтами Ш1 и Ш2. Так как слой полупроводниковой структуры обладает высоким сопротивлением, крайние переходы П1 и П4 оказываются шунтированными лишь частично, в области контактов. В области р2 есть участок п6, обладающий электронной проводимостью. Между слоями р2 и n3 образуется электронно-дырочный переход П5.
Рис. 31. Структура симистора (а) и его условное графическое обозначение (б)
При приложении напряжения в цепи прибора с отрицательной полярностью на вывод А, а положительной — на вывод В переход П4 закрыт, ток проходит через слои n1– р2 – n3 – р4. Подача положительного управляющего импульса на управляемый электрод УЭ вызывает отпирание прибора как обычного четырехслойного тринистора. При этом шестой слой п6 не оказывает влияния на работу прибора.
В случае приложения к цепи симистора напряжения противоположной полярности переход П1 смещается в обратном направлении, и напряжение оказывается приложенным к слоям р2 – n3 – p4 – n5. При подаче на управляющий электрод импульса положительной полярности переход П5 смещается в прямом направлении, и электроны, инжектируемые из слоя п6 в слой р2, выбрасываются полем перехода П2 в слой n3, понижая его потенциал. Это вызывает инжекцию из слоя р2 дырок, которые, пройдя слой п3, попадают в закрытый переход П3 и способствуют переводу структуры р2 – n3 – p4 – n5 в проводящее состояние.
Вольтамперная характеристика состоит из двух почти симметричных относительно начала координат ветвей, аналогичных прямой ветви четырехслойного тринистора (рис. 32).
Рис. 32. Вольт-амперная характеристика симистора
Симисторы применяют для фазового регулирования мощности переменного тока, а также для работы в бесконтактной коммутационной и регулирующей аппаратуре.
Полупроводниковые оптоэлектронные приборы
Работа различных полупроводниковых приемников излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который заключается в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генераций пар носителей заряда — электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. Простейший приемник излучения — фоторезистор, — одинаково проводящий ток в обоих направлениях.
В некоторых приборах под действием излучения (фотодиоды, фототранзисторы) за счет фотогенерации электронов и дырок возникает э.д.с, которую называют фото-э.д.с.
При подаче прямого напряжения на двухслойный полупроводник происходит рекомбинация электронов и дырок с образованием фотонов (явление инжекционной электролюминесценции). Это явление используют в светоизлучающих диодах.
Фоторезистор — полупроводниковый резистор, изменяющий свое сопротивление под действием излучения. Устройство фоторезистора показано на рис. 33. На диэлектрическую пластину 1 нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3.
Рис. 33. Устройство фоторезистора: 1 – диэлектрическая пластина;
2 – слой полупроводника; 3 – контакты
Схема включения фоторезистора приведена на рис. 34, а. Полярность источника питания может быть любой. Если облучение отсутствует, то фоторезистор имеет сопротивление Rm — (104-107) Ом, называемое темновым. Оно является одним из основных параметров фоторезистора. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии излучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор, в нем происходит генерация пар подвижных носителей заряда, и его сопротивление уменьшается.
Е
а б в
Рис. 34. Схема включения фоторезистора (а); вольтамперная характеристика (б);
энергетическая характеристика фоторезистора (в)
Фоторезисторы характеризуются интегральной чувственностью
Si=Iф / Ф, [мкА/лм],
где Iф – фототок, мкА;
Ф – световой поток, лм.
Фоторезисторы имеют линейную ВАХ и нелинейную энергетическую характеристику (рис. 34, б и в).
Фотодиоды служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию (рис. 35, а). Фотоны, воздействуя на п-р переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возникающие в самом переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей, например, для электронов, возникших в p-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в п-область. Аналогично, дырки перебрасываются полем из п-области в p-область. Для основных носителей, например, дырок в p-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т.е. дырки остаются в p-области, а электроны — в n-области.
В результате этого процесса в п- и p-областях накапливаются избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-э.д.с. С увеличением светового потока фото-э.д.с. растет по нелинейному закону (рис. 35, б). Значение э.д.с. может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку возникает фототок
,
где Rвн – внутреннее сопротивление фотоэлемента.
В настоящее время широкое распространение получили кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую. Из таких элементов путем их последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, развивающие мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи являются основными источниками питания на космических кораблях, автоматических метеостанциях, телевизионных спутниках и т.д.
Рис. 35. Схема включения фотодиода (а) и его характеристика (б)
Фототранзисторы обладают более высокой интегральной чувствительностью, чем фотодиоды. Биполярный фототранзистор представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделано прозрачное окно, через которое световой поток может воздействовать на область базы (рис. 36, а).
Рис. 36. Схема включения биполярного фототранзистора (а)
и его выходные характеристики (б)
Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда — электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода перемещаются из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора, а электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в
этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора.
Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со свободной базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации, при этом используется вывод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смещения и электрические сигналы.
Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис. 36, б. Различные кривые соответствуют различным значениям светового потока, а не тока базы.
На практике применяются еще и составные фототранзисторы. Составной фототранзистор — это фототранзистор, соединенный с обычным транзистором. Составной транзистор имеет коэффициент усиления тока β, равный произведению коэффициентов усиления двух транзисторов β1·β2. В результате интегральная чувствительность у составного фототранзистора получается в тысячу раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.
Кроме биполярных фототранзисторов в качестве приемников излучения используются и полевые фототранзисторы. На рис. 37 показан полевой фототранзистор с каналом n-типа. При облучении n -канала в нем и в прилегающей к нему p-области (затворе) генерируются электроны и дырки. Переход между n -каналом и p-областью находится под обратным напряжением, и поэтому под действием поля этого перехода происходит разделение носителей заряда. В результате возрастает концентрация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток стока) возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который создает падение напряжение на резисторе Rзат, за счет чего уменьшается обратное напряжение на управляющем переходе канал-затвор. Это в свою очередь приводит к уменьшению сопротивления канала и возрастанию тока стока. Таким образом, осуществляется управление током стока световой энергией.
Рис. 37. Схема включения полевого фототранзистора
МДП-фототранзисторы с индуцированным каналом имеют полупрозрачный затвор, через который освещается область полупроводника под затвором. В этой области происходит фотогенерация носителей заряда. За счет этого изменяется значение порогового напряжения, при котором возникает индуцированный канал, а также крутизна, являющаяся основным параметром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное напряжение для установления начального режима.
Фототринисторы и фотосимисторы — это тринисторы и симисторы с фотоуправлением, применяются в различных автоматических схемах, в качестве бесконтактных ключей для коммутации мощных устройств. Основными достоинствами таких схем являются малое потребление энергии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения и выключения нагрузки.
Полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь, называется оптроном. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. Вход оптрона и его выход электрически не связаны, связь входа и выхода осуществляется световым сигналом. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника — управляемой.
Достоинствами оптронов являются отсутствие электрической связи между входом и выходом, высокая помехозащищенность оптического канала, хорошая совместимость оптронов с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.
Оптроны состоят из излучателя 1 и приемника излучения 2, которые помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем 3 (рис. 38, а). Для использования в микросхемах выпускаются миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. У них между излучателем 1 и фотоприемником 2 имеется воздушный зазор (рис. 38, б), в котором может перемещаться светонепроницаемая преграда, например, перфолента с отверстиями, с помощью которой можно управлять световым потоком. В другом варианте оптопар с открытым каналом (рис. 38, в) световой поток излучателя 1 попадает в фотоприемник 2, отражаясь от какого-либо внешнего объекта.
Рис. 38. Устройство оптопар: а — в герметичном корпусе;
б и в — с открытым оптическим каналом
Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фото приемниками.
Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя светодиоды, дающие видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор, который может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам.
На рис. 39, а изображена резисторная оптопара (светодиод и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источника постоянного (или переменного) напряжения Е и имеет нагрузку Rн . Напряжение Uупр, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления (цепь излучателя) изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения. В качестве параметров резисторных оптопар обычно указываются максимальные токи и напряжения на входе и выходе, проходная емкость, время включения и выключения. Важнейшими характеристиками оптопары являются входная Iвх = f(Uвх) и передаточная характеристики. Последняя показывает зависимость выходного сопротивления от входного тока.
Промышленность выпускает оптопары с одним или несколькими резисторами в одном корпусе, которые применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.
Рис. 39. Типы оптопар; а —резисторная; б — диодная; в — транзисторная;
г — с составным транзистором; д — с фотодиодом и транзистором
Диодные оптопары (рис. 39, б) имеют обычно инфракрасный арсенид-галлиевый диод и кремниевый фотодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-э.д.с. до (0,5-0,8) В, или в фотодиодном режиме. Основные параметры диодных оптопар — это входные и выходные напряжения и токи для непрерывного и импульсного режима, коэффициент передачи тока, т. е. отношение выходного тока к входному, время нарастания и спада выходного сигнала, а также другие величины, аналогичные параметрам резисторных оптопар.
Свойства диодных оптопар отображаются входными и выходными ВАХ и передаточными характеристиками для фотогенераторного и фотодиодного режима. Многоканальные диодные оптопары имеют в одном корпусе несколько оптопар. Масса оптопары составляет примерно один грамм или десятые доли грамма. Оптопары оформлены в металлостеклянном корпусе, для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопары. Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток.
Транзисторные оптопары имеют обычно в качестве излучателя арсенид-галлиевый диод, а приемника излучения — биполярный кремниевый фототранзистор типа п-р-п (рис. 39, в). Основные параметры входной цепи аналогичны параметрам диодных оптопар. Дополнительно указываются максимальные токи, напряжения и мощности, относящиеся к выходной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и выключения, параметры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле.
Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован составной транзистор (рис. 39, г) или фотодиод с транзистором (рис. 39, д). Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстродействием, а наибольшее быстродействие характерно для диодно-транзисторных оптопар. Разновидностью транзисторных оптопар являются оптопары с полевым фототранзистором. Они отличаются хорошей линейностью выходной ВАХ в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.
В качестве примера тиристорной оптопары рассмотрим оптроны серии АОУ160, которые состоят из арсенид-галлиевого ИК-излучателя и кремниевого фотосимистора (рис. 40). Излучатель и приемник изолированы один от другого оптически прозрачной массой.
Рис. 40. Типовая схема включения оптрона АОУ160А в узле управления мощным коммутатором нагрузки (а), входная ВАХ оптрона (б)
Оптопары выпускают в пластмассовом корпусе с жесткими пластинчатыми выводами. Масса прибора — не более 0,8 г, ток включения — 10 мА, время включения — не более 10 мкс, время выключения — не более 250 мкс, проходная емкость — не более 10 пФ, наибольший выходной ток при частоте 50 Гц — 100 мА, напряжение изоляции между входом и выходом — 1,5 кВ. Рабочий интервал температуры окружающей среды — (-45 + 70) °С.
Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами для обеспечения электрической изоляции их друг от друга. В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенностью ОЭ ИМС является однонаправленная передача сигнала при полном устранении обратной связи. Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации.
Микроэлектроника
Микроэлектроника — это раздел электроники, включающий исследование, конструирование и производство интегральных микросхем (ИМС) и радиоэлектронной аппаратуры на их основе. Интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования, обработки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения требований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рассматривается как единое целое.
Элемент — это часть микросхемы, реализующая функции какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть выделена как самостоятельное изделие. Под электрорадиоэлементом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, например, логические (логические элементы) или запоминание информации (элементы памяти).
Компонент — это часть микросхемы, реализующая функцию какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выделена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливаются на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтажных операций. К простым компонентам относятся бескорпусные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов, малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные компоненты содержат несколько элементов, например, диодные сборки.
Плотность упаковки — это отношение числа простых компонентов и элементов, в том числе содержащихся в составе сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема выводов.
Критерием оценки сложности микросхемы, т.е. числа N содержащихся в ней элементов и простых компонентов, является степень интеграции. Она определяется коэффициентом К = lgN значение которого округляется до ближайшего большего целого числа. Так, микросхема первой степени интеграции (К=1) содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй степени интеграции (К = 2) — свыше 10 до 100 третьей степени интеграции (К = 3) — свыше 100 до 1000 и т.д. В настоящее время микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изготовленных по МДП-технологии, называют большой интегральной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает 10000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).
Микросхемотехника (интегральная схемотехника) как одна из основ микроэлектроники охватывает исследования и разработку оптимальных схем. Многие современные микросхемы являются очень сложными электронными устройствами, поэтому при их описании и анализе используются, по меньшей мере, два уровня схемотехнического представления. Первый наиболее детальный уровень — это электрическая схема. Она определяет электрические соединения элементов (транзисторов, диодов, резисторов и др.) На этом уровне устанавливается связь между электрическими параметрами схемы и параметрами входящих в нее элементов. Второй уровень — это структурная схема. Она определяет функциональные соединения отдельных каскадов, описываемых электрическими схемами.
По функциональному назначению микросхемы подразделяются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема предназначена для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхемах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Аналоговая ИМС называется линейной, если предназначена для преобразования и обработки сигнала, меняющегося по линейному закону. Аналоговые ИМС выполняют функции усиления, детектирования, модуляции, генерации, фильтрации, преобразования аналоговых сигналов и используются в аналого-цифровых измерительных устройствах, усилителях низкой и высокой частот, видеоусилителях, генераторах, смесителях сигналов и других устройствах. В цифровых ИМС активные элементы работают в ключевом режиме. Такие ИМС применяются в вычислительной технике, системах автоматического управления и устройствах дискретной обработки информации.
Конструктивно-технологическая классификация микросхем учитывает способ изготовления и получаемую при этом структуру. По конструктивно-технологическим признакам различают полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Структура, содержащая элементы, межэлементные соединения и контактные площадки (металлизированные участки, служащие для присоединения внешних выводов), называется кристаллом ИМС.
Полупроводниковые микросхемы по типу применяемых транзисторов подразделяются на два основных вида: микросхемы на биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах (МДП-микросхемы).
Основным активным элементом биполярных микросхем является транзистор типа п-р-п. Кроме того, используются диоды на основе р-п переходов и переходов металл-полупроводник (диоды Шотки), полупроводниковые резисторы, пленочные резисторы и в редких случаях — конденсаторы небольшой емкости.
Основными элементами современных МДП-микросхем являются МДП-транзисторы с каналом n-типа. Площадь этих транзисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных, поэтому для микросхем на n-канальных МДП-транзисторах достигается самая высокая степень интеграции.
Гибридная ИМС содержит пленочные пассивные элементы и навесные компоненты. В гибридных ИМС используются как простые, так и сложные компоненты, например, безкорпусные кристаллы полупроводниковых микросхем. Электрические связи между элементами, компонентами и кристаллами осуществляют с помощью пленочных и проволочных проводников. Подложка с расположенными на ее поверхности пленочными элементами, проводниками и контактными площадками называется платой. Многокристальная гибридная микросхема представляет собой совокупность нескольких бескорпусных полупроводниковых микросхем, установленных на одной диэлектрической подложке, соединенных между собой проводниками и заключенных в герметизированный корпус.
В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопленочные (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные (толщина пленок более 1 мкм) гибридные микросхемы. Помимо количественных существуют и качественные различия, определяемые технологией изготовления пленок. Тонкопленочные элементы формируют, как правило, с помощью термического вакуумного испарения и ионного распыления, а тонкопленочные элементы наносят на подложку методом трафаретной печати с последующим вжиганием.
Все ИМС состоят из активных и пассивных элементов. К активным элементам относятся биполярные и полевые транзисторы, к пассивным — резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.
Главные различия структур биполярных транзисторов полупроводниковых микросхем и дискретных транзисторов заключаются в том, что первые содержат дополнительные области, изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все выводы от областей транзистора располагаются в одной плоскости на поверхности подложки. Такая структура называется планарной. Она позволяет соединить транзисторы между собой и другими элементами микросхемы пленочными металлическими проводниками, формируемыми на той же поверхности. Кроме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других элементов микросхем, предъявляется специфическое требование — площадь, занимаемая ими на полупроводниковой подложке, должна быть минимально возможной для повышения плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструкция и технология изготовления транзисторов должна обеспечивать возможность одновременного создания и других элементов (диодов, резисторов и т.д.) на основе аналогичных полупроводниковых слоев, используемых при формировании эмиттерной, базовой и коллекторной областей транзистора. В этом состоит важное требование конструктивно-технологической совместимости элементов полупроводниковых микросхем.
Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-п переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектрической изоляцией. Основные отличия структуры такого транзистора состоят в том, что транзистор размещают в кармане (области, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, называются карманами), изолированном со всех сторон от подложки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков меньше, чем р-n перехода при обратном напряжении. Однако, биполярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили широкого применения вследствие сложной технологии создания карманов и малой степени интеграции.
Основным методом изоляции элементов современных биполярных микросхем является метод комбинированной изоляции, сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксид кремния) и р-п переходом, смещенным в обратном направлении. В настоящее время существует большое число конструктивно-технологических разновидностей биполярных микросхем с комбинированной изоляцией.
В некоторых аналоговых микросхемах используют полевые транзисторы с управляющим р-п- переходом и биполярные транзисторы на одном кристалле. Известно, что, в отличие от биполярных, полевые транзисторы характеризуются значительно большим входным сопротивлением и меньшим уровнем шумов, но уступают им по быстродействию и занимают большую площадь. Поэтому полевые транзисторы применяют во входных каскадах аналоговых микросхем, а в остальных каскадах используют биполярные транзисторы. В связи с этим возникает необходимость формирования на одном кристалле биполярных транзисторов и полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.
В микросхемах наиболее широко распространены МДП-транзисторы с индуцированными каналами n-типа. Транзисторы со встроенными каналами используют реже, в основном как пассивные элементы. В некоторых МДП-микросхемах применяют транзисторы с индуцированными каналами п- и p-типа. При одинаковой конструкции n-канальные транзисторы имеют большую крутизну и более высокую граничную частоту, чем p-канальные, вследствие большей подвижности электронов по сравнению с дырками. В отличие от биполярных МДП-транзисторы можно создавать в тонких слоях кремния, нанесенных на диэлектрическую подложку. При этом повышаются быстродействие, степень интеграции и радиационная стойкость.
Основными активными элементами арсанид-галлиевых микросхем являются полевые транзисторы с управляющим переходом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы). Эти микросхемы относятся к классу быстродействующих. При разработке микросхем используются следующие преимущества арсенида галлия по сравнению с кремнием: более высокие подвижность электронов в слабых электрических полях и скорость насыщения в сильных полях, большая ширина запрещенной зоны и, как следствие, значительно более высокое удельное сопротивление нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать полуизолирующие подложки микросхемы.
В полупроводниковых микросхемах наиболее распространенными пассивными элементами являются резисторы. Вследствие низкого удельного сопротивления полупроводниковых слоев они занимают большую площадь на кристалле. Поэтому микросхемы проектируют так, чтобы число резисторов было минимальным, а их сопротивления — небольшими (обычно менее 10 кОм). Аналоговые микросхемы содержат, как правило, больше резисторов, чем цифровые. Во многих цифровых микросхемах (например, на полевых транзисторах) резисторов нет, вместо них используют транзисторы. Полупроводниковые резисторы имеют сильную температурную зависимость и большой технологический разброс сопротивления. Иногда вместо полупроводниковых применяют тонкопленочные резисторы с лучшими параметрами, но тогда технологический процесс усложняется.
Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит конденсаторов вследствие занимаемой или большой площади. Например, полупроводниковый или тонкопленочный конденсатор емкостью 50 пФ занимает приблизительно такую же площадь, как 10 биполярных или 100 МДП-транзисторов. Поэтому, если требуется емкость более 50-100 пФ, применяют внешние (дискретные) конденсаторы, для подключения которых в микросхемах предусматривают специальные выводы. В некоторых микросхемах конденсаторы малой емкости объединяются с другими элементами. Например, в элементах памяти динамического типа конденсаторы совмещены с МДП-транзисторами, в логических элементах на арсениде галлия — с металл-полупроводниковыми диодами. Конденсаторы емкостью порядка 10 пФ на основе МДП-структур используются в некоторых аналоговых микросхемах, обладающих частотной избирательностью сигналов (например, в активных фильтрах). На высоких частотах МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так как одной из обкладок служит полупроводниковый слой со значительным сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают тонкопле- ночные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью 0,1-1 пФ, а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли наногенри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсенид-галлиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах индуктивные элементы не используются. В некоторых случаях индуктивный эффект получают схемным путем (т.е. применяя операционные усилители с RС-цепями обратной связи, активные фильтры и др.). Для других случаев применения используют катушки, находящиеся вне корпуса микросхемы.
В низкочастотных микросхемах применяют дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Пленочные реактивные элементы с емкостями менее 100 пФ и индуктивностями менее 1 мкГн используют в аналоговых высокочастотных микросхемах. В сантиметровом диапазоне СВЧ используют пассивные элементы на основе микрополосковых линий передачи с распределенными емкостью и индуктивностью. Размер элементов порядка длины волны, поэтому их плотность относительно низкая.
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
Неуправляемые полупроводниковые выпрямители
Простейшими полупроводниковыми выпрямителями являются неуправляемые выпрямители, они служат для преобразования переменного напряжения в постоянное. На рис. 41, а показана схема выпрямления с одним полупроводниковым диодом, включенным последовательно с нагрузкой. Ток проходит через резистор нагрузки Rн только в течение положительных полупериодов переменного напряжения, подведенного к цепи с выпрямителем от вторичной обмотки трансформатора (рис. 42, б).
Для того чтобы в нагрузку поступал ток в течение обоих полупериодов входного синусоидального напряжения, применяются схемы двухполупериодного выпрямления. В схеме с двумя диодами (рис. 41, б) в одном полупериоде открыт один диод, в другом — второй. Диоды включены так, что ток в нагрузке в течение обоих полупериодов имеет одинаковый знак.
В схеме с четырьмя диодами (рис. 41, в) ток в каждом полупериоде проходит через два диода, расположенных в разных плечах моста. В двухполупериодных схемах выпрямленное напряжение в два раза больше, чем в однополупериодной схеме (рис. 42, в).
В трехфазной схеме с тремя диодами нагрузка включена между узлом, образованным диодами, и нейтральной точкой трехфазного трансформатора (рис. 41, г). В этой схеме диоды работают поочередно, длительность прохождения тока в каждом диоде равна одной трети периода.
Мостовая трехфазная схема выпрямления обеспечивает еще большее сглаживание выпрямленного тока и исключает необходимость использования нейтральной точки трансформатора (см. рис. 41, д).
Параметры основных выпрямительных схем приведены в таблице 1, пользуясь которой можно рассчитать выпрямительное устройство. Покажем это на следующем примере.
На выходе однополупериодного выпрямителя необходимо обеспечить мощность
Рd = 100 Вт при напряжении питания Ud = 40 В. Выбрать полупроводниковый диод по справочнику. Определить необходимое напряжение вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 41, а).
1. Определяем ток потребителя
А
Рис. 41. Выпрямительные схемы: а — однофазная одиополупериодиая;
б — однофазная двухполупериодная; в — однофазная мостовая,
двухполупериодная; г — трехфазная с нулевой точкой;
д — трехфазная мостовая
Рис. 42. Кривые изменения напряжения: а — на входе однофазных
выпрямительных схем; б — на выходе однополупериодной схемы выпрямления; в — на выходе двухполупериодной схемы выпрямления
Таблица 1
Параметры типовых выпрямительных схем
|
Параметр |
Выпрямительная схема |
||||
|
Параметр |
Однофазная |
Трехфазная |
|||
|
Одно-полупе-риодная |
Двух-полупе-риодная |
Мостовая |
С нулевой точкой |
Мостовая |
|
|
Фазное напряжение (действ, знач.), Uф |
2,22Ud |
1,11Ud |
1,11Ud |
0,85Ud |
0,43Ud |
|
Обратное напряжение, Ub |
3,14Ud |
3,13Ud |
1,57Ud |
2,1Ud |
1,05Ud |
|
Выпрямленное напряжение (ср. знач.), Ud |
0,45Uф |
0,9Uф |
0,9Uф |
1,17Uф |
2,34Uф |
|
Коэффициент пульсаций |
1,57 |
0,67 |
0,67 |
0,25 |
0,06 |
|
Ток через диод (ср. знач.) |
Id |
0,5 Id |
0,5 Id |
0,33 Id |
0,33 Id |
2. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период. Для однополупериодного выпрямителя
Uв = 3,14 · Ud = 3,14 · 40 = 126 В.
3. По справочнику (Диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры: Справочник. — М.: КубК-а, 1996. 528 с.) выбираем диод из условия: Iдоп ≥ Id и Uобр ≥ Uв.
Этим условиям удовлетворяет диод КД202Е, для которого Id = 3 A ˃ 2,5 А и Uобр = 140 В ˃ 126 В.
4. Необходимое напряжение вторичной обмотки трансформатора
В.
Управляемые полупроводниковые выпрямители
С помощью вентилей, имеющих управляемые электроды (тринисторы, симисторы), можно регулировать момент отпирания выпрямителя и тем самым изменять выпрямленное напряжение и ток. Схема, содержащая управляемые вентили и позволяющая регулировать напряжение на нагрузке, называется управляемым выпрямителем.
В управляемый выпрямитель тиристор включается как обычный вентиль, а к его управляющему электроду подводятся от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздыванием на угол α по отношению к выпрямляемому напряжению (рис. 43). Последовательно с нагрузкой Rн включен дроссель L для уменьшения бросков тока в момент открывания тиристоров.
Через тиристор VSI, включившийся в момент, соответствующий ωt = α (рис. 44), на выход выпрямителя подается напряжение первой фазы вторичной обмотки u1. При ωt ˃ π напряжение u1 становится отрицательным, однако тиристор VS1 не запирается, так как в дросселе L наводится э.д.с. самоиндукции с полярностью и величиной, обеспечивающими напряжение на катоде VSI, меньше чем u1.
Рис. 43. Схема управляемого выпрямителя па тринисторах
Рис. 44. Диаграмма управляемого выпрямителя
При ωt = π + α открывается тиристор VS2, через который на выход подается напряжение и2, являющееся в данном интервале положительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 запирается. Таким образом, напряжение на выходе выпрямителя и создается только теми частями напряжений вторичных обмоток и1 и и2, которые соответствуют открытым тиристорам (заштрихованы на рис. 44).
Напряжение на нагрузке получается почти равным постоянной составляющей напряжения и, подводимого к цепи LR, оно возрастает при уменьшении угла α и спадает при его увеличении.
Напряжение на нагрузке в тиристорном выпрямителе определяется не только амплитудой подводимого напряжения, но и углом отставания управляющих тиристорами импульсов α. Регулировка выпрямленного напряжения посредством изменения фазы управляющих импульсов не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемом выпрямителе, что является его основным достоинством.
Электронные усилители
Усилителем называется устройство, которое при подаче на его входные зажимы напряжения U1 или тока I1 создает на выходных зажимах напряжение U2 = KU · U1 или ток I2 = Ki · I1 (рис. 45).
Коэффициенты KU и Ki называются соответственно коэффициентами усиления по напряжению и току. В определенных пределах изменения напряжения, тока или частоты эти коэффициенты обычно постоянны. Питаются усилители от источников постоянного напряжения — выпрямителей или аккумуляторов.
В зависимости от требуемого коэффициента усиления усилители могут быть однокаскадными или многокаскадными.
Работа усилителей основана на различных принципах. Могут быть использованы насыщенные дроссели (магнитные усилители), электровакуумные приборы (ламповые усилители), полупроводниковые приборы (транзисторные усилители), микроэлектронные полупроводниковые приборы (усилители на ИМС) и т.д.
Усилители электрических сигналов используются во многих областях — в вычислительной технике, в автоматике, телевидении, радиосвязи и т.д.
Рис. 45. Схема усилителя (а) и его амплитудная характеристика (б)
Работа усилителей характеризуется параметрами и зависимостями для номинального режима.
Если на вход усилителя (рис. 45, а) подано синусоидальное напряжение с действующим значением U1 или ток I1, а в нагрузке выделяются, напряжение U2 и ток 12, то зависимость выходной величины от входной называют амплитудной характеристикой (рис. 45, б). Эта характеристика должна быть линейной, однако вследствие нелинейности характеристики лампы или транзистора при больших амплитудах, вследствие других причин она становится нелинейной (см. рис. 45, б). Усилители используются преимущественно в линейной части характеристики, где коэффициенты усиления по напряжению
или по току
не зависят от значений выходных величин. Часто удобнее пользоваться логарифмами этих отношений, выражая коэффициенты в децибеллах
Во многих случаях важно знать зависимость коэффициента усиления от частоты при синусоидальном входном напряжении KU = f(f) или Ki = f(f). Такая зависимость называется частотной характеристикой усилителя. На основе типичных частотных характеристик все усилители можно разделить на усилители постоянного тока, которые работают при частоте f = 0, и усилители переменного тока. Коэффициент усиления усилителя переменного тока может быть постоянным в широком (рис. 46, а) или узком (рис. 46, б) диапазоне частот.
Рис. 46. Частотные характеристики усилителей: широкополосного (а); резонансного (б)
В зависимости от рабочего диапазона частот усилители подразделяются на усилители низкой и высокой частоты.
Выходное напряжение усилителя сдвинуто по отношению к входному на угол φ: зависимость этого угла от частоты называется фазовой характеристикой усилителя.
Когда необходимо получить усиление по напряжению — используются усилители напряжения, соответственно для усиления тока используются усилители тока. В других случаях требуется усиление по мощности — такие усилители называются усилителями мощности.
Простейший усилитель содержит транзистор, питаемый от источника Е через резистор нагрузки Rн (рис. 47).
Рис. 47. Схема однокаскадного усилителя
Конденсатор С1 служит для того, чтобы постоянная составляющая напряжения Uвх не проходила на базу транзистора. Резистором R1 устанавливается исходная рабочая точка.
Для устранения постоянной составляющей в выходном напряжении Uвых включен разделительный конденсатор С2.
Генераторы синусоидальных колебаний
Генератором синусоидальных колебаний называют электронное устройство, преобразующее электрическую энергию постоянного тока в энергию электромагнитных колебаний синусоидальной формы требуемой частоты и мощности. Генераторы классифицируют по двум признакам — частоте и способу возбуждения. В зависимости от частоты генерируемых колебаний генераторы подразделяют на низкочастотные, (0,1-100) кГц, высокочастотные, (0,1-100) МГц, сверхчастотные, свыше 100 МГц.
По способу возбуждения различают генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы).
Генераторы с независимым возбуждением — это высокочастотные избирательные усилители мощности, на вход которых подаются колебания от автогенератора.
На рис. 48 приведена схема однокаскадного LC-автогенератора с резонансным колебательным контуром (LC-контур). Катушка резонансного контура Lб индуктивно связана с катушкой Lк, включенной в коллекторную цепь транзистора.
Рис. 48. Схема LC-автогенератора с контуром в цепи базы
При подаче напряжения питания в колебательном контуре появятся колебания с частотой
Переменный ток контура i6 усиливается транзистором. Эти колебания через катушку Lk, индуктивно связанную с катушкой Lб, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах колебаний постепенно нарастает до определенной величины, так как транзистор представляет собой ограничивающее устройство, не позволяющее коллекторному току возрастать бесконечно. Условие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществляется при сдвиге фаз выходного (коллекторного) напряжения Uк на 180° относительно напряжения Uб. Практически это условие выполняется соответствующей намоткой индуктивных катушек (направления намотки витков катушек резонансного контура в коллекторной цепи должны быть противоположными).
Мощность в колебательном контуре, включенном в базовую цепь усилителя, будет небольшой, так как ток и напряжение в цепи базы транзистора имеют малые величины. По этой причине такие автогенераторы применяют редко. Чаще всего используют автогенераторы, в которых колебательный контур включен по схеме рис. 49.
Рис. 49. Схема LC-автогенератора с параллельным питанием
В этой схеме транзистор и контур подключены параллельно источнику питания. Конденсатор С предотвращает проникновение постоянной составляющей коллекторного тока в катушку Lк, а дроссель L отфильтровывает переменную составляющую, и она не проходит в источник питания. Конденсатор Сэ служит, как и в предыдущей схеме, для прохождения переменной составляющей на эмиттер транзистора VT1.
Для получения синусоидальных колебаний низкой частоты применение LC-автогенераторов нецелесообразно вследствие больших величин индуктивностей катушки и емкостей конденсаторов в колебательном контуре. Для создания синусоидальных колебаний используют RС-генераторы, которые имеют высокую стабильность частоты в этом диапазоне за счет применения высокостабильных резисторов и конденсаторов.
На рис. 50 показана схема RС-автогенератора. По-существу, это каскад усилителя с обратной связью. Входное и выходное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Г-образная RС-цепь состоит из трех одинаковых RС-звеньев, каждое RС-звено сдвигает фазу на 60°.
Рис. 50. Схема RС-автогенератора
Для изменения частоты в таких автогенераторах необходимо изменять одновременно либо все резисторы, либо все конденсаторы в RС-звеньях.
Генераторы пилообразного напряжения
Пилообразным называют напряжение, нарастающее пропорционально времени и убывающее скачкообразно. На рис. 51, а показано идеальное пилообразное напряжение, имеющее время нарастания tнар и время спада tсп, равное нулю. Очевидно, что период такого напряжения Т равен времени нарастания. Реальные генераторы пилообразного напряжения имеют не совсем линейно нарастающее напряжение и не равное нулю время его спада (рис. 51, б).
Пилообразное напряжение применяют для разверстки электронного луча в электронно-лучевых приборах.
Рис. 51. Кривые изменения идеального (а) и реального (б) пилообразного напряжения
Рассмотрим работу управляемого транзисторного генератора пилообразного напряжения с емкостной обратной связью (рис. 52).
Рис. 52. Схема генератора пилообразного напряжения
Генератор управляется импульсами отрицательной полярности через диод VDI. В исходном состоянии транзистор VT1 заперт положительным напряжением, подаваемым от источника э.д.с. Ебэ через резистор R2, диод VDI и резистор R1. Конденсатор С заряжается через RK, R1, VDI и R2 приблизительно до напряжения Екэ. При подаче управляющего импульса диод VD1 запирается. Транзистор VTI открывается, так как напряжение на его базу подается теперь через резистор R. Начинается разряд конденсатора через открытый транзистор. Потенциалы базы и коллектора в момент отпирания транзистора скачком уменьшаются. Емкостная обратная связь между коллектором и базой поддерживает ток разряда конденсатора почти неизменным.
В момент окончания управляющего импульса диод отпирается, транзистор закрывается напряжением источника э.д.с. Ебэ, и начинается заряд конденсатора С.
Для обеспечения полного разряда конденсатора и получения максимальной амплитуды пилообразного напряжения длительность управляющих импульсов выбирают исходя из соотношения
τ = (1,1 – 1,2) tразр
где tразр — время разряда конденсатора.
Частота пилообразного напряжения определяется параметрами разрядной цепи и ограничивается частотными свойствами транзистора.
Рассмотренный генератор работает в ждущем режиме, т. е. вырабатывает пилообразное напряжение только при воздействии на вход генератора управляющего напряжения Uупр.
Мультивибраторы
Мультивибратором называется генератор прямоугольного напряжения, которое может быть разложено в ряд, содержащий высшие гармоники. Этим и объясняется название этого устройства.
Схема имеет два неустойчивых состояния, когда один из транзисторов открыт, а другой закрыт (рис. 53). Переход из одного состояния равновесия в другое происходит скачком, почти мгновенно, так как время переходного процесса в транзисторном мультивибраторе измеряется долями микросекунды.
Рис. 53. Схема мультивибратора
В начальный момент времени t = 0 (рис. 54) транзистор VT1 открылся, транзистор VT2 закрылся, конденсатор С2 начинает заряжаться через открытый транзистор VT1 и резистор Rk2 .
Открытие транзистора VT1 связано с прекращением разряда конденсатора С2, и появлением на базу VT1 отрицательного напряжения, подаваемого через резистор R61 и с прохождением в цепи базы VT1 зарядного тока конденсатора С2, уменьшающегося по экспоненте с постоянной времени RK2C2. Наличием зарядного тока конденсатора С2 объясняется скругление передних фронтов выходного напряжения Uвых. Величина сопротивления резистора Rб1 выбирается так, чтобы обеспечить работу транзистора VT1 в режиме насыщения.
До тех пор, пока транзистор VT1 открыт и насыщен, через него проходит разрядный ток конденсатора C1 который разряжается через резистор Rб2 с постоянной времени R62C1. По мере разряда конденсатора С1, напряжение на базе транзистора VT2 становится все менее положительным, и через промежуток времени t1, транзистор VT2 скачком открывается, а конденсатор С2 начинает разряжаться через транзистор VT2 и резистор Rб1 с постоянной времени R61 C2. При этом он закрывает транзистор VT1. Конденсатор С1, в это время будет заряжаться через Rk1 и открытый транзистор VT2.
Мультивибратор называют симметричным, если длительность открытого состояния обоих транзисторов одинакова, т.е. t1 = t2. У симметричного мультивибратора Rk1 = Rk2 , R61 = R62 и C1 = C2. Времязадающими являются цепи R61, C2 и R62, C1. Период колебаний Т = t1 + t2.
Важной характеристикой работы мультивибратора является скважность импульсов. Скважностью прямоугольных импульсов называют отношение периода колебаний Т к длительности импульса t1.
Рис. 54. График изменения токов и выходного напряжения
несимметричного мультивибратора
Мультивибраторы могут быть реализованы на микросхемах. В схеме симметричного мультивибратора (рис. 55) операционный усилитель (ОУ) осуществляет сравнение напряжения UC на конденсаторе С и напряжения U с делителя, образованного резисторами R1 и R2. Напряжение Uвых на выходе ОУ пропорционально разности напряжений между его входами ∆U = U - UC. Из-за того, что часть выходного напряжения через делитель поступает на вход ОУ, в схеме образуется положительная обратная связь. Если в некоторый момент времени разность ∆U станет положительной (например, вследствие флуктуации), то положительная обратная связь приведёт к лавинообразному нарастанию напряжения. Его увеличение прекратится, когда Uвыx достигнет своего максимально возможного значения U0, близкого к положительному напряжению питания +Е. При этом напряжение U будет равно U0R1/(R1 + R2). Такое состояние системы сохранится до тех пор, пока напряжение UC на конденсаторе, заряжающемся через резистор R, не превысит значения U = U0R1/(R1 + R2). Как только разность ∆U станет отрицательной, напряжение Uвых скачком уменьшится до своего минимального значения -U0, близкого к отрицательному напряжению питания -E. Напряжение U станет равным -U0R1/(R1 + R2) и конденсатор начнёт разряжаться. Когда напряжение UС сравняется c U= -U0R1/(R1 + R2), выходное напряжение снова скачком увеличится до значения U0 и т. д. Время зарядки и разрядки конденсатора одинаково и пропорционально RC.
Рис. 55. Симметричный мультивибратор на операционном усилителе: a - схема; б - временные диаграммы напряжений; 1 − напряжение UC; 2 - напряжение U.
Несимметричный мультивибратор (рис. 56) работает аналогичным образом, но с включением в схему диодов D и D' конденсатор заряжается и разряжается через разные резисторы (R и R'), поэтому время зарядки и разрядки различно.
Рис. 56. Несимметричный мультивибратор на операционном усилителе
Логические элементы
Схемы, реализующие логические функции, называются логическими элементами.
Логические элементы могут быть выполнены на электромагнитных реле, полупроводниковых диодах и триодах, электронных лампах и т.д. В настоящее время применяются в основном логические элементы, использующие полупроводниковые приборы, однако вначале рассмотрим релейные элементы, так как на принципе их действия легче понять работу других логических элементов.
Логический элемент И имеет несколько входов. Сигнал на выходе элемента появляется только в том случае, когда на все входы поданы сигналы.
На рис. 57 показана принципиальная схема элемента И на электромагнитном реле Р, на которой контакты входных устройств а, b, с соединены последовательно. Ток в обмотке реле возможен только в том случае, если будут замкнуты все три контакта. В этом случае реле сработает и замкнет исполнительную цепь с нагрузкой Rн.
Рис. 57. Схема логического элемента И на электромагнитном реле
На рис. 58 эту же функцию выполняет схема на полупроводниковых диодах. При R> R1 = R2 = R3 напряжение Uвых близко к нулю. Напряжение на выходе схемы появится только при подаче положительного напряжения на все три входа схемы.
Рис. 58. Схема логического элемента И на полупроводниковых диодах
В релейной схеме рис. 59 контакты а, b, с включены параллельно, поэтому ток в реле наблюдается уже в том случае, когда замкнут хотя бы один из трех контактов.
Данная схема может быть выполнена на полупроводниковых диодах. Так, например, на рис. 60 показана схема ИЛИ, выполненная на три входных напряжения. Здесь сигнал на выходе появляется в том случае, если подан сигнал на любой из входов.
Схема НЕ (часто называется инвертором), выполненная на электромагнитном реле, показана на рис. 61. В этой схеме при разомкнутом контакте а замкнут контакт р, поэтому на выходе имеется напряжение, которое принимается за единицу. При наличии сигнала (контакт а замкнут) напряжение на Rн равно нулю.
Рис. 59. Схема логического элемента ИЛИ на электромагнитном реле
Рис. 60. Схема логического элемента ИЛИ на полупроводниковых диодах
Рис. 61. Схема логического элемента НЕ на электромагнитном реле
Схема инвертора может быть выполнена на полупроводниковом триоде (рис. 62). В этой схеме триод при отсутствии сигнала на входе заперт, и на выходе имеется напряжение Uвых. Если на вход подать отрицательное напряжение, то триод открывается, и напряжение на выходе равно нулю.
Рис. 62. Схема логического элемента НЕ на транзисторе
Основные логические элементы на микросхемах имеют, как правило, один выход (Y) и несколько входов (X1; X2; X3; ... XN ). На электрических схемах логические элементы обозначаются в виде прямоугольников с выводами для входных (слева) и выходных (справа) сигналов. Внутри прямоугольника изображается символ, указывающий функциональное назначение элемента.
Основные логические функции приведены в таблице, там же указаны обозначения на микросхемах.
Так, например, отечественная микросхема К155ЛА3 считается базовым элементом 155-й серии (зарубежным аналогом К155ЛА3 является микросхема SN7400). Микросхема выполнена в пластмассовом корпусе с четырнадцатью выводами (DIP-14), на верхней стороне нанесена маркировка и ключ, обозначающий первый вывод микросхемы. Ключ представляет собой небольшую круглую метку. Если смотреть на микросхему сверху (со стороны корпуса), то отсчет выводов следует вести против часовой стрелки (рис. 63). Расположение выводов двухрядное.
Рис. 63. Внешний вид микросхемы К155ЛА3