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
1) ЭЛЕКТРОНИКА - наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и о методах создания электронных приборов и устройств (вакуумных, газоразрядных, полупроводниковых), используемых в основном для передачи, обработки и хранения информации. Возникла в нач. 20 в.; первоначально развивалась главным образом вакуумная электроника; на ее основе были созданы электровакуумные приборы. С нач. 50-х гг. интенсивно развивается твердотельная электроника (прежде всего полупроводниковая); с нач. 60-х гг. одно из наиболее перспективных ее направлений - микроэлектроника. После создания квантового генератора началось развитие квантовой электроники. Электронные приборы и устройства используются в системах связи, автоматики, в вычислительной технике, измерительной технике и т. д.
2) Все элементы электрической цепи условно можно разделить на активные и пассивные. Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии. К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается (резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы) энергия. К основным характеристикам элементов цепи относятся их вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики, описываемые дифференциальными или (и) алгебраическими уравнениями. Если элементы описываются линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями, то они называются линейными, в противном случае они относятся к классу нелинейных. Строго говоря, все элементы являются нелинейными. Возможность рассмотрения их как линейных, что существенно упрощает математическое описание и анализ процессов, определяется границами изменения характеризующих их переменных и их частот. Коэффициенты, связывающие переменные, их производные и интегралы в этих уравнениях, называются параметрами элемента. Резистор – это пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. Последнее определяется геометрическими размерами тела и свойствами материала: удельным сопротивлением r (Ом? м) или обратной величиной – удельной проводимостью. Вах резисотра. Катушка индуктивности – это пассивный элемент, характеризующийся индуктивностью. Для расчета индуктивности катушки необходимо рассчитать созданное ею магнитное поле. Конденсатор – это пассивный элемент, характеризующийся емкостью. Для расчета последней необходимо рассчитать электрическое поле в конденсаторе. Емкость определяется отношением заряда q на обкладках конденсатора к напряжению u между ними и зависит от геометрии обкладок и свойств диэлектрика, находящегося между ними. Большинство диэлектриков, используемых на практике, линейны, т.е. у них относительная диэлектрическая проницаемость ε=const. В этом случае зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Делитель напряжения – это устройсва для деления постоянного или переменного напряжения, т.е. схема которая на выходе создаёт напряжение которе является частью входного. Простейший делитель :
состоит из сопротивлений R1 иR2, подключённых к источнику напряжения. Работа делителья напряжения основана на том что входное напряжение частично гасится на сопротивлении R1, а с сопротивления R2 нужное напряжение подаётся на нагругку. Величина выходного напряжения расчитывается так: . Таким образом, путём подбора сопротивлений можем получить на выходе необходимое напряжение. Колебательный контур - замкнутая электрическая цепь, состоящая из конденсатора емкостью С и катушки с индуктивностью L, в которой могут возбуждаться собственные колебания с частотой , обусловленные перекачкой энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки и обратно. В реальных колебательных контурах всегда есть активное сопротивление, которое обусловливает затухание колебаний.
3) Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе. Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о высоком вакууме. Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа менее 100 мкПа (высокий вакуум). В ионных приборах давление 133 • 10-3 Па (10-3 мм рт. ст.) и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их. Есть еще группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др. Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпускаются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные токи — электрические импульсы. В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысокочастотные. Электронные лампы, имеющие два электрода — катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называются кенотронами. Лампы, имеющие помимо катода и анода электроды в виде сеток, с общим числом электродов от трех до восьми, — это соответственно триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками называются многоэлектродными. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод — пентод, двойной диод — пентод и др.). Основные ионные приборы — это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ионные разрядники и др.
4) Современный вакуумный диод представляет собой баллон из стекла или металлокерамики, из которого откачан воздух до давления 10-6 - 10-7 мм рт. ст. Внутри него размещены два электрода . Один из них — катод — имеет вид вертикального металлического цилиндра, покрываемого обычно слоем оксида щелочно-земельных металлов — бария, стронция, кальция. Такой катод называют оксидным. При нагревании поверхность оксидного катода испускает гораздо больше электронов, чем поверхность катода из чистого металла. Внутри катода расположен изолированный проводник, нагреваемый постоянным или переменным током. Нагретый катод испускает электроны, достигающие анода. Анод лампы представляет собой круглый или овальный цилиндр, имеющий общую ось с катодом.
Важнейшей характеристикой диода является его вольт-амперная характеристика — зависимость силы тока от напряжения между электродами Ia = f(Ua) при постоянном напряжении накала Un = const. Для получения вольт-амперной характеристики анода можно воспользоваться электрической цепью, где применяется диод с катодом косвенного накала.
Вольт-амперная характеристика диода с металлическим катодом является нелинейной в отличие от вольт-амперной характеристики металлического проводника. При напряжении между катодом и анодом, равном нулю, вылетевшие из катода электроны образуют вокруг него электронное облако (пространственный отрицательный заряд), отталкивающее вылетающие из катода электроны. Большинство электронов возвращается на катод, и лишь незначительное их число достигает анода. С увеличением Ua число электронов, достигающих анода, увеличивается и электронное облако постепенно уменьшается. Когда же все термоэлектроны, вылетающие из катода, попадают на анод, сила анодного тока достигает насыщения Iнаc.В области 1 графика, т.е. при увеличении анодного напряжения от 0 до Uнас ток через диод возрастает, но не пропорционально напряжению, а по закону . Это выражение называют формулой Богуславского—Ленгмюра или законом "трех вторых". В области 2 данного графика, т.е. при U ≥ Uнас, ток через диод не зависит от напряжения. Такой ток называют током насыщения. Сила тока насыщения определяется формулой Iнас = en, где n — число электронов, вылетающих в единицу времени с поверхности катода; е — заряд электрона. При постоянной температуре катода сила тока в межэлектродном промежутке зависит от анодного напряжения.
Для увеличения тока насыщения нужно повысить температуру катода, увеличив силу тока накала. Диод пропускает ток только в одном направлении. Это его свойство используется для выпрямления переменного тока. Диод, действующий в качестве выпрямителя, называют кенотроном. На рисунке а показаны схемы однополупериодного, а на рисунке б — двухполупериодного выпрямления переменного тока.
На рисунке 6, а, б показаны соответствующие графики зависимости силы выпрямленного тока, проходящего через сопротивление R, от времени.
5) Электронная лампа, имеющая три электрода, называется триодом.
Триод отличается от диода тем, что между его катодом и анодом находится третий электрод, выполненный в виде проволочной спирали, который называется сеткой. Анод, сетка и катод присоединяются, как и у диода, к штырькам цоколя лампы. По своему расположению сетка мешает или помогает электронам, вылетевшим с катода, достигнуть анода. Между сеткой и катодом включается напряжение, которое называется сеточным напряжением Ug. Когда напряжение на сетке триода равно нулю , лампа работает как диод. Приложенное между сеткой и катодом напряжение Ug создает дополнительное электрическое поле, воздействующее на летящие от катода к аноду электроны. Если это напряжение отрицательно, то вылетающие из катода электроны оказываются под действием притягивающей силы положительно заряженного анода и отталкивающей силы отрицательно заряженной сетки. Если отрицательное напряжение на сетке мало, то ее отталкивающая сила, действующая на электроны, невелика, поэтому сравнительно большая часть электронов пролетает через сетку к аноду. Однако с увеличением отрицательного напряжения на сетке отталкивающая сила электрического поля, действующая на электроны, возрастает. Вследствие этого сквозь сетку к аноду пролетает меньшее число электронов и анодный ток уменьшается. Роль отрицательно заряженной сетки подобна роли регулируемого сопротивления в электрической цепи. При некотором значении отрицательного напряжения на сеткt величина ее отталкивающей силы становится настолько большой,что ни один электрон не в состоянии пролететь сквозь сетку к аноду; анодный ток становится равным нулю. В этих условиях лампа «заперта».Если к сетке приложить не отрицательное, а положительное напряжение, то на электроны будут действовать две одинаково направленные силы: электрического поля анода и положительного заряда сетки. Большая часть электронов, пролетевших сквозь сетку, достигнет анода, но значительная часть их притянется на сетку и образует сеточный ток. Этот ток весьма нежелателен, так как он вызывает вредный нагрев сетки и уменьшает силу анодного тока. По этим причинам в большинстве электронных устройств во время работы триода потенциал сетки должен оставаться отрицательным. Сетка находится ближе к катоду, чем аноду; поэтому изменение напряжения на ней значительно сильнее влияет на величину анодного тока. Таким образом, посредством изменения напряжения, подаваемого на сетку, можно управлять силой тока в анодной цепи лампы. Поэтому сетку называют управляющей.
Характеристики триода:Крутизна, т. е. угол наклона характеристики триода, показывает, на сколько миллиампер изменяется сила анодного тока при изменении напряжения на сетке на 1 в и постоянном анодном напряжении: Ua=const
Внутреннее сопротивление по переменному току Ug=const
Коэффициент усиления лампы μ определяется отношением изменения анодного напряжения к изменению напряжения на сетке при постоянном анодном токе: Ia=const
Усилительный каскад на триоде с общим катодом.
Ra – анодная нагрузка. Cразд – разделительный конденсатор, пропускающий на выход лиш переменную составляющую. Rg – резистор для связи сетки с общей точкой-землёй, через него заряд скапливающийся на сетке попадает обратно на катод, он стабилизирует выходное сопротивление всего каскада. Ck – конденсатор, шунтирующий Rk. Rk – создайт положительное напряжение на катоде относительно сетки, таким образом сетка становится электроотрицательней катода.
7) Полупроводники́ — материалы, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Основным свойством этих материалов является увеличение электрической проводимости с ростом температуры. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких электрон-вольт (эВ). Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а арсенид индия — к узкозонным. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.
Ec – зона проводимости. Eg – запрещённая зона. Ev – валентная зона.
Электроны зоны проводимости имеют самые высокие энергии и обуславливают вещества. Электроны валентной зоны обуславливают хомические и ковалентные связи. Запрещённая зона определяет электропроводимость вещества.
Дырочный тип (р-тип) Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.
Электронный тип (n-тип) Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.
Собственный тип (i-тип) Собственный полупроводник или полупроводник i-типа — это чистый полупроводник, содержание посторонних примесей в котором не превышает 10-8 … 10-9%. Концентрация дырок в нём всегда равна концентрации свободных электронов. Примеры: Si, Ge
8) Фоторезистор. Сопротивление зависит от потока. Основные параметры: - чувствиткльность, Iф – ток через фоторезистор, Фл – падающий ток, S –интегральный ток, Ф – интегральный поток излучения.
R – теневое сопротивление. R= 100…106 Дм. Uраб – рабочее напряжение. Uраб – 1…100 В. Фmin-пороговый поток при котором наблюдается минимальный ток через резистор. Особенности: фоторезистор может работать как при постоянном так и при переменном токе, может работать и в Ин.Кр. спектре. Тензорези́стор — резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от его деформации. Тензорезисторы используются в тензометрии. С помощью тензорезисторов можно измерять деформации механически связанных с ними элементов. Тензорезистор является основной составной частью тензодатчиков, применяющихся для косвенного измерения силы, давления, веса, механических напряжений, крутящих моментов и пр. R- номинальное сопротивление, k – коэффициент тензо-чувствительности, - оносительное изменение сопротивления, – относительное изменение длинны, Термистор — полупроводниковый резистор, электрическое сопротивление которого существенно убывает с ростом температуры. Для термистора характерны большой температурный коэффициент сопротивления (ТКС) (в десятки раз превышающий этот коэффициент у металлов), простота устройства, способность работать в различных климатических условиях при значительных механических нагрузках, стабильность характеристик во времени. Терморезистор изготовляют в виде стержней, трубок, дисков, шайб, бусинок и тонких пластинок преимущественно методами порошковой металлургии. Их размеры могут варьироваться в пределах от 1—10 мкм до 1—2 см. Основными параметрами терморезистора являются: номинальное сопротивление, температурный коэффициент сопротивления, интервал рабочих температур, максимально допустимая мощность рассеяния.
9) Рассмотрим контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия основных носителей: электроны из n-полупроводника диффундируют в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. В результате участок n-полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов примеси. Движение дырок из р-полупроводника в n-полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда в пограничном участке р-полупроводника. В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Этот слой называют запирающим. Диффузионные и дрейфовые токи в p-n переходе. диффузия электронов из п-области полупроводника в р-область и дырок из р-области в п-область полупроводника, явяется причиной появления диффузионного тока основных носителей, протекающего через границу полупроводниковых сред. В одномерном случае плотность этого диффузионного тока jдиф равна: где jдиф.n и jдиф.p – электронная и дырочная составляющие диффузионного тока; и - градиенты концентраций электронов в n-области и дырок в p-области полупроводника; Dn и Dp – коэффициенты диффузий электронов и дырок; q – заряд носителя тока. Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок. В дальнейшем попавшие в n-область полупроводника неосновные носители тока - дырки рекомбинируют с основными носителями тока - электронами, а в p-области электроны рекомбинируют с основными носителями тока – дырками. При этом неосновные носители заряда проходят путь, который называется диффузионной длиной. Диффузионные длины дырок в n-области полупроводника и электронов в p-области выражаются, соответственно, соотношениям , где τ – времена жизни дырок в n-области p-области. Потенциальный барьер jк препятствует перемещению основных носителей тока, но не препятствует движению через переход неосновных носителей, имеющихся в p- и n-областях. Эти неосновные носители тока, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объёме полупроводника и, дрейфуя к p-n переходу, захватываются его электрическим полем E. Дрейфовый ток неосновных носителей равен jдр = jдрn+ jдрp , где jдрn и jдрp – электронная и дырочная составляющие этого тока. Этот ток очень мал, так как концентрация неосновных носителей мала и по своему направлению он противоположен току диффузии. Поскольку через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и общий ток через p-n переход равен j=jдиф - jдр = 0. Таким образом, без приложения внешнего напряжения два встречно-направленных потока носителей тока компенсируют друг друга.
10) p-n-переход при прямом смещении, внешнее поле Епр противоположно внутреннему полю п-н-перехода Ек, таким образом разность потенциалов внутри p-n-перехода снижается.
Дрейфовой составляющей можно принебреч. Приувеличении Епр, внутренний потенциальный барьер исчезает и ток будет определяться сопротивлением сових областей. n-область в случае прехода электронов под действием внешнего поля в р-область называется эмитор, р-область база. p-n-переход при обратном смещении, внешнее поле соноправлено контактному полю, таким образом поля складываются.
При повышении обратного напряжения диффузионный ток стремится к нулю, а ток дрейфа остаётся почти постоянным, т.к. определяется не основнями носителями. Под действием Еобр через p-n-переход протекает очень небольшой ток обратный Iобр=10^-6…10^-9. В случае обратного включения p-n-переход по свойствам схож с конденсатором, где роль диэлектрика играет область объеденённая с зарядами.
11) Резкое возрастание обратного тока, наступающее при незначительном увеличении обратного напряжение сверх определенного значения, называют пробоем перехода. Природа пробоя может быть различной он может быть электрическим при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым, при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника. Тепловой пробой р-n-перехода - пробой р-n-перехода, сопровождаемый разрушением кристаллической структуры полупроводника, возникает, когда мощность, выделяемая в р-n-переходе при протекании через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять р-n- переход. Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе (более 105 В/см). Наблюдаются два типа электрического пробоя. В полупроводниках с узким р-n-переходом (что обеспечивается высокой концентрацией примесей) возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии («туннелировать» через р-n-переход). Туннельный пробои наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В). В полупроводниках с широким р-n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n-перехода носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда «электрон – дырка» тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт. Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в р-n- переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять р-n-переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой р-n-перехода.
12) контакт металл-полупроводник
Аме<Ап.п. (n-тип)
В этом случае электроны из Ме начинают переходить в п.п. Приконтактный слой п.п. становится обогащённым и имеет малое сопротивление при любой полярности внешнего поля. Такой контакт называется омическим (не выпрямляющим)
Аме>Aп.п (р-тип)
Аме>Aп.п. (n-тип)
Обладает выпрямляющей способностью, создаётся область с высоким сопротивлением, это переход шоттки. Создают диоды шоттки, там есть накапливаение зарядов. Они работают на СВЧ, у диодов шоткинет обратных токов. Диод Шоттки – это полупроподниковый диод, выполненный на основе контакта металл-полупроводник. Вместо p-n-перехода в диодах шоттки используют в качестве барьера переход матеалл-полупроводник, при изготовлении на очищенную поверхность полупроводникового кристала наносят тонкий слой металла, в области этого перехода возникает потенциальный барьер, барьер Шоттки, изменение высоты которого под действием внешнего напряжения приводит к изменению тока через прибор. Особенности устройства диода шоттки определяют его свойства, а значит и использование. Наиболее важными характеристиками диодов шоттки являетя низкое прямое падение напряжения фактическое отсутствие заряда обратного восстановления.
Кроме тог, ток через контакт металл-полупроводник, в отличии от тока в электронно-дырочном переходе, обусловлен только основными носителями заряда – электронами. По этой причине диоды на основе барьера шоттки являются быстродействующими приборами, они служат главным образом СВЧ диодами различного назначения. Прочие отличия диодов шотки от полупроводниковых диодов, это возможность получать требуемую высоту потенциального барьера, по средствам выбора соответствующего металла, низкий уровень высокочистотных шумов, что делает их наиболее предпочтительными для применения в импульсных блоках питания, также они применяются в конверторах, мощных выпрямителях на высоких скоростях переключения, в том числе диоды шоттки применяют в качестве приёмников излучения, модуляторов света, их используют также в солнечных батареях. Среди недостатков этих диодов стоит отметить чувствительность к обратным значениям тока и напряжения, в следствии чего при повышении допустимых значений диод перегревается и выходит из строя. Температурный диапазон зависит от корпуса и составляет примерно от – 50 до +150С. Допустимое обратное напряжение промышленно выпускаемых диодов шотки ограничено 250В.
13) Полупроводниковый диод прибор, обладающий способностью хорошо пропускать через себя электрический ток одного направления и плохо ток противоположного направления. Это свойство диода используют в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный. Полупроводниковый диод представляет собой полупроводниковую пластинку с двумя областями разной проводимости: электронной (n-типа) и дырочной (р-типа). Между ними — разделяющая граница, называемая р-n переходом.Область n-типа называют отрицательным электродом, а область р-типа — положительным электродом полупроводникового диода. Диод хорошо пропускает ток, когда его отрицательный электрод соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (батареи), а положительный с положительным полюсом, т. е. когда на диод подается напряжение прямой полярности, или прямое напряжение. В этом случае электроны в n-области полупроводниковой пластинки будут двигаться к положительному полюсу батареи, т. е. к границе с р-областью, в то же время «дырки» в р-области будут двигаться к отрицательному полюсу батареи и, следовательно, к границе с p-областью. В результате вблизи р-п перехода произойдет накопление положительных и отрицательных зарядов, и поэтому сопротивление перехода уменьшится. При напряжении противоположной (обратной) полярности, когда положительный полюс батареи соединен с n-областью, а отрицательный с р-областью, электроны в n-области и «дырки» в р-области движутся от границы р-n перехода. Вследствие этого происходит уменьшение положительных и отрицательных зарядов вблизи р-n перехода, и его сопротивление увеличивается. Это и означает, что при переменном напряжении ток через диод в одном направлении будет большей силы, чем в другом, т. е. в нагрузке появится практически ток одного направления — произойдет выпрямление переменного тока.Наряду с выпрямительными свойствами р-n переход обладает емкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении емкость диода больше, чем при обратном.
Выпрямительные устройства используются для преобразования переменного напряжения в постоянное. Выпрямительное устройство обычно состоит из трансформатора, полупроводниковых диодов, осуществляющих выпрямление переменного напряжения, и сглаживающего фильтра, уменьшающего пульсацию выпрямленного напряжения. Для работы выпрямителей принципиальное значение имеет характер фильтра, включенного на выходе выпрямителя. Выпрямители, нагруженные на фильтр в виде конденсатора, используются в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей. Трансформаторы этих выпрямителей должны иметь большую мощность, чем выпрямители с индуктивным фильтром. К недостаткам выпрямителей с емкостным фильтром относятся большая амплитуда тока через выпрямительный диод в момент включения источника. Выпрямители с индуктивным фильтром применяются в широком диапазоне выпрямленных напряжений при мощностях от десятков ватт до нескольких киловатт и при токах свыше 1 А. Такие выпрямители имеют меньшее внутреннее сопротивление по сравнению с выпрямителями с емкостным фильтром, что уменьшает зависимость выпрямленного напряжения от тока нагрузки. Применение индуктивного фильтра ограничивает импульс тока через диод. Недостатком выпрямителей с таким фильтром являются перенапряжения, возникающие на выходной емкости и на дросселе фильтра при включении выпрямителя и при скачкообразных изменениях тока нагрузки, что представляет опасность для элементов самого выпрямителя и его нагрузки. Выпрямители без сглаживающего фильтра применяются сравнительно редко и в тех случаях, когда пульсации напряжения на нагрузке не имеют существенного значения. Сглаживающий фильтр также часто отсутствует в многофазных выпрямителях, имеющих малую пульсацию выпрямленного напряжения. Выбор схемы выпрямителя зависит от ряда факторов, которые должны учитываться в зависимости от требований, предъявляемых к выпрямительному устройству. К ним относятся: выпрямленное напряжение и мощность, частота пульсации выпрямленного напряжения, число диодов, обратное напряжение на диоде, коэффициент использования мощности трансформатора, напряжение вторичной обмотки. Повышение частоты пульсации позволяет уменьшить размеры сглаживающего фильтра.
Однополупериодный выпрямитель.
U2 - Напряжение на вторичной обмотке трансформатора. Uн – Напряжение на нагрузке. Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора. Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали. Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления.
Двухполупериодный выпрямитель.
При положительной полуволне ток идёт через первый диод и Rн. При отрицательной полуволне ток идёт через второй диод и Rн. Плюсы: в 2 раза больше напряжение постоянной направляющей, в 2 раза выше частота пульсации. Минусы: больше затрат материала, более грамостка, наличие потерь.
Мостовая схема.
При положительной полуволне ток проходит через 1,3 и Rн. При отрицательной полуволне ток проходит через 2,4 и Rн. Плюсы: высокий КПД. Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад. Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной. Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение коэффициента пульсаций на выходе фильтра (Крвых) к коэффициенту пульсаций на его входе (Крвх): Кс = Крвых/Крвх. Фильтры бывают: низких частот, высоких частот, полосовой фильтр, полосозаграждающий фильтр.
14) Ёмкость, p-n-переход можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной. Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n-перехода.
Варикапом называется полупроводниковый нелинейный управляемый конденсатор, сконструированный таким образом, чтобы потери в. диапазоне рабочих частот были минимальными.Изменяя напряжение на варикапе, подключенном к колебательному контуру, можно обеспечить дистанционное и безынерционное управление резонансной частотой контура. Нелинейность емкости р-п перехода позволила создать новые типы радиотехнических устройств: параметрические усилители, схемы умножения и деления частоты и др. Применение: подстройка частоты колебательных контуров.
15) Стабилитрон – это полупроводниковый прибор с двумя электродами, служащий для стабилизации напряжения. Он работает при обратном смещении, а его работа основана на явлении электрического пробоя. ВАХ стабилитрона
При скачке напряжения питания, стабилитрон открывается и ток через него резко увеличивается, увеличивается и падение напряжения на нём.
Простейшим стабилизатором напряжения является стабилизатор на кремниевом стабилитроне
Для нормальной работы такого стабилизатора необходимо, чтобы ток Iст, протекающий через стабилитрон, не был меньше, чем Iст.мин, и больше, чем Iст.макс. При изменении тока, протекающего через стабилитрон в этих пределах, на нем и на подключенной параллельно ему нагрузке Rн напряжение, называемое напряжением стабилизации Uст стабилитрона, будет оставаться постоянным. Если напряжение Uвх, поступающее на вход стабилизатора, в процессе работы может изменяться от некоторого наименьшего значения Uвх.мин до наибольшего Uвх.макс, то при неизменном напряжении на стабилитроне все изменения входного напряжения должны гаситься на резисторе R1. Поэтому резистор R1 называют гасящим, или балластным. Чтобы при этом изменения тока, протекающего через стабилитрон, не выходили за пределы, ограниченные значениями Iст.мин и Iст.макс, нужно правильно рассчитать сопротивление этого резистора.Отношение относительного изменения напряжения на входе стабилизатора (ΔUвх/Uвх) к относительному изменению напряжения на его выходе (ΔUвых/Uвых) называют коэффициентом стабилизации (Кст).
16) Фотодиод – полупроводниковый диод, обладающий свойством односторонней фотопроводимости при воздействии на него оптического излучения. Фотодиод представляет собой полупроводниковый кристал, обычно с электронно-дфрочным переходом (п-н переходом), снабжённый 2-мя металлическими выводами. Различают 2 режима работы фотодиода: фотожоидный – когда во внешней цепи фотодиода содержится источник постоянного тока создающий на p-n-переходе обратное смещение, и вентельный – когда такой источник отсутствует. В фотодиодном режиме, фотодиод, как и фоторезистор, используют для управления электрическим током в цепи фотодиода в соответствии с изменением интенсивности падающего излучения. Фототок в фотодиоде в широких пределах линейно завист от интенсивности падающего излучения, и практически не зависит от напряжения смещения. В веньтельном режиме фотодиод, как и полупроводниковый фотоэлемент, изспользует в качестве генератора фото ЭДС. Основные параметры фотодиода: порог чувствительности, уровень шумов, область спектральной чувствительности от 0,3-15 микрометров, энерционность, время становления фототока.
17) Светодиод -полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход. Достоинства: не имеют никаких стеклянных колб и нитей накаливания, что обеспечивает высокую механическую прочность и надежность, отсутствие разогрева и высоких напряжений гарантирует высокий уровень электро- и пожаробезопасности, безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда требуется высокое быстродействие, миниатюрность, долгий срок службы, высокий КПД, относительно низкие напряжения питания и потребляемые токи, низкое энергопотребление, большое количество различных цветов свечения, направленность излучения, регулируемая интенсивность.Недостатки:относительно высокая стоимость, малый световой поток от одного элемента, ухудшение параметров светодиодов со временем, повышенные требования к питающему источнику. У светодиодов есть несколько основных параметров: тип корпуса, типовой (рабочий) ток, падение (рабочее) напряжения, цвет свечения (длина волны, нм), угол рассеивания.В основном под типом корпуса понимают диаметр и цвет колбы (линзы). Как известно, светодиод - полупроводниковый прибор, который необходимо запитать током. Так ток, которым следует запитать тот или иной светодиод называется типовым. При этом на светодиоде падает определенное напряжение. Цвет излучения определяется как используемыми полупроводниковыми материалами, так и легирующими примесями. Важнейшими элементами, используемыми в светодиодах, являются: Алюминий (Al), Галлий (Ga), Индий (In), Фосфор (P), вызывающие свечение в диапазоне от красного до жёлтого цвета. Индий (In), Галлий (Ga), Азот (N) используют для получения голубого и зелёного свечений. Кроме того, если к кристаллу, вызывающему голубое (синее) свечение, добавить люминофор, то получим белый цвет светодиода. Угол излучения также определяется производственными характеристиками материалов, а также колбой (линзой) светодиода. Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод (минус), а другой - анод (плюс). Светодиод будет гореть только при прямом включении. При обратном включении светодиод "гореть" не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения. При обратном включении светодиод "гореть" не будет. Более того, возможен выход из строя светодиода при малых допустимых значениях обратного напряжения. Что бы правильно подключить светодиод в самом простом случае необходимо подключить его через токоограничивающий резистор.
Оптопара(оптрон) - электронный прибор состоящий из излучателя света (обычно излучающий диод) и фотоприёмника, связанных оптическим каналом и объеденённых в общем корпусе. Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передачи по оптическому каналу, и преобразованием обратно в электрический сигнал. Оптроны можно разделить по типу приёмника: с фоторезистором, с фотодиодом, с биполярным (обычным или составным) фототранзистором, с полевым фототранзистором, с фототерристором. Оптроны с открытым оптическим каналом, доступным для механического воздействия, используются как датчики в детекторах наличия, датчиках конца или начала, счётчиков и дискретных спидометрах на их базе. Оптроны используются для гальванической развязки цепей, передачи сигнала без передачи напряжения, для без контактного управления и защиты. Достоинства этих приборов базируется на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фатонов для переноса информации. Основные из них следующие: возможность обеспечения идеальной электрической и гальванической развязки между входом и выходом, возможность реализации безконтактного оптического управления электронными объектами, однонаправленность распространения информации по оптическому каналу, отсутствие обратной реакции приёмника на излучатель, широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие ограничения со стороны низких частот, возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала так и постоянной состовляющей, возможность управления выходнм сигналом оптрона путём воздействия (в том числе и не электрического) на материал оптического канала.
18) Биполярный транзистор - электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, предназначенный для усиления, преобразования и генерации электрических сигналов. Устройство плоскостного биполярного транзистора показано на рисунке.
Вся конструкция выполняется на пластине кремния, либо германия, либо другого полупроводника, в которой созданы три области с различными типами электропроводности. На рисунке транзистор типа n-p-n, у которого средняя область с дырочной, а крайние с электронной электропроводностью. Средняя область называется базой, одна из крайних областей - эмиттером, другая - коллектором. Соответственно в транзисторе два p-n-перехода: эмиттерный - между базой и эмиттером и коллекторный - между базой и коллектором. Область базы должна быть очень тонкой, гораздо тоньше эмиттерной и коллекторной областей (на рисунке это показано непропорционально). От этого зависит условие хорошей работы транзистора. Транзистор работает в трех режимах в зависимости от напряжения на его переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное. В режиме отсечки на оба перехода подано обратное напряжение. Если на эти переходы подать прямое напряжение, то транзистор будет работать в режиме насыщения. Возьмем транзистор типа n-p-n в режиме без нагрузки, когда подключены только два источника постоянных питающих напряжений E1 и E2. На эмиттерном переходе напряжение прямое, на коллекторном - обратное (рис. 2). Соответственно, сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока достаточно напряжения E1 в десятые доли вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение E2 составляет обычно десятки вольт.
Соответственно, как и раньше, темные маленькие кружки со стрелками - электроны, красные - дырки, большие кружки - положительно и отрицательно заряженные атомы доноров и акцепторов. Вольт-амперная характеристика эмиттерного перехода представляет собой характеристику полупроводникового диода при прямом токе, а вольт-амперная характеристика коллекторного перехода подобна ВАХ диода при обратном токе. Принцип работы транзистора заключается в следующем. Прямое напряжение эмиттерного перехода uб-э влияет на токи эмиттера и коллектора и чем оно выше, тем эти токи больше. Изменения тока коллектора при этом лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Получается, что напряжение на переходе база-эмиттер, т. е. входное напряжение, управляет током коллектора. На этом явлении основано усление электрических колебаний с помощью транзистора. Рассмотрим физические процессы. При увеличении прямого входного напряжения uб-э понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и, соответственно, возрастает ток через этот переход iэ. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая ток коллектора. Поскольку коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные заряды (на рисунке большие кружки). Между ними возникает электрическое поле, которое способствует продвижению (экстракции) через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивают электроны в область коллекторного перехода. Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невилика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этого возникает ток базы. Ток база является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы он был как можно меньше. Именно поэтому базовую область делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками и, повторюсь, ток базы будет незначительным. Когда к эмиттерному переходу не приложено напряжение, можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда область коллекторного перехода имеет значительное сопротивление постоянному току, поскольку основные носители зарядов удаляются от этого перехода и по обе границы создаются области, обедненные этими носителями. Через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей. Если же под действием входного напряжения возникает значительный ток эмиттера, то в базу со стороны эмиттера инжектируются электроны, для данной области являющиеся неосновными носителями. Они доходят до коллекторного перехода не успевая рекомбинировать с дырками при прохождении через базу. Чем больше ток эмиттера, тем больше электронов приходит к коллектору, тем меньше становится его сопротивление, следовательно, ток коллектора увеличивается. Аналогичные явления происходят в транзисторе типа p-n-p, надо только местами поменять электроны и дырки, а также полярность источников E1 и E2. Помимо рассмотренных процессов существует еще ряд явлений. При повышении напряжения на коллекторном переходе в нем происходит лавинное размножение заряда, обусловленное в основном ударной ионизацией. Это явление и туннельный эффект могут вызвать электрический пробой, который при возрастании тока может перейти в тепловой пробой. Все происходит также, как у диодов, но в транзисторе при чрезмерном коллекторном токе тепловой пробой может наступить без предварительного электрического пробоя, т. е. тепловой пробой может наступить без повышения коллекторного напряжения до пробивного. При изменении напряжений на коллекторном и эмиттерном переходах изменяется их толщина, в результате чего изменяется толщина базы. Это явление называется модуляцией толщины базы. Особенно важно учитывать напряжение коллектор-база, поскольку при этом толщина коллектора возрастает, толщина базы уменьшается. При очень тонкой базе может возникнуть эффект смыкания (так называемый "прокол" базы) - соединение коллекторного перехода с эмиттерным. При этом область базы исчезает и транзистор перестает нормально работать. При увеличении инжекции носителей из эмиттера в базу происходит накопление неосновных носителей заряда в базе, т. е. увеличение концентрации и суммарного заряда этих носителей. А вот при уменьшении инжекции происходит уменьшение концентрации и суммарного заряда этих самых носителей в базе и сей процесс обозвали рассасыванием неосновных носителей зарядов в базе. И на последок одно правило: при эксплуатации транзисторов запрещается разрывать цепь базы, если не включено питание цепи коллектора. Надо также включать питание цепи базы, а потом цепи коллектора, но не наоборот.
19) математическая модель транзистора. Общая эквивалентная схема транзистора, используемая при получении математической модели, показана на рисунке. Каждый p-n-переход представлен в виде диода, а их взаимодействие отражено генераторами токов. Если эмиттерный p-n-переход открыт, то в цепи коллектора будет протекать ток, несколько меньший эмиттерного (из-за процесса рекомбинации в базе). Он обеспечивается генератором тока . Индекс N означает нормальное включение. Так как в общем случае возможно и инверсное включение транзистора, при котором коллекторный p-n-переход открыт, а эмиттерный смещен в обратном направлении и прямому коллекторному току соответствует эмиттерный ток , в эквивалентную схему введен второй генератор тока , где - коэффициент передачи коллекторного тока.Таким образом, токи эмиттера и коллектора в общем случае содержат две составляющие: инжектируемую ( или ) и собираемую ( или ): Эмиттерный и коллекторный p-n -переходы транзистора аналогичны p-n -переходу диода. При раздельном подключении напряжения к каждому переходу их вольтамперная характеристика определяется так же, как и в случае диода. Однако если к одному из p-n -переходов приложить напряжение, а выводы другого p-n -перехода замкнуть между собой накоротко, то ток, протекающий через p-n -переход, к которому приложено напряжение, увеличится из-за изменения распределения неосновных носителей заряда в базе. Тогда:
где - тепловой ток эмиттерного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и коллектора; - тепловой ток коллекторного p-n -перехода, измеренный при замкнутых накоротко выводах базы и эмиттера.
20) МАЛОСИГНАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА При малых сигналах биполярный транзистор можно представить в виде четырехполюсника. В системе h-параметров независимыми переменными принимаются I1 и U2,
ф зависимыми – U1 и I2: U1 = h11I1 + h12U2 а I2 = h21I1 + h22U2. Физический смысл h-параметров: h11- входное сопротивление при постоянном выходном напряжении; h12 - коэффициент обратной связи по напряжению, безразмерная величина. h21 - коэффициент усиления по току, безразмерная величина. h22 - выходная проводимость, измеряется в Сименсах(См).
21) усилительный каскад с общим эмитором. Схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером является наиболее распространенной схемой усилительного каскада. При данном включении транзистора эмиттер является общей точкой входа и выхода каскада. Входным током является ток базы, входным напряжением - напряжение база-эмиттер, выходным током - ток коллектора, выходным напряжением - напряжение коллектор-эмиттер. Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд или действующих значений выходного и входного переменного тока, то есть переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действующих значений выходного и входного переменного напряжения и имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиления каскада по мощности получается равным сотням, тысячам, или даже десяткам тысяч. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало - от 100 до 1000 Ом. С увеличением сопротивления нагрузки входное сопротивление уменьшается. Каскад по схеме с общим эмиттером при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выходным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°. Итак, достоинствами схемы с общим эмиттером являются: большой коэффициент усиления по току и большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление. Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Однако за счёт преимуществ схема с общим эмиттером применяется наиболее часто. Каскад с общим эмиттером (ОЭ) является одним из самых распространенных усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Он получил такое название потому, что эмиттер транзистора является общим электродом для входной и для выходной цепей каскада.
Назначение элементов каскада. Резисторы R1 и R2 задают потенциал базы в режиме покоя каскада (в отсутствие сигнала) и, следовательно, участвуют в задании положения точки покоя на линии нагрузки. Резистор R3 задает, совместно с источником питания, положение линии нагрузки, служит для выделения выходного сигнала и одновременно определяет коэффициент усиления каскада. Например, на средних частотах:
h11э – входное сопротивление транзистора; h21э – коэффициент передачи тока транзистора. Резистор R4 в цепи эмиттера предназначен для термостабилизации режима работы каскада. При повышении температуры транзистора увеличивается ток коллектора за счет возрастания числа неосновных носителей заряда в полупроводнике. Это вызывает смещение точки покоя на линии нагрузки, что может вызвать нарушение нормальной работы усилительного каскада. Термостабилизация происходит следующим образом. Например, при увеличении температуры увеличивается ток покоя коллектора IК0. Это ведет к увеличению напряжения на резисторе R4 (UR4=R4IК0). Поскольку сопротивления R1 и R2 практически не зависят от температуры, напряжение между базой и корпусом Uб корп при изменении температуры не изменится. Тогда, согласно уравнению, записанному по 2-му закону Кирхгофа для контура R2, UБЭ, R4, напряжение база-эмиттер UБЭ уменьшится: что приведет к уменьшению тока покоя коллектора. Уменьшение тока покоя коллектора за счет действия резистора R4 не может полностью скомпенсировать его рост за счет повышения температуры, но влияние температуры на ток IК0 при этом во много раз снижается. Кроме обеспечения термостабилизации резистор R4 участвует совместно с базовым делителем, состоящим из сопротивлений R1 и R2, в создании начального смещения UБЭ между базой и эмиттером:
где IЭ0 – ток покоя эмиттера. Применение резистора R4 для термостабилизации ведет к уменьшению коэффициента усиления каскада из-за возникающей при этом отрицательной обратной связи. Для ослабления этой обратной связи параллельно резистору R4 включают конденсатор С3. Емкость конденсатора С3 выбирают такой, чтобы даже на самой нижней частоте полосы пропускания каскада его сопротивление было много меньше сопротивления R4. Конденсатор С1 разделяет по постоянному току источник сигнала и усилительный каскад. Конденсатор С2 разделяет по постоянному току усилительный каскад и нагрузку. Транзистор обеспечивает усиление сигнала. Источник питания ЕП обеспечивает энергию усиления сигнала. Каскад ОЭ инвертирует (поворачивает на 180°) фазу выходного сигнала относительно входного. Действительно, например, при нарастании напряжения входного сигнала uВХ увеличивается напряжение uБЭ. Это ведет к увеличению тока базы iБ и, следовательно, к увеличению тока коллектора. Увеличение тока коллектора ведет к уменьшению выходного напряжения (напряжения между коллектором и корпусом uК.К) uВЫХ=uК.К и, наоборот, уменьшение тока коллектора ведет к увеличению выходного напряжения: . Каскад с общим эмиттером усиливает и напряжение, и ток, поэтому у него самый большой по сравнению с другими каскадами коэффициент усиления мощности КР. Основными характеристиками усилительного каскада являются амплитудная характеристика (АХ), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ). Основными параметрами усилительного каскада являются входное и выходное сопротивления, динамический диапазон D (определяется по АХ), полоса пропускания сигнала Df (определяется по АЧХ), нижняя fН и верхняя fВ граничные частоты полосы пропускания.
22) усилительный каскад с общим коллектором. При включении в цепь транзистора с общим коллектором возникает наибольшее входное сопротивление, до сотен килоом, которое увеличивается при возрастании сопротивления нагрузки. Выходное сопротивление такого вида включения меньше, чем при других, принимает значение в пределах от десятых долей ома до тысячи и резко увеличивается при возрастании внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент усиления напряжения в случае включения транзистора с общим коллектором меньше единицы,коэффициент усиления тока немного больше, чем при включении с общим эмиттером, и сильно меняется при изменении режима работы, температуры и замене транзисторов. Выходной сигнал этой схемы совпадает по фазе с входным сигналом. Включение с общим коллектором применяется в каскадах предварительного усиления при условии необходимости большого входного сопротивления и малой входной емкости, а также в каскадах с большой выходной мощностью, с малым входным сопротивлением или малыми нелинейными искажениями.В силу того, что выход сопутствует току эмиттера, эту схему иногда называют эмиттерным повторителем. Каскады с общим коллектором (ОК) обычно применяются для согласования высокоомного источника сигнала и низкоомной нагрузки. В этом каскаде выходное напряжение снимается с резистора R3, включенного в цепь эмиттера.
По переменной составляющей тока и напряжения коллектор соединен с общей точкой усилителя. Входное напряжение подается между базой и коллектором. Резисторы R1 и R2 задают напряжение покоя базы, которое определяет положение точки покоя на линии нагрузки. Конденсатор С1 разделяет каскад и источник сигнала по постоянному току. Конденсатор С2 разделяет каскад и нагрузку по постоянному току. Каскад усиливает ток, а напряжение не усиливает. Коэффициент усиления тока:
Коэффициент усиления напряжения каскада:
Из-за того, что выходное напряжение практически равно входному напряжению, каскад с общим коллектором часто называют эмиттерным повторителем. Каскад имеет большое входное Rвх и малое выходное Rвых сопротивления из-за 100% последовательной по входу и параллельной по выходу отрицательной обратной связи. При большом сопротивлении базового делителя имеем:
24) Полевые транзисторы - это полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей, протекающим через проводящий канал и управляемым электрическим полем. Полевые транзисторы предназначены для усиления мощности и преобразования электрических колебаний. В полевых транзисторах в образовании выходного тока участвуют носители только одного типа: или дырки, или электроны. Отсюда другое название полевых транзисторов - униполярные. Носители заряда являются основными для активной области полевого транзистора, которую называют каналом. Существует два типа полевых транзисторов: с управляющим р-n-переходом и изолированным затвором. Транзисторы с управляющим p-n-переходом Рассмотрим упрощенную структуру и принцип действия транзистора с управляющим р-n-переходом (рисунок 3.16 а). Транзистор представляет собой пластину полупроводника n- или р-типа, на гранях которой созданы области противоположного типа электропроводности 3, на границах между вторыми образованы р-n-переходы. На торцевых сторонах пластины и нa областях формируют омические контакты. Контакты областей 3 соединены между собой и образуют общий контакт. От всех трех контактов имеются выводы. Часть объема пластины полупроводника, расположенная между p-n-переходами, является активной частью транзистора - канал транзистора Контакт, через который носители заряда входят в канал, называют истоком (И); контакт, через который носители заряда вытекают, называют стоком (С); общий электрод от контактов областей (3) - затвором. В дальнейшем будем рассматривать транзистор на основе пластины полупроводника n-типа с областями на гранях р-типа. На оба р-n-перехода подается обратное напряжение смещения. Если бы канал был р-типа, а области на гранях n-типа, то полярность была бы обратной. При изменении Uзи изменяются ширина р-n-перехода, а следовательно, и сечение канала и его электрическое сопротивление. Таким образом, Uзи управляет сопротивлением канала. Если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси так, чтобы потенциал стока был положительным относительно истока, то через канал начнется дрейф основных для канала носителей заряда (электронов) от истока к стоку, т.е. через канал будет проходить ток IС (направление тока от стока к истоку). Включение источника Uси влияет и на ширину p-n-перехода, так как напряжение на p-n-переходе оказывается разным около стока и истока. Потенциал канала меняется по его длине: потенциал истока равен нулю, повышаясь в сторону стока, потенциал стока ранен Uси. Напряжение смещения на р-n-переходе вблизи истока равно |Uзи|, вблизи стока |Uзи| + Ucи , т.е. ширина р-n-перехода больше со стороны стока, а сечение канала и, следовательно, сопротивление его наименьшие вблизи стока. Таким образом, током через канал можно управлять путем изменения напряжений Uзи (изменяет сечение канала) и Ucи (изменяет ток и сечение по длине канала).
25) Полевые транзисторы с изолированным затвором Транзисторы этого типа называют также МДП-транзисторами (металл –диэлектрик – полупроводник) или МОП-транзисторами (металл – окисел –полупроводник), если в качестве диэлектрика используют окисел, например, SiO2. Металлический электрод, обычно, наносят распылением в вакууме; это –затвор. МДП-транзисторы бывают двух типов: со встроенным каналом и с индуцированным каналом. МДП-транзистор со встроенным каналом. Его основусоставляет слабо насыщенная примесью пластина (подложка) полупроводника с электропроводностью n- или р-типа, в которой созданы две сильно насыщенные примесью области противоположного типа электропроводности. Эти области соединены между собой, т.е. в МДП- транзисторе со встроенным каналом, последний создается технологически.
На рисунках показаны схемы включения транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС), с общим затвором (ОЗ). Принцип работы МДП-транзистора со встроенным каналом рассмотрим на примере схемы с ОИ (рисунок 3.21 а). В полупроводнике у его поверхности в электрическом поле происходит обеднение или обогащение приповерхностного слоя носителями заряда, что зависит от направления электрического поля в канале транзистора. Это направление электрического поля определяется знаком потенциала на затворе относительно пластины. Если на затвор подан положительный потенциал, электрическое поле будет выталкивать дырки из канала, и канал обеднится основными носителями (дырками), а проводимость канала уменьшится.Если на затвор подан отрицательный потенциал, то дырки начнут втягиваться в канал и обогащать его основными носителями, проводимость канала увеличится. В первом случае транзистор работает в режиме обеднения, вO втором случае - в режиме обогащения. Если исток и сток подсоединить к источнику питания Uси, то начнется дрейф дырок через канал, т.е. через канал пройдет ток стока IС, значение которого зависит как от Ucи так и от Uзи. При прохождении тока в канале создается падение напряжения. Потенциал истока равен нулю, а потенциал стока равен Ucи. На границе пластины n-типа с областями р-типа и каналом р-типа образуется р-n-переход, который смещен в обратном направлении. Так как в МДП-транзисторах затвор изолирован от полупроводника пленкой диэлектрика, то эти транзисторы могут работать как при положительном, так и при отрицательном напряжении Uзи. Статические характеристики МДП-транзистора со встроенным каналом р-типа показаны на рисунке. Выходные (стоковые) - на рисунке а;переходные характеристики (стокозатворная) - на рисунке б; для режима обеднения - область I, обогащения - область II.
Полевые транзисторы с индуцированным каналом В МДП-транзисторах с индуцированным каналом канал не создается в процессе изготовления, а образуется под воздействием электрического поля.
Если к транзистору с ОИ подключить напряжение Uси, по цепи стока пойдет обратный ток р-n-перехода, значение которого очень мало. При подключении в цепь затвора напряжения Uзи так, чтобы потенциал затвора относительно истока и пластины был обязательно отрицательным (для транзистора на рисунке 3.23), под действием электрического поля под затвором приповерхностный слой пластины полупроводника обеднится. Если Uзи достигнет определенного значения, называемого пороговым Uпор, то слой полупроводника под затвором настолько обеднится, что произойдет его инверсия: образуется канал р-типа, который соединит обе области р-типа. Если Uси не равно 0, по каналу потечет ток стока. Изменяя напряжение на затворе, можно менять толщину и поперечное сечение канала и тем самым его сопротивление, а следовательно, и ток стока. На значение IС влияет также напряжение Ucи. При этом изменяется и форма канала. Семейство выходных статических характеристик (а) аналогично семейству выходных характеристик транзистора с управляющим p-n-переходом. Однако характеристика для Uзи =0 в этом случае отсутствует, так как канал индуцируется при Uзи>Uпор. Переходные характеристики (б) IС = f(Uзи) при Ucи=соnst. Они сдвинуты относительно нуля координат на Uпор.
Параметры МДП-транзисторов те же, что и у транзисторов с управляющим p-n-переходом. В качестве параметра используют также крутизнy характеристики по подложке:
МДП-транзисторы с индуцированным каналом используют чаще, чем транзисторы с встроенным каналом. Существенно то, что при отсутствии сигнала на входе они находятся в закрытом состоянии и не потребляют мощности от источника питания.
26) Тиристор – это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n – перехо- дами, имеющий на ВАХ участок с отрицательным сопротивлением S. Тиристор может находиться в двух состояниях – закрытом (когда на приборе падает большое напряжение и через него течет малый ток) и в открытом состоянии (малое напряжение и большой ток). Тиристоры используются, в основном, в схемах переключения. Рассмотрим двухэлектродный тиристор (динистор), представляющий собой четырехслойную структуру, содержащую три p-n-перехода
Переходы П1 и П3 включены в прямом направлении; их называют эмиттерными. Переход П2 коллекторный, он включен в обратном направлении. Таким образом, структура содержит две эмиттерные области (n и p - эмиттеры) и две базовые (n и p - базы). В такой структуре реализуется внутренняя положительная обратная связь, которая приводит к переключению.
Участок 1 вольтамперной характеристики, изображенной на рисунке, подобен обратной ветви ВАХ диода, т.к. большая часть приложенного к структуре внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, включенном в обратном направлении. С увеличением напряжения увеличивается и прямое напряжение на эмиттерных переходах П1 и П3.Электроны, инжектированные из n – эмиттера в p – базу, образуя в ней избыточный отрицательный заряд, понижающий потенциальный барьер для дырок перехода П3. Это вызывает увеличение инжекции дырок из p – эмиттера в n – базу, создавая в ней избыточный положительный заряд. Последнее обстоятельство увеличивает инжекцию электронов из n – эмиттера в p – базу и т.д. Так образуется положительная обратная связь. В результате накопления избыточного положительного заряда в p – базе и отрицательного в n – базе при некотором напряжении Uвкл коллекторный переход оказывается включенным в прямом направлении, происходит резкое увеличение тока и одновременно уменьшение падения напряжения на тиристоре (участок 2 на рисуноке). Для поддержания включенного (открытого) состояния необходим ток, поддерживающий избыточный заряд в базах. Если же ток понизить до значения Iвыкл., то в результате рекомбинации и рассасывания избыточных зарядов переход П2 вновь окажется включенном в обратном направлении и тиристор выключится (перейдет в закрытое состояние). Структура тиристора может быть представлена как два эквивалентных транзистора, соединенных между собой
27) Тринистор. Если из одной из баз организовать управляющий электрод (невыпрямляющий, омический контакт), получится трех электродный тиристор (тринистор), в котором возможно управление напряжением включения тиристора.
Если подать на управляющий электрод «у» напряжение такойполярности, что первый эмитерный переход будет включен в прямом направлении, то инжекция из эмиттера увеличиться, что приведет к уменьшению напряжения включения. Другими словами, меняя напряжение на управляющем электроде, можно изменять ток эмиттера, а, следовательно, и величину Uвкл.
28) Семистор. Разработаны тиристоры, имеющие одинаковые ВАХ при различной полярности приложенного напряжения. Это симметричные тиристоры – симисторы. ВАХ симистора показана на рисунке
Симистор состоит из пяти областей с чередующимся типом проводимости и содержит четыре p – n – перехода
Крайние переходы (1 и 4) зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих к этим переходам областей с проводимостью p – типа. Если подать «+» на области n1 и «–» на области n3, то переход 1 включен в обратном направлении и весь ток идет через базу p1. Переход 4 включен в прямом направлении. Значит, при выбранной полярности напряжения рабочая часть тиристора представляет p-n-n-p – структуру, в которой происходят те же процессы, что и в динисторе, т.е. переключение. При перемене полярности внешнего напряжения переход 4 включен в обратном направлении и зашунтирован базой р2, т.е. будем иметь n-p-n-p – структуру, т.е. тот же динистор. Таким образом, симистор – это два тиристора, включенных встречно и шунтирующих друг друга. Симистор можно сделать и управляющим, если у одной из областей р –типа сделать омический контакт с соответствующим управляющим выводом. Включение тиристора, как это следует из вышесказанного, можно производить: а) путем медленного увеличения анодного напряжения; б) путем подачи напряжения на управляющий электрод. Возможно также включение тиристора путем быстрого увеличения анодного напряжения. При этом через прибор будут протекать значительные емкостные токи, приводящие к уменьшению напряжения включения с ростом скорости изменения напряжения ∂U /∂t . Выключение тиристора произойдет только при рассасывании неравновесных носителей заряда в базах.Способы выключения: а) разрыв цепи анодного тока; б) изменение полярности анодного напряжения; в) с помощью тока управления.