Теория

носителей. Барьерная емкость зависит от площади перехода, от концентрации

примеси, от напряжения на переходе(

[pic]

где П ( площадь p-n-перехода (в зависимости от площади перехода барьерная

емкость может изменяться от единиц до сотен пикофарад); ( ( диэлектрическая

проницаемость полупроводникового материала; Nд ( концентрация примеси; U (

напряжение на переходе.

Значение барьерной емкости колеблется от десятков до сотен пФ. При

постоянном напряжении на переходе барьерная емкость определяется отношением

[pic], а при переменном [pic].

Особенностью барьерной емкости является то, что она изменяется при

изменении напряжения на переходе (рис. 1.2); изменение барьерной емкости

при изменении напряжения может достигать десятикратной величины, то есть

эта емкость нелинейна, и при увеличении обратного напряжения барьерная

емкость уменьшается, так как возрастает толщина запирающего слоя (площадь p-

n-перехода).

Рис. 1.2. Зависимость барьерной емкости от напряжения

В силовых полупроводниковых приборах площадь p-n-перехода делается

большой, поэтому у них велика величина барьерной емкости. Такие

полупроводниковые диоды называют плоскостными. Если такой прибор

использовать, например, для выпрямления переменного напряжения высокой

частоты в постоянное, то барьерная емкость, зашунтировав переход, нарушает

его одностороннюю проводимость, то есть переход теряет выпрямительные

свойства, поэтому частотный диапазон плоскостных диодов ограничивается

промышленными частотами. Но барьерная емкость может быть и полезной:

приборы с явно выраженными емкостными свойствами (варикапы) используются

для электронной перестройки контуров.

У точечных p-n-переходов площадь перехода мала, поэтому барьерная

емкость невелика и частотный диапазон гораздо шире, чем у плоскостных.

Диффузионная емкость отражает перераспределение носителей в базе(

[pic]

где ( ( время жизни носителей; Iпр ( прямой ток через диод.

Значение диффузионной емкости колеблется от сотен до тысяч пФ.

Диффузионная емкость также нелинейна и возрастает с увеличением прямого

напряжения. Образование этой емкости схематично можно представить следующим

образом. Эмиттером будем считать p-область, а базой n-область. Носители из

эмиттера инжектируются в базу. В базе вблизи перехода происходит скопление

дырок ( объемный положительный заряд, но в это время от источника прямого

напряжения в n-область поступают электроны, и в этой облаcти, ближе к

внешнему выводу, скапливается отрицательный объемный заряд. Таким образом,

в n-области наблюдается образование двух разноименных зарядов "+Qдиф" и

"(Qдиф". При постоянном напряжении эта емкость рассматривается как

отношение абсолютных значений заряда и контактной разности потенциалов

(прямого напряжения)(

[pic],

а при переменном

[pic].

Так как вольт(амперная характеристика перехода нелинейна, то с

увеличением внешнего напряжения прямой ток растет быстрее, чем прямое

напряжение на переходе, поэтому и заряд "Qдиф" растет быстрее, чем прямое

напряжение, и диффузионная емкость тоже увеличивается.

Диффузионная емкость является причиной инерционности полупроводниковых

приборов при работе в диапазоне высоких частот и в режиме ключа, так как

процесс накопления и особенно рассасывания объемного заряда требует затраты

определенного времени.

На рис. 1.3, а, б и рис. 1.4, а, б даны упрощенные эквивалентные схемы

полупроводникового перехода (простейшего диода) на низких и высоких

частотах.

[pic]

На низких частотах сопротивления диффузионной и барьерной емкостей

очень велики и не оказывают шунтирующего действия на переход, поэтому они

не подлежат учету.

[pic]

Рис. 1.3. Эквивалентные схемы перехода на низких частотах( а ( для

диффузионной емкости (Сдиф)( б ( для барьерной емкости (Сбар).

Сопротивление емкости в общем случае

[pic]

(1.7)

где rp-n ( сопротивление прямосмещенного p-n-перехода; rобр ( сопротивление

обратносмещенного p-n-перехода (rобл< rпр> XC, амплитудное значение тока

[pic]

(1.33)

то условием для определения критического значения индуктивности дросселя

будет

[pic]

из которого следует

[pic]

(1.34)

Примечание. С достаточной для практики точностью при питании

выпрямителя от сети с частотой 50 Гц значение критической индуктивности

дросселя можно принять равной

[pic]

(1.35)

Для лучшего сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе

выпрямителя применяют П-образные LC-фильтры.

1.5.6.3. П-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Такой фильтр (рис. 1.22) можно рассматривать как два фильтра:

1. Простой емкостный фильтр, состоящий из конденсатора С1.

[pic]

2. Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (из дросселя L и конденсатора

С2).

Рис. 1.15. П-образный индуктивно-емкостный LC-фильтр

Действующее значение напряжения пульсаций на выходе П-образного

фильтра

[pic], (1.36)

где [pic]( действующее значение напряжения пульсаций на входе фильтра

П(образного индуктивно-емкостного фильтра.

В источниках малой мощности для уменьшения размеров и массы фильтра

вместо дросселя применяют резистор. Резистивно-емкостные фильтры

рассчитывают и строят по тем же схемам, что и индуктивно-емкостные (Г- и П-

образные фильтры), но необходимо принять к сведению, что на RC-фильтрах

происходит значительное падение постоянного напряжения (до 20 %).

Теоретическое обобщение по выпрямителям, работающим на фильтры,

содержащие индуктивность

Г- и П-образные сглаживающие LC-фильтры позволяют получить пульсации

выходного напряжения гораздо меньшие, чем при простых индуктивных или

простых емкостных фильтрах. Если требования к сглаживанию пульсации

окажутся еще выше, то рекомендуется использование многозвенных фильтров

(рис. 1.17).

Рис. 1.17. Каскадное включение LC-фильтров

Коэффициент сглаживания таких фильтров определяется как произведение

коэффициентов сглаживания отдельных звеньев

[pic]

1.6. Туннельные диоды

Основные полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются

туннельные диоды, ( германий и арсенид галлия.

Рис. 1.18. Схемное изображение туннельного диода

Особенности туннельных диодов:

1. Высокая концентрация примесных атомов (1019–1021).

2. Вольт-амперная характеристика туннельного диода содержит участок с

отрицательным динамическим сопротивлением («аб» на рис. 1.28), что

позволило использовать его в усилителях и генераторах электрических

колебаний и в импульсных устройствах. При этом качество работы диода

определяет протяженность и крутизна падающего участка ВАХ.

3. У туннельного диода обратный ток достигает большой величины при

малом обратном напряжении.

4. Важное преимущество туннельного диода перед обычным заключается в

его очень высокой рабочей частоте. Это объясняется тем, что туннельный

переход электронов происходит почти мгновенно (за

время 10-13сек.). Частотные свойства туннельного диода на падающем участке

ВАХ определяются параметрами его схемы замещения (рис. 1.19, б).

[pic]

[pic]

Рис. 1.19. ВАХ туннельного диода и его эквивалентная схема( а (

вольтамперная характеристика диода; б ( схема замещения туннельного

диода

Активная составляющая полного сопротивления сохраняет отрицательный

знак вплоть до частоты

[pic],

где: fr ( это такая предельная резистивная (расчетная) частота, при

которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи,

состоящей из p-n-перехода и сопротивления потерь, превращается в нуль.

Принятые обозначения в схеме: rдиф ( дифференциальное сопротивление

туннельного диода; Сд и Lд ( емкость и индуктивность диода; Rп ( суммарное

сопротивление кристалла, контактных присоединений и выводов.

Усиление и генерирование колебаний возможно на частотах, не превышающих

fr.

5. Температурный диапазон у туннельных диодов значительно шире, чем у

обычных диодов: при туннельном переходе электрон не затрачивает тепловой

энергии, поэтому туннельный диод может работать при такой низкой

температуре, при которой обычные диоды и транзисторы перестают работать

(фактически туннельный диод способен работать при температурах вплоть до

(269 оС, но устойчивая работа диода гарантируется в диапазоне температур от

(60 оС до +150 оС),. Максимальная температура у туннельных диодов из

германия равна +200 оС, а из арсенида галлия (

до +400 оС.

6. Туннельные диоды не восприимчивы к высокой влажности, устойчивы к

ядерной радиации (допускается облучение плотностью 1014 (1016 нейтрон/см2).

7. У туннельного диода хорошие шумовые характеристики.

1.7. Опорные диоды (кремниевые стабилитроны)

Рис. 1.24. Схемное изображение опорного диода.

1.7.1. Краткие теоретические сведения

Опорными диодами называются полупроводниковые диоды, вольт-амперная

характеристика которых имеет участок со слабой зависимостью напряжения от

тока (Рис. 1.25). Название «опорных» они получили за счет способности

фиксировать уровни напряжений в схемах. В основу работы опорных диодов

положено явление холодной эмиссии и управляемый электрический пробой в p-n-

переходе. Концентрация примесных атомов в стабилитроне гораздо выше, чем в

обычных диодах, поэтому стабилитрон находится как бы в предпробойном

состоянии.

Рис. 1.25. ВАХ кремниевого стабилитрона

Назначение стабилитронов ( стабилизация напряжения; у современных

стабилитронов напряжение стабилизации доходит до нескольких сотен вольт, а

ток ( до десятков ампер, при этом дрейф напряжения может быть не

более 0,1 В.

Конструкция стабилитронов та же, что и у выпрямительных диодов; у тех и

у других выбор корпуса связан с мощностью рассеяния.

Ветвь характеристики прямосмещенного стабилитрона показывает, что он

способен стабилизировать напряжение и в таком состоянии, но уровень

стабилизируемого напряжения гораздо меньше, чем при обратносмещенном

состоянии диода.

Участок "аб" ( для стабилизации напряжения: большим изменениям тока (от

Iст.мин. до Iст.мах) соответствуют незначительные изменения напряжения

([pic]Uст).

Максимальный ток Iст.мах ограничивается допустимой мощностью рассеяния,

а минимальный (Iст.мин) соответствует началу устойчивого электрического

пробоя. При меньших значениях тока стабилитрона он может служить источником

шумов (используется в генераторах шумов).

В пределах "аб" сопротивление стабилитрона изменяется при изменении

тока через него, а напряжение при этом остается почти постоянным. После

точки "б" стабилитрон переходит в режим теплового пробоя, при этом в нем

идут необратимые процессы и структура диода разрушается. В режиме теплового

пробоя стабилитрон имеет участок на ВАХ с отрицательным динамическим

сопротивлением.

Схема включения стабилитрона приведена в задаче (рис. 1.26). Качество

стабилизации напряжения схемой стабилизатора оценивается коэффициентом

стабилизации Кст, который показывает во сколько раз относительные изменения

входного напряжения больше относительных изменений напряжения на выходе

[pic]

2. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

2.1. Общие сведения

Биполярный транзистор представляет собой сочетание чередующихся трех

областей (n-p-n или p-n-p) и двух p-n-переходов (рис. 2.1, рис. 2.2

соответственно).

Эмиттер ( область, сильно легированная носителями, из этой области

носители должны быть инжектированы в соседнюю область ( базу.

База ( область в поперечном сечении, гораздо меньшая, чем две другие и,

кроме того, очень слабо легированная носителями.

Коллектор ( область, куда должны быть втянуты носители из базы,

впрыснутые туда из эмиттера (явление экстракции). Коллектор легируется

носителями гораздо слабее, чем эмиттер.

Переход между базой и эмиттером называется эмиттерным (ЭП), а между

базой и коллектором ( коллекторным (КП). Каждый из переходов может быть

включен либо в прямом, либо в обратном направлении, то есть переходы

равноправны и режим работы транзистора будет зависеть от способа его

включения. В соответствии с этим различают четыре способа включения или

четыре режима работы транзистора.

[pic]

Рис. 2.1. Структура и схемное изображение транзистора n-p-n-типа

[pic]

Рис. 2.2. Структура и схемное изображение транзистора p-n-p-типа

2.2. Способы включения биполярного транзистора

1. Активный (или режим усиления, рис. 2.3, а) ( нормальное включение,

при котором на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на

коллекторный ( обратное. В активном режиме коэффициент передачи тока

эмиттера [pic]. В таком режиме работают линейные усилители.

2. Инверсный (рис. 2.3, б). На эмиттерный переход подается обратное

напряжение, а на коллекторный ( прямое. В этом режиме коэффициент передачи

тока коллектора заметно меньше коэффициента передачи тока эмиттера при

нормальном включении [pic]

3. Режим насыщения (рис. 2.3, в). На обоих переходах действуют прямые

напряжения, и таким образом транзистор работает в режиме двойной инжекции

(в базу поступают носители и из эмиттера, и из коллектора).

4. Режим отсечки (рис. 2.3, г). На обоих переходах действуют обратные

напряжения, транзистор заперт и через переходы текут лишь токи неосновных

носителей.

Рис. 2.3. Способы включения транзистора: а ( нормальное; б (

инверсное; в ( двойной инжекции; г ( отсечки

Режимы насыщения и отсечки используются в ключевом режиме.

Наиболее распространенным является активный режим (рис. 2.3, а), когда

на эмиттерный переход подается прямое, а на коллекторный ( обратное

напряжения. При этом через переходы текут примерно одинаковые токи, но

эмиттерный ток течет через прямосмещенный переход с малым сопротивлением и

под действием малого напряжения (доли вольта), а коллекторный ток ( через

обратносмещенный переход с большим сопротивлением и под действием большого

напряжения (десятки, сотни вольт). Этот факт и создает принципиальную

возможность использования транзистора в качестве усилителя электрических

колебаний (преобразователя мощности). Разделение электронных усилителей на

усилители напряжения, тока, мощности чисто условное и это связано с тем,

что в ряде случаев основными показателями служат не входная и выходная

мощности, а ток или напряжение на входе и выходе усилителя.

2.3. Схемы включения биполярных транзисторов

Существует три схемы включения биполярных транзисторов: с общей

базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Электрод,

который будет общим для входной и выходной цепей усилителя, определяет

название схемы включения транзистора.

В схеме включения транзистора с ОБ (рис. 2.4, а) входным током будет

ток эмиттера, а выходным ( ток коллектора, следовательно, усиления тока в

такой схеме не происходит. Передача тока эмиттера в цепь коллектора

оценивается статическим коэффициентом передачи тока эмиттера «(»(

[pic]

[pic]

[pic]

[pic] (( = 0,96(0,99).

(2.1)

Рис. 2.4. Схемы включения транзистора: а ( с ОБ; б ( с ОЭ; в ( с

ОК

Уже то, что транзистор при таком включении не дает усиления по току,

является показателем низкого входного сопротивления схемы с ОБ.

Схемы включения транзистора с ОЭ и с ОК (рис. 2.4, б, в) ( это схемы с

базовым управлением: выходной ток следует за всеми изменениями входного

базового тока. В схеме с ОЭ выходным током является ток коллектора, а в

схеме с ОК ( ток эмиттера. Во всех схемах включения (ОБ, ОЭ, ОК) источники

постоянного напряжения обеспечивают режимы работы транзисторов по

постоянному току , то есть необходимые начальные значения напряжений и

токов. При отсутствии на входе источников переменного сигнала режим, в

котором находится транзистор, принято называть режимом покоя, а токи и

напряжения ( параметрами покоя ( токи покоя, напряжения покоя).

Усилительные свойства транзистора по току в схемах с ОЭ и с ОК

оцениваются с помощью интегрального коэффициента передачи тока

базы ( (

[pic]

(2.2)

[pic] (2.3)

Таким образом, усиление по току у транзистора в схеме с ОК лучше, чем в

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7