WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
-- [ Страница 1 ] --

Министерство образования Российской Федерации Тамбовский государственный технический университет Е.Б. ВИНОКУРОВ ЭЛЕКТРОНИКА Учебное пособие Тамбов • Издательство ТГТУ • 2004 УДК 621.38(075)

ББК З 85 я 73 В 496 Рецензенты:

Доктор физико-математических наук, профессор ТГУ им. Г.Р. Державина В.А. Федоров Доктор технических наук, профессор ТГТУ Ю.Л. Муромцев Винокуров Е.Б.

В 496 Электроника: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2004, 80 с.

Настоящее пособие состоит из семи модулей, в которых рассматриваются устройство и принцип действия наиболее распространенных полупроводниковых приборов (полупроводни ковых резисторов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров), а также основных типов электровакуумных и газоразрядных приборов.

Пособие посвящено изучению основ электроники и предназначено для обучающихся в сис теме начального профессионального образования по профессиям «Монтажник радиоэлектрон ной аппаратуры и приборов» и «Радиомеханик».

УДК 621.38(075) ББК З 85 я ISBN 5-8265-0275- © Винокуров Е.Б, © Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), Е.Б. ВИНОКУРОВ ЭЛЕКТРОНИКА Учебное издание ВИНОКУРОВ Евгений Борисович ЭЛЕКТРОНИКА Учебное пособие Редактор Е.С. Мордасова Компьютерное макетирование И.В. Евсеевой Подписано к печати 16.03. Гарнитура Тimes New Roman. Формат 60 84/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Объем: 4,65 усл. печ. л.;

4,5 уч.-изд. л.

Тираж 100 экз. С. 218М Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. ВВЕДЕНИЕ Электроника – важнейшая отрасль науки и техники, изучающая взаимодействие заряженных час тиц, в первую очередь электронов, с электромагнитными полями, а также методы разработки вакуум ных, газоразрядных и полупроводниковых электронных приборов, используемых, в основном, для ге нерации и усиления сигналов, передачи, обработки и хранения информации. Началом возникновения электроники можно считать изобретение в 1904 г. электровакуумного диода.

За 100 лет своего существования, пройдя несколько этапов революционных преобразований, она стала отраслью знаний, определяющей уровень развития цивилизации. Достижения современной электроники сделали ее неотъемлемой частью жизни современного человека. Поэтому подготовка специалистов всех уровней по разработке, производству, обслуживанию и ремонту радиоэлектронного оборудования явля ется важной задачей современного профессионального образования.

Предлагаемое учебное пособие предназначено для изучения основ электроники на первой ступени обучения образовательного комплекса «профессиональный лицей – техникум – технический вуз» при подготовке квалифицированных рабочих по профессиям радиотехнического профиля.

Оно состоит из семи модулей, не равнозначных по объему и уровню представления материала. В модуле 1 формируется начальное представление об основных электрофизических свойствах полупро водников и более подробно излагается принцип действия и методы описания наиболее простых полу проводниковых приборов – нелинейных резисторов.

Модули 2, 3 и 4, в которых рассматриваются полупроводниковые приборы, являющиеся элемент ной базой многих радиоэлектронных устройств и основой изделий микроэлектроники, содержат мате риал на уровне второй (среднетехнической) ступени обучения.

Модули 5 и 7, в силу ряда причин, оговоренных в пособии, носят конспективный характер. Модуль 6 следует рассматривать как основу для дальнейшего подробного изучения электронно-лучевых прибо ров отображения графической информации, применяющихся в современной радиотелевизионной аппа ратуре и вычислительной технике.

В конце каждого модуля приводятся вопросы, позволяющие обучающимся провести самоконтроль усвоения полученных знаний.

Модуль 1 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЗИСТОРЫ 1.1 Строение твердых тел Все твердые тела, встречающиеся в природе, делятся на кристаллические и аморфные. В кристал лических телах слагающие их атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке, обра зуя симметричные кристаллы. В отличие от кристаллов, аморфные тела не имеют упорядоченной и многократно повторяемой структуры – атомы в них располагаются достаточно произвольно.

В радиоэлектронных приборах, выполненных на основе твердых тел, в настоящее время преимуще ственно используются кристаллы.

По способу связи между атомами, составляющими кристалл, принято различать ионные, металли ческие, ковалентные и молекулярные кристаллы.

При образовании кристаллов с ионной связью, являющихся, как правило, солями, происходит иони зация ранее нейтральных атомов путем обмена валентными электронами. Вследствие этого кристалл состоит из положительных и отрицательных ионов, располагающихся таким образом, что электростати ческое притяжение разноименных ионов преобладает над отталкиванием одноименных. В отсутствие примесей в ионных кристаллах нет свободных носителей заряда, поэтому данный класс веществ отно сится к диэлектрикам.

ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ ПРОИСХОДИТ ОТТОРЖЕНИЕ И ОБОБЩЕСТВ ЛЕНИЕ ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ У ВСЕХ АТОМОВ. В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТОГО КРИСТАЛЛ МЕТАЛЛА ОКАЗЫВАЕТСЯ СОСТОЯЩИМ ИЗ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И СООТВЕТ СТВУЮЩЕГО ЧИСЛА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, ХАОТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ КРИСТАЛЛА. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ВЕСЬМА ПРОЧНА, ТАК КАК КАЖДЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ИОН ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ СО МНОГИМИ ЭЛЕКТРО НАМИ, А СИЛЫ ВЗАИМНОГО ОТТАЛКИВАНИЯ ИОНОВ НЕ ПОЗВОЛЯЮТ ИМ СБЛИ ЖАТЬСЯ. БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПРИВОДИТ К ТОМУ, ЧТО МЕТАЛЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ ХОРОШИМИ ПРОВОДНИКАМИ.

При ковалентной связи между атомами кристалла обмена валентными электронами не происходит.

Однако при сближении атомов образуются пары общих электронов, принадлежащие одновременно обоим атомам. Возникающие при этом силы притяжения достаточно велики, чтобы образовался проч ный кристалл, например, кристалл алмаза, кремния, германия и другие, при этом при определенных ус ловиях в них могут возникать свободные носители заряда.

В кристаллах многих органических веществ имеется молекулярная связь, обусловленная слабыми электрическими силами, называемыми силами Ван-дер-Ваальса. Они вызываются несимметричностью электронных оболочек атомов.

Идеальных кристаллов практически не встречается;

в каждом из них имеется несколько типов связей, одна из которых преобладает.

В электротехнике и радиоэлектронике последний тип кристаллов не нашел практического примене ния, все остальные, напротив, применяются очень широко. Начало практического использования полу проводниковых материалов относится к двадцатым годам ХХ века. Но революционные преобразования в радиоэлектронике и начало твердотельной электроники связывают с изобретением в 1948 г. полупро водникового усилительного прибора – транзистора (У. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардин).

1.2 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ Полупроводниками называют широкий класс веществ, занимающих промежуточное положение между металлами и диэлектриками по ряду электрофизических свойств. Наиболее ярко черты сходства и отличия металлов и полупроводников проявляются при сравнении их удельного сопротивления.

Удельное сопротивление металлов Ме в некотором интервале температур, находящемся между Т = 0 и Т = Тплавл, практически линейно и достаточно медленно увеличивается с ростом температуры;

эта зави симость описывается следующим математическим выражением:

Ме = Ме0(1 + t), где Ме0 – удельное сопротивление при t = 20 °С, – температурный коэффициент сопротивления, t – температура по шкале Цельсия.

Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является уменьшение удельного сопротивления с ростом температуры, как правило, экспоненциально в широком интервале температур:

п/п = п/п0 exp (Ea / kT).

Здесь Ea – так называемая энергия активации проводимости, п/п0 – коэффициент, также зависящий от температуры, но гораздо слабее, чем exp(Ea / kT). Приведенная формула означает, что электроны в полупроводниках связаны с атомами, с энергией связи порядка Ea. С повышением температуры тепло вое движение начинает разрывать связи электронов и часть их, пропорциональная exp (Ea / kT), стано вится свободными носителями заряда.

На рис. 1 а, б приведена качественная зависимость удельного сопротивления металлов и полупроводников от температуры. Столь резкое различие в температурной зависимости удель ного сопротивления объясняется различным характером связей в кристаллах металлов и полу проводников.

п/п Ме Т а) б) Рис. 1 Графики температурной зависимости удельного СОПРОТИВЛЕНИЯ ДЛЯ МЕТАЛЛОВ И ПОЛУПРОВОДНИКОВ ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ ПРОИСХОДИТ ОТТОРЖЕНИЕ И ОБОБЩЕСТВ ЛЕНИЕ ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ У ВСЕХ АТОМОВ. В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТОГО КРИСТАЛЛ МЕТАЛЛА ОКАЗЫВАЕТСЯ СОСТОЯЩИМ ИЗ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И СООТВЕТ СТВУЮЩЕГО ЧИСЛА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, ХАОТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ КРИСТАЛЛА. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ВЕСЬМА ПРОЧНА, ТАК КАК КАЖДЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ИОН ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ СО МНОГИМИ ЭЛЕКТРО НАМИ, А СИЛЫ ВЗАИМНОГО ОТТАЛКИВАНИЯ ИОНОВ НЕ ПОЗВОЛЯЮТ ИМ СБЛИ ЖАТЬСЯ. БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПРИВОДИТ К ТОМУ, ЧТО МЕТАЛЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ ХОРОШИМИ ПРОВОДНИКАМИ.

Кристаллы полупроводников образованы ковалентной связью, при которой при сближении атомов образуются пары общих электронов, принадлежащие одновременно обоим атомам. Возникающие при этом силы притяжения достаточно велики, чтобы образовался прочный кристалл, например, кристалл алмаза, кремния, германия и т.д., при этом при определенных условиях ковалентная связь может быть разорвана, что приведет к возникновению свободных носителей заряда.

Разрыв ковалентной связи в кристаллах полупроводников в первую очередь обусловлен тепловым движением, но может происходить под действием других внешних воздействий: электромагнитного излучения, потока быстрых частиц, сильного электрического поля и т.д. Поэтому для полупроводников характерна высокая чувствительность электропроводности к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах, поскольку во многих случаях энергия Eа для электронов, локализованных вблизи примесей или дефектов, существенно меньше, чем в идеальном кристалле данного полупроводника.

Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников явля ется основой их многочисленных и разнообразных применений.

Приведенная формула относится в равной мере и к диэлектрикам, электропроводность которых может также стать заметной при высокой температуре. Различие между полупроводниками и диэлек триками является скорее количественным, чем качественным. Точнее было бы говорить о полупровод никовом состоянии неметаллических веществ, не выделяя полупроводники в особый класс, а к диэлек трикам относить лишь такие вещества, у которых в силу больших значений Eа и 0 электропроводность могла бы достигнуть заметных значений лишь при температурах, превышающих температуру их испа рения.

Однако термин «полупроводники» обычно понимают в более узком смысле, как совокупность не скольких, наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре (300 К). Ниже приведены примеры таких групп.

Элементы IV группы периодической системы Ge, Si, которые наиболее полно изучены и с которы ми связаны многие успехи полупроводниковой электроники. Атомы этих элементов, обладая 4 валент ными электронами, образуют кристаллические решетки с ковалентной связью атомов. Свойствами по лупроводника обладает также алмаз;

однако величина Eа для него значительно больше, чем у Ge и Si, поэтому при 300 К его собственная (не связанная с примесями или внешними воздействиями) проводи мость мала.

Алмазоподобные полупроводники – соединение элементов III группы с элементами V группы (так называемые полупроводники типа АIIIВV, например, GaAs, InSb, GaP и т.п.). Связи в таких кристаллах не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и опреде ляет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналога ми Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп (так называемые полупроводники типа АIIВVI, например, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.). Полупроводниковые свойства у них не так ярко выражены.

Соединения элементов IV и VI групп (так называемые полупроводники типа АIVВVI, например, PbS, SnTe, GeTe и т.п.) образуют одну из важных групп полупроводников, известных как приемники инфра красного излучения.

Перечисление только известных на сегодняшний день полупроводников заняло бы несколько стра ниц, мы не будем на этом здесь специально останавливаться.

Чтобы создать проводимость в ковалентном кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из свя зей, удалив с нее электрон, перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи запол нены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем может свободно переходить из ячейки в ячейку (все они для него эквивалентны) и, являясь всюду лишним, переносит с собой избыточ ный отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости. Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой. Недостаток электрона в одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой.

Электроны и дырки – свободные носители зарядов в полупроводниках.

В идеальных кристаллах возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в элек трон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носите лей равны между собой. Но это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков. Согласно классической электронной теории плотность электрического тока j = nev, где n – концентрация, e – за ряд, v – средняя скорость направленного движения свободных носителей заряда.

В полупроводниках электрический ток имеет как электронную, так и дырочную составляющие:

j = jn+ jp= nnevn + npevp.

Даже при равенстве концентраций nn и np электронная и дырочная составляющие не будут равны, так как условия для перемещения электронов и дырок неодинаковы: электроны движутся между узлами кристаллической решетки, дырки – по ковалентным связям и поэтому vn > vp. Средняя скорость носителя заряда, находящегося под действием электрического поля, прямо пропорциональна его напряженности:

v = µE. Коэффициент пропорциональности µ называется подвижностью носителей заряда. Очевидно, что в полупроводниках подвижность электронов должна быть больше, чем подвижность дырок, так как свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки – по ковалентным связям.

Проводимость полупроводников, обусловленная только разрывом ковалентных связей и характери зующаяся равенством концентраций электронов и дырок, называется собственной проводимостью.

Приведенная на рис. 1, б температурная зависимость удельного сопротивления характерна именно для такого типа проводимости.

В реальных кристаллах равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться под влия нием различных факторов, например, примесей и дефектов кристаллической решетки. Электропровод ность полупроводников, обусловленная наличием примесей, называется примесной проводимостью.

Целенаправленное введение примесей в кристалл полупроводника называется легированием и является основным методом создания полупроводников с заданным типом проводимости (преимущественно электронным или дырочным) и заданной концентрацией свободных носителей заряда.

Примеси и дефекты делят на доноров и акцепторов. Доноры отдают в объем полупроводника избы точные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захваты вают валентные электроны вещества, в которое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (p-типа).

Типичные примеры доноров – примесные атомы элементов V группы (P, As, Sb) в Ge и Si.

Аналогично атомы III группы (B, Al, Ga, In) – типичные акцепторы в Ge и Si.

Введение определенных примесей (легирование) – эффективный метод получения полупро водников с различными требуемыми свойствами.

На основе полупроводниковых материалов создано большое число различных радиоэлектронных приборов, отличающихся друг от друга по устройству, степени сложности и области применения. к числу простейших полупроводниковых приборов относятся полупроводниковые резисторы.

1.3 Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носи телей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует и носители заряда имеют в кристалле равномерную концен трацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направ ление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле;

движе ние носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заря да, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрей фом, а вызванный этим движением ток – дрейфовым током. При этом характер тока может быть элек тронным, если он вызван движением электронов, или дырочным, если он создается направленным пе ремещением дырок.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа – дырками, а в полупроводниках n-типа – электронами.

При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое тепловое дви жение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т.е. движутся в на правлении уменьшения их концентрации.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током.

Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

1.4 Полупроводниковые резисторы Как следует из вышесказанного, полупроводники представляют собой особый класс веществ, обла дающий целым рядом уникальных электрофизических свойств. На основе полупроводниковых мате риалов были разработаны многочисленные электронные приборы, являющиеся элементной базой со временных радиоэлектронных и информационных систем. Наиболее простыми полупроводниковыми приборами, принцип действия которых основан на уникальных электрофизических свойствах полупро водников, являются нелинейные полупроводниковые резисторы.

Полупроводниковыми резисторами называют приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнит ного излучения, приложенного напряжения и других факторов. Рассмотрим три наиболее распростра ненных типа полупроводниковых резисторов.

Терморезистор представляет собой полупроводниковый нелинейный резистор, сопротивление ко торого значительно изменяется при изменении температуры. Терморезистор выполняют в виде бусин ки, диска, цилиндрического стержня, плоской шайбы. В некоторых конструкциях предусмотрено поме щение терморезистора в металлический или стеклянный герметизированный баллон.

Терморезисторы, обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, на зывают термисторами. Они нашли широкое применение в радиоэлектронном оборудовании самого различного назначения.

К важнейшим параметрам термисторов относятся: холодное сопротивление – сопротивление тер мистора при температуре окружающей среды 20 °С;

температурный коэффициент сопротивления TKС, выражающий в процентах изменение сопротивления термистора при изменении температуры на °С;

максимальная рабочая температура – температура, при которой характеристики термистора оста ются стабильными в течение установленного срока службы;

наибольшая рассеиваемая мощность – мощность, при которой термистор при протекании тока разогревается до максимальной рабочей темпе ратуры;

теплоемкость Н – количество теплоты, необходимой для повышения температуры термистора на 1 °С;

коэффициент рассеяния b – мощность, рассеиваемая термистором при разности температур термистора и окружающей среды в 1 °С;

постоянная времени – время, в течение которого температура термистора становится равной 63 °С при перенесении его из среды с температурой 20 °С в среду с тем пературой 100 °С. Постоянная времени определяется как отношение теплоемкости к коэффициенту рас сеяния: = Н/b.

В устройствах промышленной электроники термисторы применяются достаточно широко для изме рения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрических схем, ра ботающих в широком диапазоне температур, стабилизации напряжения в цепях переменного и посто янного токов, а также в качестве регулируемых бесконтактных резисторов в цепях автоматики.

В ряде специальных устройств находят применение так называемые полупроводниковые боломет ры, состоящие из двух термисторов. Один из термисторов (активный) непосредственно подвергается воздействию контролируемого фактора (температуры излучения), а другой (компенсационный) служит для компенсации влияния температуры окружающей среды.

Позисторами называют полупроводниковые термисторы с положительным температурным коэф фициентом сопротивления. В качестве полупроводника в них используют титанат бария со специаль ными примесями, сопротивление которого увеличивается при повышении температуры.

Как и для термисторов с отрицательным ТКC, для позисторов основными характеристиками явля ются вольтамперная и температурная. Параметры позисторов аналогичны параметрам термисторов с отрицательным TKC.

I Варистор представляет собой полупроводниковый резистор, со противление которого зависит от приложенного напряжения. Пример ный вид вольт-амперной характеристики варистора приведен на рис. 2.

Сим-метричность характеристики поз-воляет использовать варистор в цепях как постоянного, так и переменного тока.

К основным параметрам варисторов относятся: статическое со U противление при постоянных значениях напряжения и тока Rст = U /I;

динамическое сопротивление переменному току Rд = U / I;

коэффи циент нелинейности – отношение статического сопротивления к дина мическому в данной точке характеристики р = Rст / Rд;

наибольшая ам плитуда импульсного напряжения и допустимая рассеиваемая мощность.

Исходя из двух последних параметров, выбирают рабочее эксплуатационное напряжение варистора.

В схемах промышленной электроники варисторы применяют для регулирования электрических ве личин, стабилизации токов и напряжений и для защиты приборов и элементов схем от перенапряжений.

Фоторезистором называют полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием электромагнитного излучения видимой, а также инфракрасной и ультрафиолетовой частей спектра. Материалом для изготовления фоторезисторов служат обычно сульфиды и селениды свинца и кадмия. Светочувствительный проводящий слой полупроводника наносят на стеклянную пластинку с металлическими электродами и помещают в пластмассовый или металлический корпус с окном из фотостекла.

При отсутствии светового потока сопротивление фоторезистора, называемое темновым Rтемн, весь ма велико (в первом приближении Rтемн ), при этом через фоторезистор, включенный в схему, про текает малый темновой ток Iтемн. Под воздействием светового потока сопротивление фоторезистора па дает и через него протекает световой ток Iсв. Разность между световым и темновым токами называют первичным фототоком проводимости: Iф = Iтемн – Iсв.

При увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизи рует их и создает дополнительный поток электронов – так называемый вторичный фототок проводи мости.

Для выбора типа и режима работы фоторезистора используют ряд характеристик:

вольтамперная характеристика – зависимость фототока (или темнового тока) от приложенного напряжения при постоянном световом потоке;

световая характеристика – зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава;

спектральная характеристика – зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны светового излучения;

К основным параметрам фоторезисторов, наряду с указанными ранее темновым сопротивлением, темновым и световым токами, относятся рабочее напряжение – максимально возможное напряжение, не приводящее к изменению других параметров фоторезистора в течение всего срока службы и допус тимая мощность рассеяния – максимальная мощность, рассеиваемая на фоторезисторе без его повреж дения, а также некоторые другие параметры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1 Какова структура кристаллов основных полупроводников, используемых в электронике?

2 Как создается электропроводность в кристаллах полупроводников?

3 Какие приборы называют полупроводниковыми резисторами?

4 Какими важнейшими параметрами характеризуются терморезисторы?

5 Чем отличаются термисторы от позисторов?

6 Какие приборы называют полупроводниковыми болометрами?

7 Какие приборы называют варисторами?

8 Какими параметрами характеризуются варисторы?

9 Каковы основные области применения варисторов?

10 На каком явлении основан принципа действия фоторезистора?

Модуль 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ 2.1 ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД 2.1.1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения Электронно-дырочный переход, или сокращенно р-п-переход, – это тонкий переходный слой в по лупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна – n-типа, другая – p-типа.

Электронно-дырочный переход, благодаря своим особым свойствам, является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Наряду с p-n-переходами в полупро водниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например, металл – полу проводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну об ласть донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре ока зываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается р-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 3, а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми.

Такой p-n-переход называют симметричным: nn = np.

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных. Наличие неосновных носителей определяется генерацией электронно-дырочных пар при разрыве ковалентной связи. Одни и те же носители заряда в одной об ласти являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны – из n-области в р область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно реком бинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается (рис. 3, б).

p p-n-переход n – – + + + + – – – – + + + + – – – – + + + – + – Основные Неосновные носители носители заряда заряда Uк а) p n 0 х б) 0 х 0 = Uк в) Рис. 3 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения:

а – структура p-n-перехода;

б – распределение концентрации носителей заряда;

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и в – потенциальный барьер в p-n-переходе Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и n-областей создает ток диффузии в р-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

Iдиф = Iр диф + In диф.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n-области, а уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 3, а). Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет реком бинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противопо ложного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высо той потенциального барьера (рис. 3, в). В результате появления потенциального барьера диффузион ный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды про тивоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-n-переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает боль шим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способст вует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неос новные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-n переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля соз дает в р-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

Iдр = Iр др + In др.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока Iт, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действи ем тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: Iдиф = Iдр, т. е. ток через р-n-переход равен нулю. Это соответствует оп ределенной высоте потенциального барьера 0.

Установившаяся высота потенциального барьера 0 в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов Uк в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными заря дами противоположных знаков по обе стороны границы: 0 = Uк.

В состоянии равновесия р-n-переход характеризуется также шириной d0.

Величина 0 зависит в первую очередь от материала полупроводника, а также от температуры и концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера несколько умень шается. При комнатной температуре для германия 0 0,2...0,3 В, для кремния 0 0,6...0,8 В.

2.1.2 Электронно-дырочный переход при прямом напряжении При подаче на р-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности.

Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области, а минусом к n-области, называют пря мым напряжением Uпр. Напряжение Uпр почти полностью падает на р-n-переходе, так как его сопротив ление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения Uпр противоположна полярности контактной разности потенциа лов Uк, поэтому электрическое поле, созданное на р-n-переходе внешним напряжением направлено на встречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на р-n-переходе: = Uк – Uпр.

Однако пока Uпр меньше Uк, еще существует потенциальный барьер;

обедненный носителями заря да слой р-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до Uпр = Uк потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя р-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей за ряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через р-n-пе-реход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током Iпр, который с уве личением прямого напряжения растет.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются ос новными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называ ют инжекцией. Движение основных носителей заряда через р-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Дрейф неосновных носителей заряда теплового происхождения в сторону от р-n перехода внутрь области создает тепловой ток Iт. Тепловой ток на несколько порядков меньше диффу зионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока Iпр, и имеет противоположное ему направ ление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда – дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

2.1.3 Электронно-дырочный переход при обратном напряжении Обратным напряжением Uобр называют внешнее напряжение, полярность которого совпадает с по лярностью контактной разности потенциалов;

оно приложено плюсом к n-области, а минусом – к р области. При этом потенциальный барьер возрастает: он численно равен сумме внутреннего и внешнего напряжений: = Uк + Uобр.

Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через p-n переход, и она уменьшается, а при некотором значении Uобр совсем прекращается. Одновременно под действием электрического поля, созданного внешним напряжением, основные носители заряда будут отходить от p-n-перехода. Соответственно расширяются слой, обедненный носителями заряда, и p-n переход, причем его сопротивление возрастает.

Внутреннее электрическое поле в p-n-переходе, соответствующее возросшему потенциальному барьеру, способствует движению через переход неосновных носителей заряда. При приближении их к p-n-переходу электрическое поле захватывает их и переносит через p-n-переход в область с противопо ложным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дырки – из n-области в р область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложенного напряжения, то создаваемый их движением ток через p-n-переход очень мал. Ток, проте кающий через p-n-переход при обратном напряжении, называют обратным током Iобр. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током Iобр = Iт, который не зависит от обратного напряже ния.

Процесс захватывания электрическим полем p-n-перехода неосновных носителей заряда и переноса их при обратном напряжении через p-n-переход в область с противоположным типом электропроводно сти называют экстракцией.

2.1.4 Вольтамперная характеристика p-n-перехода Вольтамперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения (рис. 4, а). Эта характеристика имеет две ветви: прямую, расположенную в первом квадранте графика, и обратную – в третьем квадранте.

Прямой ток создается диффузией через p-n-переход основных носителей заряда. С увеличением Uпр от до значения, равного Uк, ток Iпр растет медленно и остается очень малым. Это объясняется наличием потенциального барьера, который препятствует, несмотря на снижение, диффузии основных носителей заряда, а также большим сопротивлением области p-n-перехода, обедненной носителями заряда. С дальнейшим увеличением Uпр потенциальный барьер исчезает и прямой ток быстро нарастает. Это со ответствует интенсивной диффузии через p-n-переход основных носителей заряда при отсутствии об ласти перехода, обедненной ими.

Обратный ток создается дрейфом через p-n-переход неосновных носителей заряда. Поскольку кон центрация неосновных носителей заряда на несколько порядков ниже, чем основных, обратный ток не соизмеримо меньше прямого. При небольшом увеличении обратного напряжения от 0 обратный ток сначала возрастает до значения, равного величине теплового тока Iт, а с дальнейшим увеличением Uобр ток остается постоянным. Это объясняется тем, что при очень малых значениях обратного напряжения еще есть незначительная диффузия основных носителей заряда, встречное движение которых уменьша ет результирующий ток в обратном направлении. Когда эта диффузия прекращается, величина обратно го тока определяется только движением через переход неосновных носителей, количество которых в полупроводнике не зависит от напряжения. Повышение обратного напряжения до определенного зна чения, называемого напряжением пробоя Uобр.проб, приводит к пробою электронно-дырочного перехода, т.е. к резкому уменьшению обратного сопротивления и, соответственно, росту обратного тока.

Свойство p-n-перехода проводить электрический ток в одном направлении значительно больший, чем в другом, называют односторонней проводимостью. Электронно-дырочный переход, электриче ское сопротивление которого при одном направлении тока на несколько порядков больше, чем при другом, называют выпрямляющим переходом.

На рис. 4, а пунктирной линией показано влияние повышения температуры на прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики p-n-перехода. Прямая ветвь при более высокой температуре рас полагается левее, а обратная – ниже. Таким образом, повышение температуры при неизменном внешнем напряжении приводит к росту как прямого, так и обратного токов, а напряжение пробоя, как правило, снижается. Причиной такого влияния повышения температуры является уменьшение прямого и обрат ного сопротивлений из-за термогенерации пар носителей заряда, а также из-за снижения потенциально го барьера 0.

2.1.5 Пробой и емкость p-n-перехода Как было сказано ранее, пробоем p Iпр мА T2 T n-перехода называют резкое уменьше ние обратного сопротивления, вызы T2 > T вающее значительное увеличение тока при достижении обратным напряжением критического для данного прибора зна чения Uобр.проб. Пробой p-n-перехода Uобр.проб происходит при повышении обратного напряжения вследствие резкого возрас тания процессов генерации пар свобод Uобр 0 Uпр, В ный электрон-дырка. В зависимости от T1 T причин, вызывающих дополнительную Iобр мкА интенсивную генерацию пар носителей а) заряда, пробой может быть электриче ским и тепловым. Электрический про бой в свою очередь делится на лавинный и туннельный.

Лавинный пробой – электрический пробой p-n-перехода, вызванный лавин ным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Он обусловлен ударной ионизаци ей атомов быстро движущимися неос 1 2 новными носителями заряда. Движение этих носителей заряда с повышением обратного напряжения ускоряется элек б) трическим полем в области p-n Рис. 4 Вольтамперная характеристика p-n-перехода: перехода. При достижении определен а – влияние температуры на прямой и обратный токи перехода;

б – виды пробоя ной напряженности электрического поля p-n-перехода (1 – лавинный, 2 – туннельный, 3 – тепловой) они приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении с атомами полупроводника отрывать валентные электроны из ковалентных связей кристаллической решетки. Движение образованных при такой ионизации атомов пар электрон дырка также ускоряется электрическим полем, и они, в свою очередь, участвуют в дальнейшей иониза ции атомов. Таким образом, процесс генерации дополнительных неосновных носителей заряда лавино образно нарастает, а обратный ток через переход увеличивается. Ток в цепи может быть ограничен только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в высокоомных полупроводниках, имеющих большую ширину p-n перехода. В этом случае ускоряемые электрическим полем носители заряда успевают в промежутке ме жду двумя столкновениями с атомами получить достаточную энергию для их ионизации.

Напряжение лавинного пробоя увеличивается с повышением температуры из-за уменьшения длины свободного пробега между двумя столкновениями носителей заряда с атомами. При лавинном пробое напряжение на p-n-переходе остается постоянным, что соответствует почти вертикальному участку в обратной ветви 1 вольт-амперной характеристики (см. рис. 4, б).

Туннельный пробой – это электрический пробой p-n-перехода, вызванный туннельным эффектом.

Он происходит в результате непосредственного отрыва валентных электронов от атомов кристалличе ской решетки полупроводника сильным электрическим полем. Туннельный пробой возникает обычно в приборах с очень узким p-n-переходом, где при сравнительно невысоком обратном напряжении (до 7 В) создается большая напряженность электрического поля. В результате генерации дополнительных неос новных носителей заряда возникает туннельный ток, превышающий обратный ток нормального режима в десятки раз. Напряжение на p-n-переходе при туннельном пробое остается постоянным (вертикальный участок кривой 2 на рис. 4, б). При повышении температуры напряжение туннельного пробоя уменьша ется.

Оба вида электрического пробоя, как лавинного, так и туннельного, не разрушают p-n-переход и не выводят прибор из строя. Процессы, происходящие при электрическом пробое, обратимы: при умень шении обратного напряжения свойства прибора восстанавливаются.

Тепловой пробой вызывается недопустимым перегревом p-n-пе-рехода, в результате которого про исходит интенсивная генерация пар носителей заряда – разрушение ковалентных связей за счет тепло вой энергии. Этот процесс развивается лавинообразно, поскольку увеличение обратного тока за счет перегрева приводит к еще большему разогреву и дальнейшему росту обратного тока.

Тепловой пробой носит обычно локальный характер: из-за неоднородности p-n-перехода может пе регреться отдельный его участок, который при лавинообразном процессе будет еще сильнее разогре ваться проходящим через него большим обратным током. В результате данный участок p-n-перехода расплавляется;

прибор приходит в негодность. Участок теплового пробоя на вольтамперной характери стике (кривая 3 рис. 4, б) соответствует росту обратного тока при одновременном уменьшении падения напряжения на p-n-переходе.

Тепловой пробой может наступить как следствие перегрева из-за недопустимого увеличения обрат ного тока при лавинном или туннельном пробое, при недопустимом увеличении обратного напряжения, а также в результате общего перегрева при плохом теплоотводе, когда выделяемое в p-n-переходе тепло превышает отводимое от него. Повышение температуры уменьшает напряжение теплового пробоя и может вызвать тепловой пробой при более низком, чем при возникновении электрического пробоя, на пряжении.

Емкость p-n-перехода. Электронно-дырочный переход обладает определенной электрической ем костью, складывающейся из двух емкостей: барьерной и диффузионной.

Емкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов доноров и акцепторов, создающих в p-n переходе как бы плоскостной конденсатор, носит название барьерной, или зарядной. Она тем больше, чем больше площадь p-n-перехода и меньше его ширина. Ширина p-n-перехода зависит от величины и полярности приложенного напряжения. При прямом напряжении она меньше, следовательно, барьерная емкость возрастает. При обратном напряжении барьерная емкость уменьшается тем сильнее, чем боль ше Uобр. Это используется в полупроводниковых приборах – варикапах, служащих конденсаторами пе ременной емкости, величина которой управляется напряжением. Барьерная емкость в зависимости от площади p-n-перехода составляет десятки и сотни пикофарад.

Емкость, обусловленная объемными зарядами инжектированных электронов и дырок по обе сто роны от p-n-перехода, где их концентрация в результате диффузии через p-n-переход велика, носит на звание диффузионной. Она проявляется при прямом напряжении, когда происходит инжекция носите лей заряда, и значительно превышает по величине барьерную емкость, составляя в зависимости от ве личины прямого тока сотни и тысячи пикофарад. При обратном напряжении она практически отсутст вует. Таким образом, при прямом напряжении следует учитывать диффузионную емкость, а при обрат ном – барьерную.

2.2 Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами. Упрощенная структура полупроводникового диода и его условное графическое обозначение показаны на рис. 5.

По конструкции полупроводниковые диоды разделяют на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды имеют плоскостной переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его ширины. У точеч ных диодов линейные размеры площади p-n-перехода очень малы и соизмеримы с его шириной. Точеч ный p-n-переход создается около контакта острия металлической пружины с полупроводниковым кристаллом n-типа.

Точечные диоды имеют малую емкость p-n-перехода благодаря + p n – его небольшим размерам. Они могут работать в диапазоне высоких и сверхвысоких частот, но допускают только малые токи и неболь шие обратные напряжения.

Принцип действия выпрями- тельных диодов основан на свойстве Iпр односторонней электропро- водности p-n-пе-рехода. Если к диоду подвести переменное напряжение Рис. 5 Структура диода (рис. 6), то в течение одного полупериода, и направление тока через него при прямом напряжении когда на аноде положительная полуволна, на p-n-пере-ходе действует прямое напряжение. При этом со + U U ~Uвx = Uвых Rн t t V – Рис. 6 Применение диода для выпрямления переменного тока противление диода мало;

через него протекает большой прямой ток.

В следующий полупериод полярность напряжения на диоде меняется на обратную. Его сопротивление значительно увеличивается;

через него проходит очень малый обратный ток. Нагрузку Rн включают в цепь источника питания последовательно с диодом. Практически ток через нагрузку проходит только в одном направлении, поскольку обратным током по сравнению с прямым можно пренебречь. Таким образом происходит выпрямление, т.е. преобразование переменного тока в постоянный по направлению (пульсирующий).

Схема выпрямления с одним диодом, в которой ток проходит через нагрузку в течение половины периода, является простейшей. На практике применяют более сложные схемы.

Вольтамперная характеристика диода представляет собой зависимость тока от величины и поляр ности приложенного напряжения. Ее вид определяется вольтамперной характеристикой p-n-перехода.

Реальные характеристики отличаются от идеальных из-за влияния различных факторов.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

прямое напряжение Uпр – значение постоянного напряжения на диоде при заданном прямом токе;

обратный ток Iобр – значение постоянного тока, протекающего через диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

сопротивление диода в прямом направлении R = Uпр / Iпр;

оно составляет единицы и десятки ом;

сопротивление диода в обратном направлении R = Uобр / Iобр;

оно составляет единицы мегаом;

дифференциальное сопротивление диода Rдиф – отношение приращения напряжения на диоде к вы звавшему его малому приращению тока: Rдиф = U / I.

Прямое и обратное сопротивления – это сопротивления в данной точке характеристики при посто янном токе соответствующего направления;

дифференциальное сопротивление – это сопротивление при переменном токе;

оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольтамперной ха рактеристики к оси абсцисс.

При эксплуатации диодов в выпрямителях важное значение имеют предельно допустимые режимы их использования, характеризующиеся соответствующими параметрами. В целях обеспечения длитель ной и надежной работы диодов нельзя превышать ни при каких условиях:

– максимально допустимое обратное напряжение uобр.max;

– максимально допустимую мощность, рассеиваемую диодом Pmax;

– максимально допустимый постоянный прямой ток Iпр.max;

– диапазон рабочей температуры: германиевые диоды работают в диапазоне температур от –60 до +70 °С, кремниевые – до +120 °С и более.

Кремниевые диоды имеют на несколько порядков меньший обратный ток, допускают гораздо большие обратные напряжения и плотности прямого тока, могут быть использованы при более высоких температурах. Поэтому выпрямительные диоды изготовляют главным образом из кремния, хотя паде ние напряжения на кремниевом диоде при прямом токе больше, чем на германиевом.

Кроме рассмотренных выше выпрямительных диодов, предназначенных для выпрямления перемен ного тока низкой частоты ( f < 20 кГц), существует много других разновидностей диодов.

Высокочастотные диоды – универсальные приборы, работающие в выпрямителях очень широкого диапазона частот (до нескольких гигагерц), а также в модуляторах, детекторах и других нелинейных преобразователях.

Импульсные диоды являются разновидностью высокочастотных и предназначены для использова ния в качестве ключевых элементов в быстродействующих импульсных схемах;

помимо высокочас тотных свойств должны обладать минимальным временем переходных процессов при переключении с прямой ветви вольтамперной характеристики на обратную и наоборот. В последнее время получили распространение диоды Шоттки [(по имени немецкого ученого В. Шоттки (W. Schottky)], действие которых основано на свойствах контакта металл-полупроводник. Одно из преимуществ диодов Шотт ки перед диодами с p-n-переходом – очень малая инерционность.

2.3 Стабилитроны Стабилитроном называют полупроводниковый диод, вольтамперная характеристика которого име ет участок малой зависимости напряжения от протекающего тока. Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения постоянного тока.

Принцип действия стабилитрона основан на использовании свойства p-n-перехода при электриче ском пробое сохранять практически постоянную величину напряжения в определенном диапазоне из менения обратного тока. Как было сказано при рассмотрении видов пробоя p-n-перехода, электриче ский пробой является обратимым процессом и не приводит к выходу диода из строя при условии, что ток не превышает максимально допустимой величины.

Вольтамперная характеристика кремниевого стабилитрона приведена на рис. 7. В стабилитроне ис пользуется только обратная ветвь характеристики. Рабочим участком АБ является ее часть, соответст вующая электрическому пробою и ограниченная минимальным и максимальным токами. В стабилитро нах, как правило, присутствуют два вида пробоя – лавинный и туннельный;

в низковольтных (с напря жением стабилизации менее 6,5 В) преобладает туннельный, в высоковольтных (с напряжением стаби лизации более 6,5 В) – лавинный.

Параметрами стабилитрона являются:

напряжение стабилизации Uст – напряжение на стабилитроне при заданном токе стабилизации Iст;

минимальный ток стабилизации Iст. min – наименьший ток, при котором сохраняется устойчивое со I U А Iст.max Uст Iст В Iст.max Б Рис. 7 Обратная ветвь вольтамперной характеристики стабилитрона стояние пробоя;

максимальный ток стабилизации Iст. max – наибольший ток, при ко-тором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает максимально допустимого значения Рmax;

превышение Iст. max приводит к тепловому пробою p-n-перехода и выходу из строя стабилитрона;

дифференциальное сопротивление Rдиф = Uст / Iст – отношение приращения напряжения стабили зации к вызвавшему его малому приращению тока: Rдиф определяется в рабочей точке B и характеризу ет точность стабилизации;

чем оно меньше, тем лучше осуществляется стабилизация;

статическое сопротивление Rстат = Uст / Iст – сопротивление стабилитрона в рабочей точке при по стоянном токе;

температурный коэффициент напряжения Uст показывает изменение в процентах напряжения стабилизации при изменении температуры окружающей среды на 1 °С.

Выпускаемые промышленностью кремниевые стабилитроны имеют напряжение стабилизации в пределах 3...200 В, минимальный ток от 1 до 10 мА, максимальный ток от 2 мА до 2 А, дифференциаль ное сопротивление 0,5...500 Ом.

Существуют полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации напряжения с исполь зованием в качестве рабочего участка отрезка прямой ветви вольтамперной характеристики, на которой прямое напряжение слабо зависит от тока. Такой полупроводниковый диод носит название стабисто ра.

2.4 Варикапы При подаче обратного напряжения любой p-n-переход представляет собой конденсатор, диэлектри ком которого служит высокоомный обедненный слой с низкой концентрацией носителей заряда, а элек тродами – слои полупроводникового материала по обе стороны от него, сохраняющие высокую прово димость. Емкость такого конденсатора, являющаяся барьерной емкостью p-n-перехода, определяется обратным напряжением Uобр и уменьшается с его ростом, так как обедненный слой расширяется, что равносильно увеличению расстояния между электродами. Зависимость емкости варикапа от приложен ного к нему напряжения описывается так называемой вольтфарадной характе-ристикой (рис. 8).

Полупроводниковые диоды, основанные на использовании управляемой барьерной емкости, назы вают варикапами.

С Основными параметрами варикапов являются:

емкость Св, которая измеряется при определенном Uобр, обычно В, и составляет от нескольких единиц до нескольких сотен пикофарад;

коэффициент перекрытия по емкости КС, который лежит в преде лах от 2 до 18 и представляет собой отношение максимальной емкости Св к минимальной Св, измеренной при напряжении, близком к max min максимально допустимому.

Варикапы используют, главным образом, для управления колеба Uобр тельными контурами в системах автоподстройки частоты радио- и те Рис. 8 Общий вид вольт левизионных приемников, а также в возбудителях передатчиков с час фарадной характеристики ва тотной модуляцией и параметрических усилителях, работающих в пазоне СВЧ. диапазоне СВЧ.

2.5 Туннельные и обращенные диоды Туннельные диоды изготовляют из полупроводниковых материалов с высокой концентрацией при меси, называемых вырожденными полупроводниками. Запирающий слой в них уже, чем в обычных диодах (0,1...0,2 мкм), чем объясняется значительно большая напряженность электрического поля, обу словленная контактной разностью потенциалов (до 106 В/см).

Туннельный диод, как и другие типы диодов, является полупроводниковым прибором с двумя элек тродами и одним p-n-переходом. Его отличие от других диодов состоит в том, что p-n-переход туннель ного диода изготовляется из полупроводниковых материалов с очень высокой концентрацией примесей.

Толщина обедненного слоя в таком переходе получается очень малой, и даже при незначительных на пряжениях, приложенных к переходу, возникает электрическое поле очень высокой напряженности.

При этом возникает явление, называемое туннельным эффектом (отсюда и название этого прибора).

Электрическое поле высокой напряженности вызывает непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки полупроводника. Возникающие при этом электронно-дырочные пары могут создавать так называемые туннельные токи (прямой и обратный), которые оказывают суще ственное влияние на вольтамперную характеристику p-n-перехода (рис. 9).

Iпр Б Г Iп А В Iв Uп Uв Uр Uпр Iобр Рис. 9 Вольтамперная характеристи ка Так, обратный туннельный ток во много раз превышает обратный ток p-n-перехода. При малых зна чениях прямого напряжения, когда переход еще закрыт, возникает прямой туннельный ток значитель ной величины. Этому соответствует участок ВАХ от начала координат до т. Б. Увеличение прямого напряжения приводит к ослаблению туннельного эффекта и уменьшению туннельного тока. Этому соответствует участок БВ. При дальнейшем росте прямого напряжения пере ход открывается, и его ВАХ соответствует прямой ветви характеристики p-n-перехода (участок от т. В и правее).

Прямая ветвь вольтамперной характеристики туннельного диода имеет две характерные точки – т.

Б, называемую пиком туннельной характеристики, и т. В, называемую впадиной. Падающий участок ВАХ БВ характеризуется отрицательным дифференциальным сопротив-лением: Ri = U0 / I0 < (уменьшение тока при возрастании напряжения). Благодаря наличию участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением туннельные диоды могут быть использованы в качестве активных элементов усилителей, генераторов и других устройств, традиционно выполняемых на других типах электронных приборов (электронных лампах или транзисторах).

Основными параметрами туннельного диода являются:

ток Iп и напряжение Uп пика ВАХ;

ток Iв и напряжение Uв впадины ВАХ;

напряжение раствора Uр при прохождении через диод тока, равного Iпр току пика на второй вос-ходящей ветви ВАХ;

отношение тока пика к току впадины Iп / Iв;

дифференциальное сопротив-ление диода на падающем участке ВАХ.

Разновидностью туннельных диодов являются обращенные дио-ды.

Они изготовляются из полупроводниковых материалов с несколько Uобр Uпр меньшей, по сравнению с туннельными, концентрацией при-месей. ВАХ обращенного диода имеет следующий вид (рис. 10). Обратный туннель ный ток быстро нарастает с ростом обратного напряжения примерно Iобр также, как в туннельном диоде. При прямом напряжении, в отличие от Рис. 10 Вольтамперная туннельного диода, нарастание туннельного тока очень незначительно, и характеристика обращенно го диода заметный прямой ток появляется после того, как переход откроется. Та ким образом, при малых напряжениях обращенный диод будет работать как выпрямитель, при чем проводящей будет не прямая, а обратная ветвь ВАХ (отсюда и его название).

2.6 Излучающие диоды. Фотодиоды При подаче прямого напряжения в некоторых p-n-переходах при прохождении электрического тока генерируется оптическое излучение в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой области спектра.

В соответствии с частотными диапазонами различают инфракрасные излучающие диоды и светоизлу чающие диоды, или светодиоды. Действие излучающего диода основано на явлении инжекционной электролюминесценции: излучение возникает в результате рекомбинации неосновных носителей заряда (электронов проводимости и дырок), инжектированных под действием приложенного напряжения в об ласть полупроводника, прилегающую к p-n-переходу (так называемая активная область излучающего диода). Такое излучение, в отличие от тепловых источников света, имеет более узкий спектр (его ши рина обычно не превышает 0,05 мкм), вследствие чего в видимой области воспринимается как одно цветное. Цвет излучения определяется как полупроводниковым материалом, так и легирующими при месями. Рекомбинационное излучение светоизлучающих диодов из карбида кремния, арсенида или фосфида галлия может быть весьма интенсивным и лежит в инфракрасной, красной, зеленой и синей частях спектра. Светодиод начинает испускать свет, как только подается прямое напряжение, причем с ростом тока интенсивность свечения увеличивается.

Основной параметр излучающего диода – КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения (), максимальные значения (1...5 %) получены в излучающих диодах, работающих в диа пазоне длин волн от 0,8 до 1,3 мкм (инфракрасная область).

Важный параметр излучающего диода – инерционность, которая характеризуется постоянными времени нарастания и спада мощности излучения при его импульсном возбуждении. Инерционность излучающего диода достаточно мала (постоянные времени обычно не превосходят долей микросекун ды), поэтому по быстродействию они значительно превосходят другие источники света (лампы накали вания, катодолюминесцентные, газоразрядные и т.п.).

Светоизлучающие диоды в основном применяют в устройствах визуального отображения информа ции и выпускают в виде одиночных приборов или полупроводниковых знаковых табло, состоящих из нескольких диодов, позволяющих получать свечение, форма которого соответствует каким-либо циф рам или знакам. Кроме того, используют полупроводниковые линейные шкалы и экраны, составленные из светоизлучающих диодов в виде одной или нескольких параллельных строк. Светоизлучающие дио ды инфракрасного свечения применяют в оптронах.

Принцип действия фотодиодов основан на внутреннем фотоэффекте, состоящем в генерации под действием света электронно- дырочных пар в p-n-переходе, в результате Uобр чего увеличи-вается концентрация основных и неос-новных носителей заряда Ф = в его объеме. Обратный ток фотодиода определяет- ся концентрацией неосновных носителей и, следовательно, интен сивностью об- лучения.

Ф Вольтамперные характеристики фотодиода (рис. 11) показывают, что каждому значению светового потока Ф Ф2 > Ф соответствует определенное значение Iобр обратного тока. Такой режим работы прибора Рис. 11 Зависи- называют фотодиодным.

I мость Кроме того, используют фото обратного тока гальванический режим, который состоит в Rн = ф д д том, что при освещении непосредственно p-n перехода образующиеся в нем электронно-дырочные пары разделяются элек Rн трическим полем, обусловленным контактной разностью потенциалов. В ре зультате на выводах прибора появляется фотоэлектродвижущая сила, а при Rн2 > Rн его включении в замкнутую цепь – электрический ток.

Ф Зависимости тока фотоэлемента от светового потока при различных со Рис. 12 Зависимость ф противлениях цепи показаны на рис. 12. Фотодиоды, работающие в фото гальваническом режиме, используют в преобразователях солнечной энергии в электрическую для пита ния различных устройств.

Контрольные вопросы 1 Как образуется р-n-переход и какие токи проходят через него?

2 Что представляет собой статическая вольтамперная характеристика р-n-перехода?

3 Назовите основные виды пробоя р-n-перехода.

4 Какие из видов пробоя лежат в основе принципа действия некоторых полупроводниковых при боров?

5 Опишите устройство полупроводникового выпрямительного диода.

6 Как классифицируют полупроводниковые диоды?

7 Какие характеристики и параметры характеризуют свойства полупроводниковых диодов?

8 Охарактеризуйте основные группы полупроводниковых диодов.

9 На чем основана работа стабилитронов?

10 Для чего применяют варикапы, на чем основана их работа?

11 Какой эффект лежит в основе работы туннельных и обращенных диодов?

12 В чем заключается преимущество излучающих диодов перед другими источниками излучения?

13 В чем состоит основное отличие фотодиода от фоторезистора?

Модуль 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзистором называют электронный полупроводниковый прибор, имеющий три (или более) элек трода и предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Изобретен в 1948 г. американскими учеными У. Шокли, У. Браттейном и Дж. Бардином. В СССР пер вые транзисторы разработаны под руководством А.В. Красилова. Обычно выделяют два основных клас са транзисторов: биполярные транзисторы и полевые транзисторы.

В биполярных транзисторах ток через кристалл обусловлен движением носителей заряда обоих зна ков (и электронов, и дырок).

В полевых транзисторах (называемых также униполярными) протекание тока через кристалл обу словлено движением носителей заряда одного знака (электронов или дырок).

Транзисторы классифицируются по типам и группам в зависимости от физических, эксплуатацион ных и других параметров.

3.1 Устройство биполярного транзистора Биполярным транзистором называют полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p n-переходами и тремя выводами. Он имеет трехслойную структуру, состоящую из чередующихся об ластей с различными типами электропроводности: n-p-n или p-n-p (рис. 13, а, б).

Принцип работы транзисторов обеих структур одинаков, они отличаются только полярностью под ключения источников питания, поэтому работу биполярного транзистора рассмотрим на примере струк туры n-p-n (рис. 13, а).

n p n p n p Э Э К К а) б) Рис. 13 Устройство и условные графические обозначения биполярных транзисторов:

а – n-p-n-структуры;

б – p-n-p-структуры Исходная пластина полупроводника p-типа с низкой концентрацией дырок является базовой. На нее наплавляются с двух сторон таблетки донорной примеси. В процессе термической обработки атомы до норной примеси проникают в кристалл, создавая n-области. Между n-областями и полупроводником p типа образуются p-n-переходы. Процесс введения примесей контролируется таким образом, чтобы в од ной n-области была большая их концентрация (на рисунке – в левой n-области), чем в другой. Наи меньшая концентрация примеси остается в средней области p-типа.

Наружная область с наибольшей концентрацией примеси называется эмиттером, вторая наружная область – коллектором, а внутренняя область – базой. Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой называют эмиттерным переходом, а между коллектором и базой – коллекторным переходом. В соответствии с концентрацией основных носителей заряда база является высокоомной областью, кол лектор – низкоомной, а эмиттер – самой низкоомной. Толщина базы очень мала и составляет единицы микрометров;

площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает площадь эмиттерного.

3.2 Принцип действия биполярного транзистора Применение транзистора для усиления электрических колебаний основано на его принципе дейст вия как управляемого электронного прибора.

В схеме включения транзистора (рис. 14) к эмиттерному переходу должно быть приложено прямое напряжение, а к коллекторному – обратное. Если на эмиттерном переходе нет напряжения, то через коллекторный переход протекает очень небольшой обратный ток Iкобр. По сравнению с рабочим током им можно пренебречь для упрощения рассуждений и считать, что в коллек n p n торной цепи тока нет, т.е. транзистор закрыт.

При подаче на эмиттерный переход прямого напряжения от источника питания Еэ происходит инжекция носителей заряда из эмиттера в базу, где – Еэ + – Ек + они являются неосновными. Для транзистора n-p-n этими носителями заряда являются электроны. Движение электронов в процессе инжекции через эмит терный переход создает ток эмиттера Iэ. Электроны, перешедшие в базу, имеют вблизи p-n-перехода повышенную концентрацию, что вызывает диф Рис. 14 Основная схема подключения биполярного фузию их в базе. Толщина базы очень мала, поэтому электроны в процессе транзистора к источникам диффузии оказываются вблизи коллекторного перехода. Большая их часть питания не успевает рекомбинировать с дырками базы и втягивается ускоряющим электрическим полем коллекторного перехода в область коллектора. Происходит экстракция электро нов под действием обратного напряжения из базы в коллектор. Движение электронов в процессе экс тракции из базы в коллектор создает ток коллектора Iк. Незначительная часть инжектируемых из эмиттера в базу электронов рекомбинирует в области базы с дырками, количество которых пополня ется из внешней цепи от источника Еэ. За счет этого в цепи базы протекает ток базы Iб. Он очень мал из-за небольшой толщины базы и малой концентрации основных носителей заряда – дырок. При этих условиях число рекомбинаций, определяющих величину тока базы, невелико.

Ток коллектора управляется током эмиттера: если увеличится ток эмиттера, то практически про порционально возрастет ток коллектора. Ток эмиттера может изменяться в больших пределах при ма лых изменениях прямого напряжения на эмиттерном переходе.

Токи трех электродов транзистора связаны соотношением:

Iэ = Iк + Iб. Ток базы значительно меньше тока коллектора, поэтому для практических расчетов часто считают ток коллектора приближенно равным току эмиттера: Iк Iэ.

Принцип действия p-n-p-транзистора аналогичен рассмотренному, но носителями заряда, создаю щими токи через p-n-переходы в процессе инжекции и экстракции, являются дырки;

полярность источ ников Еэ и Ек должна быть изменена на противоположную, соответственно изменятся и направления токов в цепях.

На основании рассмотренных процессов можно сделать вывод, что транзистор как управляемый прибор действует за счет создания транзитного (проходящего) потока носителей заряда из эмиттера через базу в коллектор и управления током коллектора путем изменения тока эмиттера. Таким обра зом, биполярный транзистор управляется током.

Ток эмиттера как прямой ток p-n-перехода значительно изменяется при очень малых изменениях напряжения на эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие изменения тока коллектора.

На этом основаны усилительные свойства транзистора.

3.3 Статические характеристики транзисторов ТРАН ~ Обобщенная схема включения транзистора для усиления Uвх~ Rн электрических колебаний содержит две цепи (рис. 15): входную и выходную. Входная цепь является управляющей;

в нее после E E2 довательно с источником питания Е1 включается источник сла бых электрических колебаний Uвх~, которые надо усилить. Элек Рис. 15 Обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний трические колебания, подаваемые во входную цепь, называют управляющим, или усиливаемым, сигна лом. Выходная цепь является главной цепью, в нее последовательно с источником Е2 включается на грузка RH, на которой надо получить усиленный сигнал. Таким образом, обобщенная схема включения транзистора для усиления электрических колебаний представляет собой четырехполюсник.

Транзистор имеет три электрода, из которых в схеме включения один – входной, другой – выход ной, а третий – общий для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой электрод является об щим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и об щим коллектором (ОК).

В схеме, на которой рассматривался принцип действия транзистора (рис. 14), входной элек трод – эмиттер, выходной – коллектор, а общий, входящий и в цепь входа, и в цепь выхода, – база;

следовательно, это была схема ОБ.

При любой схеме включения в каждой цепи постоянный ток проходит от плюса источника питания через соответствующие области транзистора к минусу источника питания. Стрелка эмиттера указывает направление проходящего через него тока.

Во всех трех схемах сохраняется рассмотренный принцип действия транзистора, но свойства схем различны;

они также отличаются характеристиками и параметрами. В любой схеме включения в каждой из двух цепей действует напряжение между двумя электродами и протекает ток: во входной цепи – Uвх и Iвх, в выходной – Uвых и Iвых. Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и взаимно влияют друг на друга.

Характеристики транзистора представляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизменной третьей величине. Для того чтобы одну из электрических величин можно было поддержи вать постоянной, в схему для снятия характеристик надо включить только источники питания;

нагрузку и источник усиливаемых колебаний (сигнала) не включают.

Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна из величин поддерживается постоянной, называ ют статическими. Совокупность характеристик, снятых при разных значениях этой постоянной вели чины, представляет собой семейство статических характеристик.

Наибольшее значение при применении биполярных транзисторов имеют два вида характеристик – входные и выходные.

Входной характеристикой называют зависимость входного тока от входного напряжения при по стоянном выходном напряжении:

Iвх = f (Uвх) при Uвых = const.

Выходной характеристикой называют зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе:

Iвых = f (Uвых) при Iвх = const.

Вид характеристик транзистора зависит от способа его включения, но для схем ОЭ и ОК они прак тически одинаковы, поэтому пользуются обычно входными и выходными характеристиками для схем ОБ и ОЭ. На практике наибольшее распространение получила схема ОЭ, поэтому рассмотрим ее более подробно.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 16. В ее состав входят два источника питания с регулируемым от 0 до некоторого максимального значения выходным напряжением 1, микроамперметр 2 и миллиамперметр 3 для измерения токов базы и коллектора, вольтметры 4, 5 для измерения напря жений Uбэ и Uкэ. Балластный резистор служит для ограничения тока базы иссле дуемого транзистора 7.

В этой схеме входным током является ток базы Iб, выходным – ток коллектора Iк, + + входное напряжение создается между ба 4 зой и эмиттером Uбэ, а выходное – между 1 коллектором и эмиттером Uкэ. Таким обра зом, входные характеристики транзистора, – – включенного по схеме ОЭ, представляют Рис. 16 Схема установки для снятия собой зависимость тока базы от напряже статических характеристик биполярного транзистора ния база-эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер:

Iб = f (Uбэ) при Uкэ = const.

Выходные характеристики транзистора, включенного по схеме ОЭ, представляют собой зависи мость тока коллектора от напряжения коллектор – эмиттер при постоянном токе базы:

Iк = f (Uкэ) при Iб = const.

Примерный вид семейства входных и выходных характеристик биполярного транзистора приведен на рис. 17 и 23.

На рис. 17 изображено семейство из двух входных характеристик, снятых при различных напряже ниях на коллекторе (Uкэ1< Uкэ2). Даже при значительно отличающихся коллекторных напряжениях входные характеристики качественно одинаковы и незначительно смещаются вправо с ростом Uкэ. Это говорит о наличии слабой связи между входными и выходными цепями биполярного транзистора.

Начальный круто восходящий участок каждой из выходных характеристик биполярного транзисто ра (рис. 18) является нерабочим. Это участок малого напряжения Uкэ, изменяющегося в пределах от 0 до 0,5...1,5 В. При малых значениях Uкэ, соизмеримых с величиной Uбэ, следует учитывать, что напряжение Uкэ равно сумме напряжений на коллекторном Uкб и эмиттерном Uбэ пере Iб ходах. Отсюда напряжение на коллекторном переходе Uкб = Uкэ – Uкэ – Uбэ. При Uкэ < Uбэ из меньшего вычитается большее, т.е. знак Uкэ – Uкэ – Uбэ меняется на противоположный. А это означает, что если в рабочем режиме полярность Uкб соответствует обратному напряжению на коллек торном переходе, то при Uкэ < Uбэ она соответствует прямому напряжению. Наибольшее значение прямого напряжения Uкб на коллекторном Iк, мА переходе получается при Uкэ = 0, когда Uкб = Uбэ. По мере роста Uкэ Iк6 Iб UБЭ это прямое напряжение уменьшается и становится равным нулю при Uкэ = Uбэ.

Iк Рис. 17 Семейство входных Прямое напряжение на коллекторном пе характеристик биполярного Iк4 Iб реходе препятствует прохождению через него из базы в коллектор неосновных но Iк сителей заряда, которые инжектируются в Iб базу из эмиттера. Поэтому уменьшение Iк прямого напряжения на коллекторном пе реходе приводит к увеличению экстракции Iк1 Iб этих носителей из базы в коллектор, а это в свою очередь вызывает резкое возрастание тока коллектора.

U1 U2 U3 U4 U5 U6 U7 Uкэ, В При Uкэ > Uбэ полярность Uкб изменя ется на обратную для коллекторного пере Рис. 18 Семейство выходных вольтамперных характе ристик хода. Изменение напряжения Uкэ на этом биполярного транзистора участке характеристик мало влияет на ве личину тока коллектора;

рабочий участок характеристики идет полого.

Увеличение коллекторного напряжения выше максимально допустимого приводит к пробою кол лекторного перехода.

Кроме рассмотренных семейств характеристик для некоторых практических расчетов представляют интерес еще две характеристики: проходная и прямой передачи.

Проходная характеристика – это зависимость выходного тока от входного напряжения при посто янном выходном напряжении. Для схемы ОЭ это зависимость тока коллектора от напряжения база эмиттер при постоянном напряжении коллектор-эмиттер.

Характеристикой прямой передачи называют зависимость выходного тока от входного. Для схемы с ОЭ это зависимость тока коллектора от тока базы при постоянном напряжении коллектора.

3.4 Система h-параметров биполярных транзисторов Связь между малыми приращениями токов и напряжений, действующих в транзисторе, устанавли вается так называемыми характеристическими параметрами. Эти параметры определяются схемой включения транзистора. Существует несколько систем характеристических параметров. Наибольшее распространение получила система h-пара-метров, называемая смешанной или гибридной, так как среди параметров этой системы имеется одно сопротивление, одна проводимость и две безразмерные величи ны.

h-параметры связывают входные и выходные токи и напряжения. Зависимости между входным на пряжением U1 = Uбэ, входным током I1 = Iб, выходным напряжением U2 = Uкэ и выходным током I2 = Iк могут быть выражены системой двух уравнений:

U1 = h11I1 + h12U2, I2 = h21I1 + h22U2, где h11э – входное сопротивление транзистора при коротком замыкании (по переменному току) на выхо де транзистора;

h12э – коэффициент обратной связи по напряжению при холостом ходе (разомкнутом входе по переменному току);

h21э – коэффициент усиления по току при коротком замыкании (по пере менному току) на выходе транзистора;

h22э – выходная проводимость транзистора при разомкнутом (по переменному току) входе.

h11э = Uбэ / Iб при Uкэ = const;

h12э = Uбэ / Uкэ при Iб = const;

h21э = Iк / Iб при Uкэ = const;

h22э = Iк / Uкэ при Iб = const.

Индекс «Э» обозначает, что данная система параметров относится к схеме с общим эмиттером. Для любой схемы включения транзисторов h-параметры могут быть определены по статическим характери стикам транзистора: параметры h11 и h12 – по входным (рис. 19, а, б), параметры h21 и h22 – по выходным (рис. 19, в, г).

Uкэ Iб Iб Uкэ = сonst Uкэ Uкэ Iб Iб = сonst Uб Uб Uб Uб а) б) Iб Iк Iб = сonst Iк Iб Iк Iк Iб Uкэ Uк = сonst Uкэ Uкэ в) г) Рис. 19 Определение h-параметров биполярного транзистора по семействам входных и выходных характеристик 3.5 Схемы включения биполярных транзисторов Как отмечалось выше, обобщенная схема включения транзистора для усиления электриче ских колебаний представляет собой четырехполюсник;

из трех его электродов один – входной, другой – выходной, а третий – общий для цепей входа и выхода, и в зависимости от того, какой электрод является общим, возможны три схемы включения транзистора – с общей базой (ОБ), общим эмиттером (ОЭ) и общим коллектором (ОК) (рис. 20 а, б и в, соответственно).

На всех схемах кроме источников питания Еэ, Еб и Ек присутствует источник сигнала ~Uвх (источ ник переменного тока), включенный последовательно с источником Еэ или Еб, причем Ек >> Еэ или Еб, а амплитуда ~Uвх < Еб или Еэ. Рассмотрим работу каждой из схем в качестве усилителя сигнала ~Uвх.

ВХОД ВЫХОД ВХОД Uвх Rн ВЫХОД ВХОДU Rн ВЫХОДU Rн 3.5.1 Схема с общей базой ~ вх вх ~ ~ Еэ Ек Еб Ек Еб Ек В схеме (рис. 20, а) к эмиттеру транзистора относительно общей базы приложены напряжения ~Uвх и Еэ. При положительном полупериоде ~Uвх а) б) в) напряжение Uэб = Еэ – Uвх, т. е.

Рис. 20 Схемы включения транзистора структуры n-p-n:

напряжение Uэб уменьшается. Это вызовет а – с общей базой;

б – с общим эмиттером;

в – с общим коллектором уменьшение Iэ, а следовательно, и Iк, что приведет к уменьшению падения напряжения на Rн, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) увеличится. Рассуждая аналогично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~Uвх выходное напряжение будет уменьшаться. Таким образом, в схеме ОБ входной и выходной сигналы синфазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 0).

Входным током является ток эмиттера, выходным – ток коллектора. С учетом соотношения Iэ = Iк + Iб можно сказать, что Iвх > Iвых (с учетом малого значения IБ можно считать Iвх Iвых). Таким образом, в схеме ОБ усиления тока не происходит.

При малых напряжениях во входной цепи возникают токи значительной величины. Это возможно, если входное сопротивление схемы ОБ низкое.

Выходной ток, практически равный входному, протекает через большое сопротивление нагрузки Rн, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Та ким образом, в схеме ОБ происходит значительное усиление напряжения при высоком выходном со противлении схемы ОБ.

3.5.2 Схема с общим эмиттером В схеме (рис. 20, б) к базе транзистора относительно общего эмиттера приложены напряжения ~Uвх и Еб. При положительном полупериоде ~Uвх напряжение Uбэ = Еб + Uвх, т. е. напряжение Uбэ увеличива ется. Это вызовет увеличение Iб, а следовательно, Iэ и Iк, что приведет к увеличению падения напряже ния на Rн, при этом выходное напряжение (напряжение на коллекторе) уменьшится. Рассуждая анало гично, можно показать, что при отрицательном полупериоде ~Uвх выходное напряжение будет увеличи ваться. Таким образом, в схеме ОЭ входной и выходной сигналы парафазны (сдвиг фаз между входным и выходным сигналами равен 180°).

Входным током является ток базы, выходным – ток коллектора. Так как Iб << Iк, можно сказать, что Iвх << Iвых. Таким образом, в схеме ОЭ происходит значительное усиление тока.

При малых напряжениях во входной цепи токи также малы. Это говорит о том, что входное сопро тивление схемы ОЭ значительно выше, чем у схемы ОБ.

Выходной ток протекает через большое сопротивление нагрузки RH, при этом в выходной цепи должны действовать напряжения, значительно превышающие входные. Таким образом, в схеме ОЭ про исходит значительное усиление напряжения при высоком выходном сопротивлении схемы ОЭ (при этом оно ниже, чем у схемы ОБ).

Одновременное усиление напряжения и тока обеспечивает максимальный коэффициент усиления мощности по сравнению с другими схемами. Поскольку величины входного и выходного сопротивле ний имеют приемлемые для большинства случаев значения, схема ОЭ получила наибольшее распро странение при построении различных радиоэлектронных устройств на биполярных транзисторах.

3.5.3 Схема с общим коллектором В схеме (рис. 20, в) к следует рассматривать взаимное действие ЕБ, Ек и ~Uвх на переход база эмиттер. При положительном полупериоде ~UBX напряжение Uбэ = Еб + Uвх, т.е. напряжение Uбэ увели чивается. Это вызовет увеличение Iб, а следовательно, Iэ и Iк, что приведет к увеличению падения на пряжения на Rн, при этом выходное напряжение (теперь это напряжение на эмиттере) также увеличится.

Это напряжение, появившееся под действием входного сигнала, приложено к переходу база-эмиттер в полярности, противоположной напряжению ~Uвх, поэтому оно будет вызывать уменьшение Iб и выход ного напряжения. В результате такого взаимодействия входного и выходного сигналов входное сопро тивление схемы ОК получается очень высоким, а выходное напряжение почти равно входному (реально незначительно меньше). Выходное сопротивление в схеме ОК получается очень низким. Перечислим основные свойства последней схемы.

В схеме ОК входной и выходной сигналы синфазны.

В схеме ОК усиления напряжения не происходит.

В схеме ОК происходит значительное усиление тока.

Входное сопротивление схемы ОК очень высокое.

Выходное сопротивление схемы ОК очень низкое.

Схема ОК носит второе название «эмиттерный повторитель» и используется, как правило, для согласования источника сигнала с высоким внутренним сопротивлением и нагрузки с низким сопротивлением.

Отметим в заключение, что любая схема обеспечивает усиление мощности сигнала.

Контрольные вопросы 1 Какие полупроводниковые приборы называют биполярными транзисторами?

2 Как связаны постоянные токи в цепях транзистора?

3 Какие возможны схемы включения транзистора?

4 Как связаны переменные составляющие токов и напряжений в схеме включения транзистора с общей базой?

5 Какими статическими характеристиками принято определять свойства транзисторов?

6 Какими характеристическими параметрами связаны токи и напряжения на выходе транзистора?

7 Как измеряют h-параметры на низких частотах?

МОДУЛЬ 4 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Полевым транзистором (ПТ) называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, в ко тором изменение тока происходит под действием перпендикулярного току электрического по ля, создаваемого входным сигналом. Движение носителей заряда через канал – (область управ ляемой проводимости) от истока (области, являющейся источником дырок или электронов в за висимости от типа проводимости канала) к стоку (области, собирающей эти заряды из канала) управляет затвор.

Исток, сток и затвор по назначению эквивалентны соответственно эмиттеру, коллектору и базе в биполярном транзисторе или катоду, аноду и управляющей сетке в электронной лампе.

По физическим эффектам, лежащим в основе управления носителями заряда, ПТ условно делят на две группы – ПТ с управляющим p-n-переходом и ПТ с изолированным затвором (так называемой МДП- или МОП-транзисторы).

4.1 Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом Рассмотрим устройство и принцип действия прибора этой группы, выполненного по современной планарной технологии (рис. 21). В исходном кристалле кремния p-типа создается область n-типа, из ко торой в дальнейшем будет сформирован канал полевого транзистора.

На верхнюю грань пластины, имеющую электронную проводимость, вводится И З акцептор, создающий дырочную прово димость. От вновь созданной p-области с С помощью низкоомного невыпрямляющего р-Si контакта делается вывод, образующий управляющий электрод полевого КАНАЛ (N SI) транзистора – затвор. Такие же выводы З ПОДЛОЖКА (Р делаются от начала и конца сформированного в толще подложки канала, а) б) являющиеся соответственно истоком и Рис. 21 Устройство и условное графическое изображение стоком.

полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа Таким образом, в подложке в процессе изготовления полевого транзистора были сформированы два p-n-перехода: первый – между подложкой и каналом, второй – между каналом и за твором (на рисунке закрашен серым цветом). Первый переход изолирует канал от подложки и не при нимает дальнейшего участия в работе транзистора.

При включении полевого транзистора на сток относительно истока подается напряжение Uси такой полярности, чтобы основные носители заряда (электроны в канале n-типа) двигались по каналу в на правлении от истока к стоку. При этом через канал и по внешней цепи протекает ток стока Iс. Цепь ме жду стоком и истоком является главной. На затвор относительно истока подается напряжение Uзи, об ратное для p-n-перехода. Оно создает поперечное по отношению к каналу электрическое поле, напряженность ко торого зависит от величины приложенного напряжения. Чем больше это напряжение, а следовательно, сильнее электрическое поле, тем шире обедненный слой и уже канал.

С уменьшением поперечного сечения канала увеличивается его сопротивление, что приводит к умень шению тока Iс в цепи. Цепь между затвором и истоком является управляющей. Таким образом, принцип действия полевого транзистора с p-n-переходом основан на изменении сопротивления канала за счет изменения ширины области p-n-перехода под действием поперечного электрического поля, которое создается напряжением затвор-исток.

Из принципа действия полевого транзистора следует, что, в отличие от биполярного транзистора, он управляется не током, а напряжением Uзи. Поскольку это напряжение обратное, то в цепи затвора ток не протекает, входное сопротивление остается очень большим, на управление потоком носителей заряда, а значит, и выходным током Iс не затрачивается мощность.

Такой процесс происходит при небольшом напряжении Uси. При его дальнейшем увеличении по тенциалы точек канала относительно истока неодинаковы по его длине: они возрастают по мере при ближения к стоку от нуля до полного напряжения Uси. В связи с этим увеличивается и обратное напря жение на p-n-переходе в направлении от истока к стоку от значения, равного Uзи около истока, до сум мы Uзи + Uси у стока. Это вызывает постепенное расширение обедненного слоя по мере приближения к стоку и соответствующее сужение канала в направлении от истока к стоку.

4.2 Статические вольтамперные характеристики полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом Полевые транзисторы с p-n-переходом, в отличие от биполярных, не имеют входных характеристик в связи с отсутствием входного тока. Основными их характеристиками являются выходные (стоковые) и переходные (стоко-затворные).

Выходные характеристики полевого транзистора представляют собой зависимость тока стока от напряжения сток-исток при постоянном напряжении затвор-исток:

Iс = f (Uси) при Uзи = const.

Характеристики, снятые при разных значениях неизменной величины Uзи, составляют семейство выходных статических характеристик.

Переходные (стоко-затворные) характеристики полевого транзистора представляют собой зави симость тока стока от напряжения затвор-исток при постоянном напряжении сток-исток:

Iс = f (Uзи) при Uси = const.

Поскольку наклон выходных характеристик невелик, для практических целей можно ограничиться одной переходной характеристикой.

Принципиальная схема установки приведена на рис. 22. В ее состав входят источник питания с вы ходным напряжением 5 В 1, потенциометр 2 для задания напряжения затвор-исток Uзи и вольтметр для его измерения;

источник питания с регулируемым от 0 до некоторого максимального значения вы ходным напряжением 7 для задания напряжения сток-исток Uси и вольтметр 6 для измерения напряже ний Uси.

На рис. 23, а, приведено семейство выходных характеристик полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа. Каждая из характеристик имеет два принципиально различных участ ка.

2 ЗАТВОР ЗАТВОР – + И С И С КАНАЛ КАНАЛ 3 6 – + а) б) Рис. 24 Сужение канала полевого транзи Рис. 22 Схема установки для снятия статических характеристик стора полевого транзистора с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа Начальный участок характеризуется Iс быстрым ростом тока стока при возраста IС Uзи = 0 В нии напряжения сток-исток. При дальней шем увеличении этого напряжения рост Uзи = 0,25U тока замедляется, и характеристика пере ходит на другой, почти горизонтальный Uзи = 0,5U участок.

Uзи = 0,75U0 Такое поведение выходных характери стик объясняется явлением сужения кана Uз = U ла при возрастании падения напряжения на канале в направлении от истока к стоку, Uси = const UСИ U0 Uзи что вызывает рост обратного напряжения а) б) на управляющем p-n-переходе. Начальная Рис. 23 Статические характеристики полевого тран и конечная стадии этого процесса приве зистора дены на рис. 24, а, б. Максимальное суже с управляющим p n переходом и каналом n типа:

ние канала называется перекрытием кана ла, а такой режим работы транзистора – режимом насыщения. Именно ему соответствует пологий, поч ти горизонтальный участок характеристики.

Режим насыщения используется при работе полевого транзистора в схемах усиления, где они позволяют получать параметры, недостижимые в усилителях на биполярных транзисторах. На начальном крутом участке выходной характеристики полевой транзистор работает в режиме управляемого напряжением омического со противления. Такой режим широко применяется в различных системах автоматического регулирования.

Полевые транзисторы с p-n-переходом и каналом p-типа имеют такое же устройство и принцип действия;

по сравнению с транзисторами с каналом n-типа они требуют противоположной полярности источников питания.

4.3 ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ С ИЗОЛИРОВАННЫМ ЗАТВОРОМ (МОП-ТРАНЗИСТОРЫ) Основой полевого транзистора данной структуры является подложка – монокристалл кремния с от носительно небольшой дырочной (Si-р) или электронной (Si-n) электропроводимостью. На одной из сторон подложки технологически формируют тонкий слой диэлектрика с высоким удельным сопротив лением, обычно двуокиси кремния, толщиной 0,2...0,3 мкм. На часть внешней поверхности диэлектрика осаждают слой алюминия – этот электрод называют затвором транзистора.

Такую структуру характеризуют аббревиатурой МОП: металл-окисел-полупроводник (существуют также транзисторы, изготовленные по несколько отличной технологии, которой более соответствует структура металл-диэлектрик-полупроводник, сокращенно МДП).

У некоторых транзисторов структуры МОП два затвора. Такие транзисторы называют иногда МОП тетродами.

В подложке (рис. 25, а) непосредственно под диэлектриком формируют канал – область, электро проводность которой противоположна по знаку и больше по значению, чем остальной объем подложки.

Канал с электронной проводимостью называют для краткости n-каналом, а с дырочной – р-каналом.

Различают каналы встроенные – сформированные в процессе производства транзисторов – и индуциро ванные (подробнее о них ниже). Концы канала обладают большей удельной электропроводностью, об разуя электроды исток и сток транзисторов. Электроды принято обозначать буквами: подложка – П, ис ток – И, сток – С, затвор – З. Носители движутся в канале от истока к стоку. В одних типах полевых транзисторов подложка имеет отдельный вывод, в других – ее соединяют с истоком.

Встроенный n-канал транзисторов (серии КП305, КП313) создают при их изготовлении введением в часть объема подложки под диэлектриком донорной примеси. Между каналом и остальным объемом подложки образуется р-n-переход.

С И З С При наличии между стоком и истоком постоянного напряжения Uси (плюсом к П стоку) электроны в канале начинают пе З И ремещаться. Этот ток называют током ПОДЛОЖКА (Р стока Iс. Если теперь между затвором и б) а) истоком приложить постоянное напряже КАНАЛ ние Uзи, то в диэлектрике возникнет элек трическое поле, изменяющее ширину и И З С С электропроводность канала. В результате будет изменяться и ток стока. Электро П проводность канала и ток стока увеличи З И ваются при уменьшении отрицательного ПОДЛОЖКА (Р- напряжения на затворе до нуля и далее г) в) при увеличении положительного напря Рис. 25 Устройство и условные графические изображения полевых жения. Увеличение электропроводности транзисторов с изолированным затвором и отдельным выводом канала называют обогащением канала, а от подложки:

уменьшение – обеднением. В транзисторе а, б – со встроенным каналом n-типа;

в, г – с индуцированным каналом n-типа структуры МОП с двумя затворами (КП306, КП350) каждый из них влияет на ток стока независимо от другого.

В транзисторах с индуцированным каналом (рис. 25, в) в отсутствие напряжения на затворе канала нет – вся подложка (кроме истока и стока) имеет однородную электропроводность.

У транзистора с подложкой из кремния р-Si (КП901, КП904) на стоке, как у транзистора со встро енным каналом, должно быть положительное по отношению к истоку напряжение. Если и на затворе напряжение будет положительным, в диэлектрике возникнет электрическое поле, в прилегающей к ди электрику области подложки будут индуцироваться электроны, тип проводимости подложки в этой об ласти начнет изменяться с дырочного на электронный – будет формироваться n-канал и начнется пере мещение электронов от истока к стоку. При увеличении напряжения Uзи канал будет расширяться, а его электропроводность и ток стока увеличиваться.

В транзисторе с подложкой из кремния n-Si (КП301, КП304) процессы протекают аналогично, если на стоке напряжение отрицательно. Канал р-типа индуцируется при отрицательном напряжении на за творе, а ток стока определяет перемещение дырок.

Подчеркнем, что транзисторы структуры МОП с индуцированным каналом работают в режиме обо гащения;

при некотором пороговом напряжении Uзи пор ток стока практически прекращается. Следова тельно, транзистор работает в линейном режиме только при условии, что на его затвор подано постоян ное напряжение смещения.

На схемах структурные разновидности транзисторов МОП изображают по-разному, однако у всех вариантов есть общий элемент: затвор и подложка гальванически разобщены. Это хорошо согласуется с другим, также часто применяемым названием приборов рассматриваемой группы – полевые транзисто ры с изолированным затвором.

Необходимо отметить, что тонкий слой диэлектрика на подложке имеет очень малую электриче скую прочность. Поэтому транзисторы структуры МОП надо оберегать от наводок и статического элек тричества. В частности, при хранении и транспортировке выводы транзисторов должны быть замкнуты между собой.

Выходные характеристики полевых транзисторов с изолированным затвором аналогичны характе ристикам полевых транзисторов с управляющим p-n-переходом. При этом между тремя типами полевых транзисторов есть и существенные отличия.

Канал транзисторов с управляющим p-n-переходом полностью открыт при нулевом напряжении на затворе, при возрастании отрицательного напряжения на затворе канал сужается, при некотором отри цательном напряжении, называемом напряжением отсечки Uотс, канал полностью перекрывается.

Встроенный канал МОП-транзистора при нулевом напряжении на затворе имеет некоторую сред нюю ширину, расширяется при положительных напряжениях на затворе и сужается вплоть до перекры тия при отрицательных напряжениях на затворе. Поэтому говорят, что он работает в режимах обогаще ния и обеднения.

Индуцированный канал МОП-транзистора при нулевом напря- жении на затворе отсутствует и фомируется при некотором положительном пороговом напряжении Uпор. Поэтому говорят, что он работает только в режиме обогащения. Этим различиям соответствуют три различные переходные характеристики, изображенные на рис. 26. Характеристика 1 соответствует IC 1 2 Uoтc Uотс Uпор Uзи режим режим обеднения обогащения канала канала Рис. 26 Обобщенные переходные характеристики полевых транзисторов:

1 – с управляющим p-n-переходом;

2 – с изолированным затвором и встроенным каналом;

3 – с изолированным затвором и индуцированным каналом полевому транзистору с управляющим p-n-переходом, характеристика 2 – МОП-транзистору со встро енным каналом, характеристика 3 – МОП-транзистору с индуцированным каналом (все каналы имеют электронную проводимость).

В заключение отметим, что основным параметром, характеризующим полевой транзистор как уси лительный прибор, является крутизна переходной (стоко-затворной) характеристики S = Iс / Uзи.

Она может быть определена как по семейству входных характеристик при заданном напряжении сток-исток Uси, так и по переходной характеристике.

Контрольные вопросы 1 Опишите принцип работы полевого транзистора с управляющим р-n-переходом.

2 Чем отличаются полевые транзисторы с управляющим р-n-переходом от полевых транзисторов с изолированным затвором?

3 Чем отличаются полевые транзисторы с изолированным затвором с индуцированным каналом от транзисторов со встроенным каналом?

4 Какими характеристиками и параметрами описывают свойства полевых транзисторов?

5 В чем заключается основное отличие полевых транзисторов от биполярных?

МОДУЛЬ 5 ТИРИСТОРЫ Особую группу полупроводниковых приборов составляют многослойные приборы с тремя и более p-n-переходами, используемые в качестве электронных переключателей. Они объединяются общим на званием – тиристоры. В зависимости от числа наружных выводов различают двухэлектродный тири стор, или динистор, и трехэлектродный – тринистор.

Динисторы. Структура и условное графическое обозначение динистора приведены на рис. 27, а, б.

Прибор содержит четыре полупроводниковые области с чередующимися типами электрической прово димости: р-п-р-п. Крайняя р-область называется анодом, а крайняя n-область – катодом. Так как между двумя прилегающими друг к другу областями с различными типами электропроводности образуется электронно-дырочный переход, то в динисторе таких переходов оказывается три: 1, 2 и 3.

I В Анод (А) Iоткр.max Uоткр p А n Б Iуд А p 3 К Uобр.max Iзкр n б) 0 U Uвкл Uпр.зкр.max Катод (К) Г Iобр Iобр а) в) Рис. 27 Структура, условное графическое изображение и вольтамперная характеристика динистора Если динистор подключен к источнику напряжения так, что «минус» подается на анод, а «плюс» – на катод, то крайние р-n-переходы оказываются включенными в обратном направлении и через дини стор протекает небольшой обратный ток (участок ОГ) – рис. 27, в.

При изменении полярности источника внешнего напряжения переходы 1 и 3 включаются в прямом направлении, а средний переход в обратном. Сопротивление между анодом и катодом динистора в этом случае также велико (сотни ки лоом), и через него протекает небольшой ток Iзкр, измеряемый при напряжении Uпр.зкр.max, которое назы вают максимально допустимым постоянным прямым напряжением на закрытом тиристоре.

При некотором значении прямого напряжения, называемого напряжением включения Uвкл, средний переход открывается, сопротивление между анодом и катодом уменьшается до десятых долей ома. Та кое состояние динистора называют открытым. Падение напряжения на открытом динисторе составляет всего 1...2 В (участок БВ) и мало зависит от величины тока, протекающего через динистор. В справоч ных данных обычно указывается значение напряжения открытого тиристора Uоткр при максимально до пустимом постоянном токе Iоткр.max. Напряжение включения для динисторов составляет, как правило, десятки-сотни вольт. В открытом состоянии динистор находится до тех пор, пока через него протекает ток, не меньший, чем ток удержания Iуд. Для перевода динистора из открытого состояния в закрытое следует уменьшить напряжение внешнего источника примерно до 1 В или отключить его.

Трехэлектродные тиристоры (тринисторы). Тринистор отличается от динистора наличием третьего вывода от одной из средних областей. Благодаря третьему – управляющему – электроду три нистор можно открывать при напряжениях меньших, чем Uвкл и даже Uпр.зкр.max.

А А I Iу.от > Iу.от > Iу.от УЭ p p А А УЭ n n Iу.от Iу.от УЭ p p Iу.от К К УЭ n n Iвкл Iвкл Iвкл U К К а) б) в) Рис. 28 Структура, условное графическое изображение и вольтамперная характеристика тринистора Для этого нужно на управляющий электрод тринистора подать короткий (длительностью в несколько микросекунд) управляющий импульс положительной (если управляющий вывод электрода сделан от р-области) или отрицательной (при выводе от n-области) полярности (рис. 28, а, б). Семейство вольам перных характеристик тринистора, снятых при различных токах управляющего электрода, приведено на рис. 28, в.

Для перевода тринистора из открытого состояния в закрытое необходимо уменьшить основной ток до значения меньшего, чем Iуд. В цепях постоянного тока это осуществляется пропусканием через открытый тринистор короткого импульса обратного тока, превышающего прямой, для чего используется специаль ное коммутирующее устройство.

Тринистор, работающий в цепях переменного тока, запирается автоматически в момент окончания положительной полуволны основного тока. Этим объясняется широкое применение тринисторов в уст ройствах переменного тока – для управления электродвигателями переменного тока, в выпрямителях и инверторах, импульсных схемах, устройствах автоматики и др.

Ток и напряжение цепи управления небольшие, а основной ток может А-К составлять единицы, десятки и сотни ампер при анодных напряжениях от десятков-сотен до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиле ния по мощности у тринисторов достигает 104...105.

Симметричные тиристоры. Динисторы и тринисторы пропускают УЭ рабочий (основной) ток только в одном направлении. Для того чтобы ос новной ток протекал в обоих направлениях, можно использовать встреч но-параллельное включение двух тиристоров (рис. 29).

А-К Эту же задачу можно решить и более простым способом, применив Рис. 29 Встречно-параллельное двухсторонние полупроводниковые ключи. Структура таких приборов включение тиристоров для работы на переменном токе значительно сложнее, чем у несимметричных, и в простейшем случае со держит пять областей с различными типами проводимости, как показано на рис. 30, а. Здесь же приведено условное графическое обозначение этого типа тиристоров.

Iу.от > Iу.от I n УЭ УЭ p Iу.от Iу.от n U p n а) б) Рис. 30 Структура и условное графическое изображение симистора Такой симметричный тиристор по принципу действия аналогичен несимметричному тиристору и имеет аналогичную вольтамперную характеристику. Электрическая симметрия относительно его край них выводов, называемых символическими анодом и катодом, приводит к симметричной вольтампер ной характеристике относительно начала координат, общий вид которой приведен на рис. 30, б.

Такие приборы называют симисторами, или триаками. Они широко применяются в устройствах силовой электроники, работающих на переменном токе.

Следует отметить основные особенности данного класса полупроводниковых приборов. По способу управления (управление током) они аналогичны биполярным транзисторам. При этом они имеют весь ма существенное отличие от транзисторов: в них практически отсутствует активный режим, т.е. воз можность плавного управления выходным током. Все типы тиристоров работают в так называемом ключевом режиме, который характеризуется двумя противоположными состояниями прибора – откры тым и закрытым. В промежуточном состоянии тиристор находится в течение очень короткого отрезка времени, при этом процесс перехода из одного состояния в другое практически неуправляем. Поэтому при анализе работы тиристоров не используют статические характеристики (характеристики, снятые без нагрузки в выходной цепи). Очевидно, что подключение открытого тиристора непосредственно к выходу источника питания соответствует короткому замыканию, что неизбежно приведет к выходу из строя оборудования. Эти особенности тиристоров необходимо учитывать при разработке и расчете уст ройств на их основе. Следует также отметить, что принципы управления тиристорами в значительной степени отличаются от схемотехнических решений, использующихся при работе с другими типами электронных приборов, и изучаются в рамках специальных дисциплин.

Контрольные вопросы 1 Какие полупроводниковые приборы называют тиристорами?

2 Опишите устройство и принцип работы двухэлектродного тиристора.

3 Поясните вольтамперную характеристику тиристора.

4 Перечислите статические параметры тиристора.

5 Какими параметрами характеризуется быстродействие тиристора?

6 В ЧЕМ ЗАКЛЮЧАЕТСЯ РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ ТРИНИСТОРОМ И СИМИСТОРОМ?

МОДУЛЬ 6 ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ ПРИБОРЫ 6.1 Общие сведения Электровакуумные приборы – это электронные приборы, в которых проводимость осуществляет ся посредством электронов или ионов, движущихся между электродами через вакуум или газ.

Электровакуумные приборы подразделяют на электронные и ионные. В электронных приборах, к которым в первую очередь относятся электронные лампы, прохождение электрического тока осуществ ляется только за счет свободных электронов, в ионных – как за счет свободных электронов, так и за счет ионов.

Электронные лампы применяют в выпрямительных, усилительных и генераторных устройствах, а также в автоматике, вычислительной и измерительной технике. В настоящее время масштабы примене ния электронных ламп ограничены в связи с бурным развитием полупроводниковой техники и особенно микроэлектроники. Однако при больших частотах и мощностях электронные лампы еще находят широ кое применение.

Во всех электронных лампах источником свободных электронов является специальный электрод, называемый катодом. Катод испускает электроны за счет явления электронной эмиссии.

6.2 Электронная эмиссия ВАКУУМ Металлы характеризуются наличием большого количества свободных электронов, которые беспорядочно перемещаются в – – – – – – междуатомном пространстве.

При обычных условиях только отдельные электроны выходят + + + + + + из металла, преодолевая притягивающее действие его положи тельно заряженных ионов. В результате на поверхности металла формируется двойной электрический слой (рис. 31).

МЕТАЛЛ Этот слой образует электрическое поле, препятствующее даль нейшему выходу электронов из металла. Разность потенциалов в Рис. 31 Образование двойного электрического слоя на границе вакуум-металл этом поле между электрическими слоями называют потенциальным барьером.

Для преодоления этого барьера электроны металла должны получить извне определенную энергию, равную работе, которую надо совершить, чтобы преодолеть потенциальный барьер. Эта работа называ ется работой выхода и обозначается Wа. Отношение работы выхода к заряду электрона называется потенциалом выхода а = Wа /q0.

Существуют различные способы сообщения дополнительной энергии электронам металла и в зави симости от этого различные виды электронной эмиссии. Остановимся на двух: термоэлектронной и вто ричной.

Термоэлектронной эмиссией называют явление испускания электронов нагретым металлом (като дом). При нагревании катода скорости хаотического движения электронов увеличиваются, что приво дит к возрастанию их кинетической энергии. В результате число электронов, выходящих из металла, увеличивается. Эти электроны скапливаются около катода за счет притягивающего действия положи тельных ионов металла. Таким образом, вокруг катода образуется электронное облако, внутри которого электроны перемещаются в различных направлениях.

При этом определенная часть их возвращается обратно на катод.

С увеличением числа вышедших электронов плотность облака растет и дальнейший выход их затрудня ется, а число возвращающихся на катод электронов увеличивается до тех пор, пока не наступит дина мическое равновесие: число вышедших электронов окажется равным числу возвратившихся.

Плотность электронного облака (объемного заряда) зависит от температуры катода. Если на элек тронное облако действует внешнее ускоряющее поле, то электроны облака перемещаются от катода, т.е.

появится ток Iэ, называемый током эмиссии.

Вторичной эмиссией называется явление выхода электронов из «холодного» металла под действием бомбардировки его первичными электронами. Первичные электроны, обладающие относительно боль шой скоростью, встречая на своем пути поверхность металла, тормозятся и отдают свою энергию его электронам (например, аноду электронной лампы).

Электроны анода, получив дополнительную энергию, выходят за его пределы, образуя ток вторич ной эмиссии.

6.3 Катоды электронных ламп Катодом называют специальный электрод электровакуумного прибора, который является источ ником электронной эмиссии. Их различают по видам эмиссии.

Рассмотрим термокатоды и будем их для краткости называть просто катодами. В зависимости от способа подогрева различают катоды прямого и косвенного накала. Нагревание катодов прямого накала происходит за счет тока, проходящего по самому катоду, который обычно изготовляют из тугоплавких материалов (вольфрам, тантал) в виде нитей, спиралей или лент. При простоте конструкции, эти катоды имеют существенную особенность: имея малую массу, они обладают очень малой тепловой инерцией и поэтому их необходимо питать либо постоянным током, либо переменным током повышенной, по срав нению с промышленной, частоты.

Катоды косвенного накала представляют собой полый цилиндр 2 из ту гоплавкого металла. Нагрев его осуществляют нитью накала (подогревате лем) 1, помещенной внутрь катода и изолированной от него (рис. 32). Эти катоды благодаря относительно большой массе имеют заметную тепловую 1 инерцию и, следовательно, их можно питать переменным током.

Рис. 32 Устройство катода Катоды, выполненные из чистого металла (простые), имеют малую эко косвенного накала:

номичность Н, которая определяется как отношение тока эмиссии в милли 1 – подогреватель, 2 – катод амперах к одному ватту накальной мощности H = Iэ / Рн при высокой рабо чей температуре. Например, у вольфрамовых катодов H = 2...10 мА/Вт при рабочей температуре порядка 2300...2600 К.

Для увеличения экономичности и понижения рабочей температуры применяются активированные катоды. На поверхность таких катодов наносят слой активных металлов (например, бария).

Активированный слой создает ускоряющее поле и потенциал выхода уменьшается. Экономичность бариевых катодов H = 5...150 мА/Вт при рабочей температуре порядка 800...900 К.

Наряду с бариевыми катодами широко применяют оксидные, в которых активный слой состоит из оксидов щелочно-земельных металлов: бария, стронция и кальция. Большим недостатком оксидных ка тодов является испарение с их поверхности активного слоя. При этом атомы активного слоя осаждают ся на других электродах лампы, нарушая ее нормальную работу.

6.4 Электровакуумный диод Устройство и принцип действия. Диод представляет собой электронную лампу, имеющую два электрода: катод и анод. Диод, применяемый как выпрямитель переменного тока, называют кенотро ном. Он может выполнять и ряд других важных преобразовательных функций.

Конструктивно вакуумный диод оформлен в виде стеклянного или металлического баллона, внутри которого создан высокий вакуум (~10–5 Па). В баллоне размещают два электрода: анод и катод. Катод является источником свободных электронов, анод служит приемником испускаемых катодом электронов.

Для выяснения принципа действия диода воспользуемся схемой (рис. 33). Цепь питания катода кос венного накала на схемах обычно не указывается. С потенциометра Rп на участок анод-катод диода по дается напряжение Uа, называемое анодным. Когда это напряжение положительно, между анодом и ка тодом создается ускоряющее электрическое поле. Под его действием электроны, испускаемые катодом, устремляются на анод, замыкая цепь анодного тока Iа. Необхо димо иметь в виду, что здесь использовано условное направле мА ние тока.

Rп Если анодное напряжение отрицательно, электрическое по + Еа ле между анодом и катодом становится для электронов тормо Ia T3 – зящим и практически ни один электрон электронного облака, Ia нас3 b T возникающего вокруг катода, не попадает на анод. Цепь анодно V Ia нас2 a T го тока разорвана, и Iа = 0. Отсюда следует важный вывод: диод Ia нас обладает свойством односторонней проводимости.

Рис. Ia2 Схема установки для снятия Для расчета схем, в которых применяют диоды, необходимо вольтамперной характеристики диода использовать вольтамперные характеристики (рис. 34). Ход ха Ia рактеристики объясняется следующим. При отсутствии анодно го напряжения анодный ток лампы равен нулю, хотя вокруг катода и 0 Ua1 Ua2 Ua нас2 Ua существует электронное облако. С увеличением анодного напряжения Рис. 34 Вольтамперная Uа анодный ток увеличивается и электронное облако рассасывается.

характеристика диода Точка а характеристики соответствует такому режиму работы, когда анодный ток оказывается равным эмиссионному току, т.е. электронное облако полностью рассосалось. Для диодов с простыми катодами этот ток называется током насыще ния. Ему соответствует анодное напряжение Uа нас.

Для изменения тока насыщения необходимо менять температуру катода. Активированные катоды не имеют ярко выраженного участка насыщения характеристики (участок ab, рис. 34).

Параметры диодов. Внутреннее сопротивление Ri = Uа / Iа, т.е. отношение приращения анодного напряжения к приращению анодного тока на рабочем участке характеристики (участок 0а, рис. 34). Для выпрямительных ламп (кенотронов) его значения порядка нескольких сотен ом. Допустимая мощность рассеяния на аноде Ра доп выделяется при бомбардировке его электронами и при разогревании анода до некоторой допустимой температуры. Превышение Ра доп может привести к расплавлению анода. Для со временных анодов Ра доп колеблется в пределах от долей ватт до десятков ватт.

Максимальный анодный ток Iа max ограничен током эмиссии катода, а также перегревом катода и анода. Значения Iа max обычно лежат в пределах от 0,01 до 1 А.

Максимальное обратное напряжение Uобр.max – это такое максимальное анодное напряжение обрат ной полярности, при котором еще не наступает пробой промежутка между анодом и катодом. Оно зави сит от электрической прочности диода и лежит в пределах от десятков вольт до десятков киловольт.

6.5 ТРИОД Устройство и принцип действия. Триод представляет собой электронную лампу, имеющую три электрода: катод, анод и управляющий электрод – сетку. В триоде используется термоэлектронная эмиссия с катода и движение электронов в результирующем электрическом поле, создаваемом анодом и сеткой. Принцип действия триода обусловлен влиянием электрического поля сетки на поток электро нов, идущих от катода к аноду.

Рассмотрим влияние сетки при разных напряжениях на ней относительно катода и постоянном по ложительном напряжении анода. Для этого воспользуемся установкой, собранной по схеме рис. 35.

Если напряжение на сетке относитель мА но катода равно 0 (движок потенциометра Rпa Rпc установлен в среднее положение), то Rпc + она не создает своего электрического поля + Еа и не оказывает влияния на величину тока Ec – – анода. При накаленном катоде и отсутствии V анодного напряжения эмиттируемые элек V троны заполняют междуэлектродное про странство у катода. Заряд, созданный этими Рис. 35 Схема установки для снятия семейств анодных и электронами, называют отрицательным анодно-сеточных характеристик триода объемным зарядом. Этот заряд создает тормозящее электрическое поле для выходящих из катода электронов. Он тем больше, чем больше ко личество эмиттируемых электронов, т.е. чем больше напряжение накала. При подаче положительного анодного напряжения на анод попадают только электроны, обладающие достаточной энергией, чтобы преодолеть тормозящее поле около катода.

Если напряжение сетки положительное (движок потенциометра Rпc перемещен в верхнее положе ние), то между ней и катодом создается для электронов ускоряющее электрическое поле, которое скла дывается с ускоряющим полем анода;

результирующее ускоряющее поле для электронов в промежутке сетка-катод увеличивается, и больше электронов уходит из объемного заряда сквозь сетку на анод. В результате ток анода возрастает тем больше, чем выше положительное напряжение сетки. Однако такой режим работы триода практически не используется, так как часть электронов притягивается к положи тельно заряженной сетке, создавая в ее цепи ток сетки Iс, который вредно сказывается на работе лампы.

При отрицательном напряжении сетки (движок потенциометра Rпc установлен в нижнее положение) создается тормозящее электрическое поле для эмиттируемых катодом электронов;

ток анода уменьша ется тем сильнее, чем больше величина отрицательного напряжения сетки.

Отрицательное напряжение сетки, при котором ток анода становится равным нулю при положи тельном напряжении анода, называют запирающим напряжением Uсзап, при этом лампа оказывается за пертой, поскольку ток через нее не проходит. Это объясняется тем, что тормозящее поле сетки полно стью компенсирует ускоряющее поле анода. При дальнейшем увеличении отрицательного напряжения сетки лампа остается запертой. Таким образом, изменяя напряжение сетки, можно изменять величину тока анода, иначе говоря, управлять анодным током. Поэтому сетка в триоде называется управляющей.

Обычно для управления током анода используют изменение отрицательного напряжения сетки, чтобы исключить появление тока сетки. С уменьшением отрицательного напряжения сетки ток анода увеличивается, а с увеличением отрицательного – уменьшается.

Из сказанного следует, что благодаря экранирующему действию сетки, ослабляющему влияние анодного поля на анодный ток, а также меньшему расстоянию между сеткой и катодом, чем между ано дом и катодом, изменения напряжения сетки гораздо сильнее влияют на ток анода, чем такие же из менения напряжения анода. На этом основаны усилительные свойства триода и использование его для усиления электрических сигналов.

Характеристики триода. Анодный ток в триоде зависит от трех напряжений – накала, сетки и анода. Напряжение накала всегда поддерживается неизменным, равным номинальному, поэтому рас сматривают два вида статических характеристик триода:

анодные – зависимость тока анода от напряжения анода при постоянном напряжении сетки Ia = f (Ua) при Uc = const;

анодно-сеточные – зависимость тока анода от напряжения сетки при постоянном напряжении анода Ia = f (Uс) при Uа = const.

Схема установки для снятия статических характеристик триода (рис. 35) включает источники по стоянных напряжений Еа и Ес, потенциометры Rпа и Rпc для изменения напряжений анода и сетки, при боры для измерения напряжений анода и сетки и тока анода.

Анодные характеристики, снятые при разных значениях постоянного напряжения сетки, составляют семейство статических анодных характеристик (рис. 36, а). Анодные характеристики – это выходные характеристики триода.

Анодная характеристика, снятая при Uc = 0, выходит из начала координат;

при отсутствии напряже ния анода тока в цепи анода нет. Анодная характеристика нелинейна: с увеличением Ua ток растет сна чала медленно (из-за тормозящего действия отрицательного объемного заряда), а затем (по мере расса сывания этого заряда) – все быстрее.

Характеристика, снятая при постоянном отрицательном напряжении сетки, например при Uc = –2 В, начинается не из нуля, а правее, при некотором значении напряжения анода Ua1. Это объясняется тем, что с увеличением напряжения анода от нуля ток будет оставаться равным нулю до тех пор, пока уско ряющее поле анода не скомпенсирует около катода тормозящее действие поля сетки. Лампа остается запертой, если действующее напряжение отрицательно или равно нулю.

Чем больше абсолютная величина отрицательного напряжения сетки, при котором снимается анод ная характеристика, тем сильнее тормозящее поле сетки;

следовательно, тем сильнее должно быть ус коряющее поле анода для его компенсации. Поэтому при увеличении отрицательного постоянного на пряжения сетки анодные характеристики все больше сдвигаются вправо.

Ia, мА Uс = + 4 В Ia, мА Ua = 200 В Uс = + 2 В Uс = 0 Uс = – 2 В Ua = 100 В Uс = – 4 В Ua = 150 В Uа, В Uc, В Uа Uс зап а) б) Рис. 36 Семейства вольтамперных характеристик триода:

а – анодные;

б – анодно-сеточные При постоянном положительном напряжении сетки все анодные характеристики выходят из начала координат, так как даже при малом напряжении анода поле у катода ускоряющее и часть электронов попадает на анод. При большем положительном напряжении сетки анодные характеристики будут кру че.

Анодно-сеточные характеристики, снятые при разных значениях постоянного напряжения анода, составляют семейство статических анодно-сеточных характеристик (рис. 36, б). Анодно-сеточные характеристики являются передаточными характеристиками триода.

С повышением напряжения анода отрицательное запирающее напряжение увеличивается, поэтому анодно-сеточные характеристики, снятые при более высоком постоянном напряжении анода, сдвигают ся влево. Анодно-сеточные характеристики начинаются только в области отрицательных напряжений сетки, поскольку при положительном анодном напряжении лампу можно запереть только тормозящим полем сетки. Участки анодно-сеточных характеристик в области положительных напряжений сетки обычно не используются: хотя анодный ток с увеличением положительного напряжения сетки растет, но появляется и растет ток сетки, который приводит к искажению усиливаемых колебаний.

Параметры триода. Основными параметрами триода являются: крутизна анодно-сеточной харак теристики, внутреннее сопротивление, коэффициент усиления, а также максимально допустимое значе ние мощности, рассеиваемой анодом.

Крутизна анодно-сеточной характеристики триода S – это параметр, показывающий, на сколько миллиампер изменится ток анода при изменении напряжения сетки на 1 В при постоянном напряжении анода:

S = Ia /Uc при Ua = const.

Крутизна определяет наклон анодно-сеточной характеристики и измеряется в миллиамперах на вольт (мА/В). Крутизна в разных точках характеристики различна. Для данной точки крутизну характе ристики можно определить по анодно-сеточной характеристике, найдя приращения тока анода Ia и на пряжения сетки Uc как разность, соответственно, токов анода и напряжений сетки для двух близлежа щих точек характеристики.

Для разных типов триодов крутизна характеристики может иметь значение от 1...2 до 30...40 мА/В.

Внутреннее сопротивление триода Ri – это параметр, показывающий, на сколько вольт надо изме нить напряжение анода, чтобы ток анода изменился на 1 А при постоянном напряжении сетки:

Ri = Ua /Ia при Uc = const.

Внутреннее сопротивление характеризует сопротивление лампы изменению тока;

это сопротивле ние при переменном токе. Его называют также дифференциальным сопротивлением.

Внутреннее сопротивление, определяемое для разных точек, различно. В данной точке его можно определить, взяв на анодной характеристике близко расположенную вторую точку и найдя приращения напряжения анода Ua и тока анода Ia. Ri может иметь значения от сотен ом до десятков килоом.

Коэффициент усиления триода µ – это параметр, показывающий, во сколько раз изменение напря жения сетки сильнее влияет на ток анода, чем такое же по величине изменение напряжения анода. Его можно вычислить по двум анодным или анодно-сеточным характеристикам как отношение приращения напряжения анода к приращению напряжения сетки при одном и том же значении тока анода:

µ = Ua /Uc при Ia = const В анодной системе координат приращение напряжения сетки определяется как разность постоян ных значений Uc1 и Uc2, при которых снимались характеристики. В системе анодно-сеточных координат аналогично определяется Ua. Коэффициент усиления триода в зависимости от конструкции электродов может иметь значения от 5 до 30.

Для определения всех трех главных параметров для данной точки А на семействе статических ха рактеристик строят прямоугольный характеристический треугольник АВС так, чтобы его вершины ле жали на двух соседних характеристиках, катеты были параллельны осям координат, а гипотенузой слу жил отрезок АВ характеристики (рис. 37).

Это можно сделать как на анодных, так и на анодно-сеточных характеристиках. На семействе анод ных характеристик (рис. 37, а) катет АС соответствует приращению анодного напряжения Ua, катет ВС – Ia, мА Ia, мА Uс Uс Ua2 Uа В В Iа Iа Iа 5 А С А Iа Iа С Uа Uc 0 50 Uа, В –8 –6 –4 –2 0 Uа, В Uа1 Uа Uс2 Uс а) б) Рис. 37 Определение главных параметров триода с помощью характеристического треугольника:

а – на семействе анодных характеристик;

б – на семействе анодно-сеточных характеристик приращению тока анода Ia, а разность напряжений Uc2 и Uc1 – приращению напряжения сетки. По най денным приращениям определяют параметры:

S = Ia /Uc = ВС / (Uc2 – Uc1);

Ri = Ua /Ia = АС / ВС;

µ = Ua /Uc = АС / (Uc2 – Uc1).

Аналогично можно определить параметры по анодно-сеточным характеристикам (рис. 37, б).

Рассмотренные параметры, вычисленные для одной точки характеристики, связаны между собой соотношением, которое носит название уравнения параметров:

µ= SRi.

Рассеиваемая анодом мощность Ра – это энергия, приносимая на анод электронами за одну секунду.

Она равна произведению тока анода на напряжение анода:

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.