Раздел 1. Основы электроники

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ

 

ОСНОВЫЭЛЕКТРОНИКИ

И ЦИФРОВОЙ СХЕМОТЕХНИКИ

учебное пособие по МДК.04.02, МДК.03.02

для специальностей

09.02.03 – Программирование в компьютерных системах

09.02.04 – Информационные системы

 

 

Разработал

преподаватель Славкина Т.А.

 

 

Самара

Рассмотрено на заседании П(Ц)К «Информационные системы и технологии» Протокол №____от_________2015 г. Председатель П(Ц)К ___________ Шомас Е.А.

Утверждаю Зам. директора по УВР _________Логвинов А.В. «____»___________2015г.

 

Основы электроники и цифровой схемотехники. Учебное пособие. Составлено преподавателем КС ПГУТИ Славкиной Т.А., Самара КС ПГУТИ, 2015г. – 2,1 п.л.

 

Содержание

 

Раздел 1. Основы электроники
Тема 1.1 Введение. Физические основы полупроводниковой электроники. P–n -переход
Тема 1.2 Полупроводниковые диоды
Тема 1.3 Биполярные транзисторы
Тема 1.4 Полевые транзисторы
Тема 1.5 Элементы оптоэлектроники
Тема 1.6 Основы микроэлектроники
Раздел 2. Схемотехника цифровых устройств
Тема 2.1 Интегральные логические элементы
Тема 2.2 Комбинационные цифровые устройства
Тема 2.3 Последовательностные цифровые устройства
Список использованных источников

 

Раздел 1. Основы электроники

Тема 1.1. Введение. Физические основы полупроводниковой электроники. P–n -переход

1. История, перспективы и направления развития электроники

2. Собственные и примесные полупроводники

3. Образование p–n -перехода

4. Прямое и обратное включение p–n -перехода

5. Пробой p–n -перехода

6. Вольтамперная характеристика

1. Электронная техника или электроника – отрасль науки, техники, промышленности, занимающаяся исследованием, разработкой, производством и эксплуатацией электронных средств.

Результаты изучения электронных процессов и явлений, а также исследования и разработка методов создания электронных приборов и устройств получают своё воплощение в многообразных средствах электронной техники, развитие которой происходит по двум тесно переплетающимся направлениям. Первое из них связано с созданием электронных приборов различного назначения, второе – с созданием на их основе различной радиоэлектронной аппаратуры для решения задач в области вычислительной техники, информатики, связи, аудио-видеотехники, телемеханики и многих других областях практической деятельности человека.

Электронные приборы развивались и усовершенствовались, и сейчас можно говорить о четырех поколениях электронных устройств.

Первое поколение электронных приборов (начало – 50е годы 20 века) – это электровакуумные приборы: в 1904 году был создан электровакуумный диод, а в 1906 – электронная лампа (триод), способная усиливать электрические сигналы.

Второе поколение электронных приборов (50е – 60е годы 20 века) – это дискретные полупроводниковые приборы: в 1948 году был получен точечный биполярный транзистор, в 1950 году – плоскостной биполярный транзистор, а в 1952 году – полевой (униполярный) транзистор.

Третье поколение электронных приборов (60е – 80е годы 20 века) – это полупроводниковые интегральные схемы, представляющие собой функционально законченные узлы: логические элементы, усилители, генераторы и др. Их применение позволило сократить габариты, массу и энергопотребление радиоэлектронной аппаратуры, повысить её надежность по сравнению с радиоэлектронной аппаратурой первого и второго поколений.

Четвертое поколение электронных приборов (80е годы 20 века) – это большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС), микропроцессорные ИС.

2. Основой электронных приборов являются полупроводники – вещества, которые по своим электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками (веществами, способными хорошо проводить электрический ток) и диэлектриками (веществами, неспособными проводить электрический ток). Электропроводность полупроводников в значительной мере зависит от внешних факторов: температуры, освещенности, напряженности электрического поля.

Из большого числа полупроводниковых материалов наиболее часто применяются кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

вокруг него по орбитам разной формы. Электроны, находящиеся на разных орбитах обладают разной энергией, т.е. они находятся на разных энергетических уровнях. Электроны, находящиеся на внешней орбите называются валентными, они обладают наибольшей энергией. Именно они и определяют электропроводимость вещества. Валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей, соединяющих соседние атомы между собой в кристаллическую решетку. Внешние электроны слабее, чем другие связаны с ядром, поэтому при освещении, облучении или нагревании кристалла они отрываются от атома и становятся свободными подвижными носителями заряда. На месте отсутствующего электро-

Атомы этих веществ состоят из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся

на образуется дырка, а сам атом становится положительным ионом – неподвижным носителем заряда. Дырка вскоре замещается либо свободным электроном, либо электроном из соседней ковалентной связи. Следовательно, дырку тоже можно считать свободным подвижным носителем заряда. Так как на самом деле перемещается электрон, то его можно считать реальным носителем заряда, а дырку – виртуальным. Процесс образования пары электрон-дырка называется генерацией свободных носителей заряда. Электрон n (n egative) имеет отрицательный заряд, а дырка p (p ositive) – положительный. Когда электрон возвращается на орбиту, атом восстанавливает свою нейтральность, а пара носителей заряда исчезает. Происходит рекомбинация носителей заряда. Так как свободные электрон и дырка появляются и исчезают одновременно, то их концентрация в полупроводнике равна: n_i=p_i (индекс i означает, что все атомы в кристалле четырехвалентные). Такой полупроводник называется собственным или беспримесным.

Когда пятивалентный атом примеси попадает в кристаллическую решетку четырехвалентного полупроводника, четыре электрона образуют ковалентные связи. Пятый валентный электрон слабо связан со своим атомом и при малых энергиях, сообщаемых извне, легко отрывается от атома и становится свободным подвижным носителем заряда, а атом примеси становится положительным ионом (электрически кристалл остается нейтральным). Дырка при этом не образуется. В полупроводнике с донорной примесью свободных электронов больше, чем дырок и его называют полупроводником с электронной проводимостью или полупроводником n-типа.

Собственная проводимость полупроводников очень мала. Чтобы ее повысить в полупроводник добавляют примеси. Очень незначительной ее концентрации (один атом примеси на 10⁵ атомов кремния). Различают донорные примеси (увеличивающие число свободных электронов) и акцепторные примеси (захватывающие электроны и увеличивающие число свободных дырок). В качестве донорной примеси используют пятивалентные вещества: фосфор P, сурьму Sb, мышьяк As. В качестве акцепторной примеси используют трехвалентные вещества: индий In, галлий Ga, алюминий Al или бор B.

Если трехвалентный атом примеси попадает в кристаллическую решетку четырехвалентного полупроводника, то для образования четырех ковалентных связей у примесного атома не хватает одного электрона. Этот электрон может быть получен от атома основного полупроводника за счет разрыва ковалентной связи. Разрыв ковалентной связи приводит к появлению дырки, а атом примеси становится отрицательным ионом (электрически кристалл остается нейтральным). В полупроводнике с акцепторной примесью дырок больше, чем электронов и его называют полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа. Дырки являют-

Электроны являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

ются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.

3. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на физических явлениях, происходящих в области контакта твердых тел. Преимущественно используются контакты: полупроводник-полупроводник; металл-полупроводник; металл-диэлектрик-полупроводник.

Если создается контакт между полупроводниками p- типаи n- типа, то между ними возникает тонкий переходный слой, который называется электронно-дырочный переход или p–n-переход. Этот переход обладает особыми электрическими свойствами.

P–n -переход создается в одном кристалле полупроводника с использованием сложных и разнообразных технологических операций.

Изначально p-область и n-область полупроводника электрически нейтральны. В p-области преобладают подвижные носители заряда – дырки, а в n-области – электроны. При возникновении контакта между p- и n-областями подвижные носители заряда стремятся выровнять концентрацию носителей заряда. Возникает процесс диффузии: основные носители зарядов из области с большей концентрацией переходят в область с меньшей концентрацией, т. е. электроны из n-области в p-область, а дырки из p-области в n-область. Этим процессом обусловлен ток диффузии основных носителей заряда I_{диф онз}. Хотя диффузионное движение электронов и дырок происходит в противоположных направлениях, токи, обусловленные их движением, направлены в одну сторону, так как заряды электронов и дырок имеют противоположные знаки (за направление тока принято направление движения положительного заряда). Поэтому общий диффузионный ток через p–n -переход равен сумме электронного и дырочного диффузионных токов: I_диф = I_{p диф} + I_{n диф}

Подвижные носители заряда, покидая свою область, оставляют на границе p–n -перехода заряженные ионы – неподвижные носители заряда. В p-области концентрируются отрицательные ионы, а в n-области – положительные. Электрическая нейтральность областей нарушается, в переходе образуется электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам. Между p- и n-областями устанавливается контактная разность потенциаловUк, которая препятствует дальнейшей диффузии основных носителей зарядов (электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область), т.е. между p- и n-областями создается потенциальный барьер или запирающий

щий слой для движения основных носителей. Этот барьер будет препятствовать дальнейшему нарастанию диффузионного тока. Электрическое поле p–n -перехода вызывает движение неосновных носителей зарядов из зоны p–n -перехода (дырок из n-области в p-область и электронов из p-области в n-область) – дрейф неосновных носителей заряда. Это движение образует ток дрейфа I_{др ннз}, направленный навстречу диффузионному току.

Процессы диффузии и дрейфа уравновешивают друг друга, дрейфовый и диффузионный токи становятся равными по величине, но противоположны по направлению. Результирующий ток через переход равен нулю:

I_{диф онз} =-I_{др ннз}

I_p-n= I_{диф онз}-I_{др ннз}=0

Ширина p–n -перехода d₀ зависит от концентрации примеси. Чем больше концентрация, тем уже потенциальный барьер.

Прямое напряжениеUпр создает в переходе внешнее электрическое поле (Евнш), направленное навстречу внутреннему полю (Евнт), напряженность результирующего поля падает, потенциальный барьер уменьшается на величину Uпр. Ширина p–n -перехода и его сопротивление также уменьшаются. В результате понижения потенциального барьера начинается интенсивное движение основных носителей зарядов (дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область полупроводника). Это ведет к росту диффузионного тока, он становится гораздо больше дрейфового: Iдиф онз>> Iдр ннз Результирующий ток через p–n -переход: Ip-n= Iдиф онз-Iдр ннз≈Iдиф онз

4. При прямом включении p–n -перехода к p-области подключается положительный полюс внешнего источника питания, а к n-области – отрицательный.

Этот ток называется прямым током I_пр, его величина достигает сотен мА и даже единиц А. Прямое напряжение на p–n -переходе составляет десятые доли В, сопротивление перехода R_пр – единицы Ом. Такое состояние p–n -перехода называют открытым.

При обратном включении p–n -перехода к p-области подключается отрицательный полюс внешнего источника питания, а к n-области – положительный. Обратное напряжение U_обр создает

внешнее электрическое поле (Евнш), совпадающее по направлению с внутренним полем (Евнт), напряженность результирующего поля растет, потенциальный барьер увеличивается на величину Uобр. Ширина p–n -перехода и его сопротивление также увеличиваются. В результате возрастания потенциального барьера меньшее количество основных носителей заряда сможет его преодолеть. Это ведет к уменьшению диффузионного тока, он становится даже меньше дрейфового: Iдиф онз< Iдр ннз Результирующий ток через p–n -переход: Ip-n= Iдиф онз-Iдр ннз≈-Iдр ннз Этот ток называется обратным током Iобр, его величина составляет от единиц до сотен мкА, что в тысячи раз меньше прямого тока. Обратное напряже-

ние на p–n -переходе составляет десятки и даже сотни В, сопротивление перехода R_пр – миллионы Ом. Такое состояние p–n -перехода называют закрытым.

5. При обратном включении p–n -перехода при дальнейшем повышении обратного напряжения можно наблюдать пробой p–n-перехода – резкое увеличение обратного тока при некотором определенном обратном напряжении. Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой бывает лавинным и туннельным. При всех видах пробоя резкий рост тока связан с увеличением количества носителей в переходе.

Электрический пробой происходит под действием сильного электрического поля и ударной ионизации атомов кристаллической решетки. Электроны под действием сильного электрического поля приобретают большую энергию и, сталкиваясь с атомами кристаллической решетки, могут выбивать из них валентные электроны. Этот процесс нарастает лавинообразно, количество неосновных носителей увеличивается, сопротивление перехода резко падает и обратный ток возрастает. Такой пробой называется лавинным. Туннельный пробой обусловлен прямым переходом валентных электронов из p-области в зону проводимости n-области под действием сильного электрического поля без изменения энергии электрона. Электрический пробой не вызывает необратимых изменений в кристаллической структуре полупроводника; уменьшив обратное напряжение, можно вернуться к закрытому состоянию p–n -перехода.

Тепловой пробой возникает в результате нарушения равновесия между выделяемым в p–n -переходе и отводимым от него теплом, т.е. в результате перегрева. При определенных условиях p–n -переход разрушается, т.е. тепловой пробой необратимый процесс.

через p–n -переход, от приложенного к нему напряжения. ВАХ p–n -перехода имеет две ветви: прямую Iпр=f(Uпр)и обратную Iобр=f(Uобр). Прямая ветвь (ОА) показывает экспоненциальное нарастание прямого тока и характеризует открытое состояние p–n -перехода. Обратная ветвь имеет три участка: OB – слабое нарастание обратного тока, BC – электрический пробой, BD – тепловой пробой. Обратная ветвь характеризует закрытое состояние p–n -перехода.

6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p–n -перехода – это зависимость тока, протекающего

Тема 1.2. Полупроводниковые диоды

1. Определение, классификация, условно-графическое обозначение

2. Система обозначений диодов

3. Параметры и применение различных типов диодов

1. Полупроводниковый диод – электронный прибор, содержащий один p–n -переход и имеющий два вывода.

В зависимости от выполняемой функции диоды делят на следующие основные группы: выпрямительные, стабилитроны, варикапы, туннельные, фото- и светодиоды, универсальные, импульсные, сверхвысокочастотные.

По типу p–n -перехода различают плоскостные и точечные полупроводниковые диоды. Плоскостным называют p–n -переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, значительно больше его толщины. Точечным является переход, у которого наоборот линейные размеры, определяющие его площадь, меньше его толщины.

Каждый диод имеет условно-графическое обозначение (УГО), которым он обозначается на электрических схемах различных устройств.

Тип диода	Условно-графическое обозначение	Буквенное обозначение в маркировке
Выпрямительный		Д
Стабилитрон		С
Варикап		В
Туннельный диод		И
Фотодиод		Ф
Светодиод		Л

2. Система обозначений полупроводниковых диодов состоит из буквенных и цифровых элементов и дает четкое представление об электронном приборе. Четыре элемента маркировки диода обозначают следующее:

Первый элемент (буква или цифра) – исходный полупроводниковый материал

Г или 1 – германий;

К или 2 – кремний;

А или 3 – соединения галлия, чаще всего арсенид галлия.

Второй элемент (буква) – тип диода по назначению

Д – выпрямительный

С – стабилитрон

В – варикап

И – туннельный

Ф – фотодиод

Л – светодиод

Третий элемент (число) – электрические свойства диода и порядковый номер разработки

Четвертый элемент (буква) – разновидность диода в данной серии.

Например,

КД213А – кремниевый выпрямительный диод большой мощности разновидности А.

1 2 3 4

3. Принцип работы и назначение диода определяется тем или иным свойством p–n -перехода. Свойства полупроводниковых диодов оценивают параметрами. Различают общие параметры, которыми характеризуется любой полупроводниковый диод, и специальные параметры, присущие только отдельным диодам.

Общими параметрами диодов являются:

- максимально допустимая температура перехода T_{п max} – максимальная температура перехода, при которой не возникает тепловой пробой;

- максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом P_{д max} – максимальная мощность, выделяемая на диоде, не вызывающая его перегрева;

- максимально допустимый прямой ток I_{пр max} – прямой ток, при котором температура p–n -перехода диода достигает значения T_{п max};

- максимально допустимое обратное напряжение U_{обр max} – максимальное обратное напряжение, при котором не возникает пробой p–n -перехода.

Также общими для всех диодов являются параметры, определяемые по вольт-амперным характеристикам.

Выпрямительный диод – диод, предназначенный для выпрямления переменного тока, т.е. для преобразования переменного тока в постоянный.

Принцип действия выпрямительного диода основан на односторонней проводимости p–n -перехода и представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением: при прямом включении диод открыт, ключ замкнут, через диод протекает ток; при обратном включении диод закрыт, ключ разомкнут, ток через диод не протекает.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода аналогична ВАХ p–n -перехода, имеет прямую и обратную ветви. Из ВАХ видно, что прямой ток большой по величине и возрастает при увеличении прямого напряжения, а обратный ток мал и при возрастании обратного напряжения изменяется незначительно.

Основные параметры выпрямительного диода:

- коэффициент выпрямления K= I_пр / I_обр, который показывает во сколько раз прямой ток больше обратного при одном и том же значении прямого и обратного напряжений;

- дифференциальное сопротивление R_i =ΔU/ΔI, которое определяется по ВАХ диода как в прямом, так и в обратном включении.

Выпрямительные диоды применяются в схемах выпрямителей переменного тока в устройствах электропитания как профессиональной, так и бытовой аппаратуры. Простейшей схемой выпрямления является следующая схема:

Если на схему подается переменное напряжение, то при положительной полуволне диод включен в прямом направлении, через него и сопротивление нагрузки R_н протекает ток, конденсатор заряжается. При отрицательной полуволне диод включен в обратном направлении и ток не пропускает, а конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R_н. Таким образом, в нагрузке протекает постоянный ток с небольшими пульсациями.

Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором практически не зависит от протекающего через него тока. Поэтому стабилитроны используются для стабилизации напряжения. Исходным материалом для стабилитронов является кремний, так как он имеет большую ширину запрещенной зоны, и значительное увеличение обратного тока не приводит к тепловому пробою. Принцип работы стабилитрона основан на явлении электрического пробоя p–n -перехода, поэтому стабилитрон работает при обратных напряжениях.

ВАХ стабилитрона представляет собой обратную ветвь ВАХ p–n -перехода. Рабочим участком является участок электрического пробоя. По ВАХ видно, что при значительном изменении обратного тока напряжение практически не изменяется, т.е. оно стабильно.

Основные параметры стабилитрона:

- напряжение стабилизации U_ст. Значение U_ст определяется концентрацией примеси: чем она меньше, тем выше напряжение стабилизации;

- минимальный ток стабилизации I_{ст min}, при котором начинается электрический пробой;

- максимальный ток стабилизации I_{ст max}, при котором температура перехода не выше допустимой;

- дифференциальное сопротивление стабилитрона R_{i ст} = ΔU_ст /ΔI_ст. Чем меньше R_{i ст}, тем меньше разброс U_ст, т.е. тем качественнее стабилитрон;

- температурный коэффициент α_ст, который показывает изменение U_ст при изменении температуры.

Простейшая схема стабилизации приведена на рисунке. При повышении входного напряжения U_вх в стабилитроне возникает электрической пробой, т.е. увеличивается число носителей заряда, а значит, уменьшается сопротивление стабилитрона, и увеличивается протекающий через стабилитрон ток. Напряжение на стабилитроне остается неизменным. На R_огр гасится избыток напряжения, благодаря чему не происходит теплового пробоя. При уменьшении U_вх, сопротивление стабилитрона увеличивается, ток уменьшается, напряжение остается неизменным. Нагрузка включается параллельно стабилитрону.

Варикап – полупроводниковый диод с электрически управляемой емкостью. Принцип работы варикапа основан на зависимости барьерной емкости от приложенного обратного напряжения. Поэтому варикап работает при обратных напряжениях.

Характеристикой варикапа является вольт-фарадная характеристика – зависимость емкости варикапа от приложенного к нему напряжения.

Параметры варикапа:

- коэффициент перекрытия по емкости – К_с = С_max/C_min;

- добротность Q – отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь.

Варикапы применяются в качестве электрически управляемой емкости для регулировки резонансной частоты в устройствах частотной модуляции, автоматической подстройки частоты, параметрических усилителях.

На варикап VD подается обратное напряжение от источника Е. При изменении сопротивления потенциометра R, изменяется подаваемое на варикап напряжение, поэтому изменяется емкость варикапа.

Туннельный диод – диод, имеющий на вольт-амперной характеристике участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Работа туннельного диода основана на туннельном эффекте, когда электроны из n-области напрямую проходят в p-область, не изменяя своей энергии.

ВАХ туннельного диода имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который является рабочим. На этом участке при увеличении напряжения ток падает.

Основные параметры туннельного диода:

- ток пика I_п – максимальный ток туннельного эффекта;

- напряжение пика U_п – соответствует пиковому току;

- ток впадины I_в – минимальный ток туннельного эффекта;

- напряжение впадины U_в – соответствует току впадины;

- отрицательное дифференциальное сопротивление R_-= ΔU/ΔI, определяемое на рабочем участке АВ.

Туннельные диоды применяются в качестве генераторов СВЧ колебаний, переключающих устройств, усилителей с небольшим коэффициентом усиления.

Тема 1.3. Биполярные транзисторы

1. Понятие, устройство биполярных транзисторов

2. Режимы работы биполярного транзистора

3. Схемы включения биполярного транзистора

4. Характеристики биполярного транзистора

1. Транзистор – электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним или несколькими взаимодействующими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности, имеющий три или более выводов. Действие транзистора основано на управлении движением носителей электрических зарядов в полупроводниковом кристалле.

Биполярный транзистор имеет два взаимодействующих p–n -перехода и три полупроводниковые области с чередующейся полярностью. Каждая область имеет вывод (электрод). Полярность крайних областей одинаковая, а средней – противоположная. Поэтому транзистор называют биполярным. В зависимости от чередования полярности областей различают транзистор p-n-p структуры и транзистор n-p-n структуры. Структура транзистора на условно-графическом изображении обозначается направлением стрелки. Она показывает направление тока: от p-области к n-области.

p-n-p структураn-p-n структура

Области биполярного транзистора получили свое название в соответствии с процессами, которые происходят при его работе:

- эмиттер (Э) – область с самой высокой концентрацией примеси;

- база (Б) – средняя область с самой низкой концентрацией примеси и геометрически самая тонкая (ее толщина меньше диффузионной длины);

- коллектор (К) – вторая крайняя область.

Между областями транзистора возникают два p-n -перехода: между эмиттером и базой – эмиттерный переход (ЭП), между базой и коллектором – коллекторный переход (КП).

2. При использовании транзистора в качестве элемента схемы к каждому его переходу подключается внешнее напряжение. В зависимости от полярности напряжений на эмиттерном и коллекторном переходах можно получить четыре режима работы транзистора:

Режим	Эмиттерный переход	Коллекторный переход	Примечание
напряжение	состояние	напряжение	состояние
Активный	Uпр	открыт	Uобр	закрыт	транзистор обладает усилительными свойствами
Насыщения	Uпр	открыт	Uпр	открыт	транзистор имеет малое сопротивление и хорошо проводит ток – транзистор открыт
Отсечки	Uобр	закрыт	Uобр	закрыт	транзистор имеет высокое сопротивление и почти не проводит ток – транзистор закрыт
Инверсный	Uобр	закрыт	Uпр	открыт

В активном режиме на эмиттерный переход подается прямое напряжение, а на коллекторный – обратное. Эмиттерный переход открыт, его сопротивление мало, через переход протекает большой ток. Т.к. концентрация примесей в эмиттере велика, то этот ток в основном будет образован диффузией носителей заряда из эмиттера в базу. Этот процесс называется инжекция, а ток из эмиттера в базу – эмиттерный ток Iэ. В базе часть носителей заряда, инжектированных из эмиттера, рекомбинирует, образуя ток базы Iб. Толщина базы меньше диффузионной длины, поэтому основная часть носите-

В активном режиме транзисторы работают в аналоговых, в частности, усилительных схемах. Режимы насыщения и отсечки используются в импульсных или цифровых схемах. Биполярный транзистор является базовым элементом интегральных схем. Инверсный режим используется очень редко.

телей заряда не успевает рекомбинировать, проходит базу до коллекторного перехода и электрическим полем этого перехода перебрасывается в коллектор. Этот процесс называется экстракция, а ток возникающий при этом – коллекторный ток I_к.

Между токами в транзисторе существуют следующие соотношения:

I_э = I_к + I_б I_б<< I_к I_э≈ I_к

3. При включении транзистора в схему один из его электродов является входным, второй – выходным, а третий – общим. На входной и выходной электроды от внешних источников питания подаются напряжения, отсчитываемые относительно общего электрода. В зависимости от того, какой электрод является общим для входной и выходной цепей, существуют три схемы включения биполярного транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК).

Схема с общей базой

В этой схеме входной электрод – эмиттер, выходной – коллектор. Входные параметры: I_вх = I_э, U_вх = U_эб, выходные параметры: I_вых = I_к, U_вых = U_кб.

Коэффициент передачи тока: К_т = α= ΔI_к/ ΔI_э. Так как ток коллектора I_к почти равен току эмиттера I_э (немного меньше его), то К_т < 1 (0,95).

Недостатки схемы: не усиливает ток, имеет низкое входное и высокое выходное сопротивления.

Достоинства схемы: температурная стабильность, эффективное усиление колебаний высоких частот.

Схема с общим эмиттером

В этой схеме входной электрод – база, выходной – коллектор. Входные параметры: I_вх = I_б, U_вх = U_бэ, выходные параметры: I_вых = I_к, U_вых = U_кэ.

Коэффициент передачи тока: К_т = β= ΔI_к/ ΔI_б. Так как I_б<< I_к, то коэффициент передачи тока β велик и достигает сотен раз. У современных транзисторов β находится в диапазоне от 40 до 400.

Достоинства схемы: усиливает ток и напряжение, т.е. дает наибольшее усиление по мощности, большее входное и меньшее выходное сопротивления.

Недостатки схемы: не дает усиления по напряжению, худшие, чем у схемы с общей базой температурные и частотные свойства.

Схема с общим коллектором

В этой схеме входной электрод – база, выходной – эмиттер. Входные параметры: I_вх = I_б, U_вх = U_бк, выходные параметры: I_вых = I_э, U_вых = U_эк.

Коэффициент передачи тока: К_т = γ= ΔI_э/ ΔI_б = (ΔI_к + ΔI_б)/ ΔI_б = β+1.

Достоинства схемы: усиливает ток, имеет высокое входное и низкое выходное сопротивления, что обеспечивает согласование с различными устройствами на входе и выходе схемы.

Недостатки схемы: не дает усиления по напряжению.

4. Статические характеристики – графики, выражающие функциональную связь между токами и напряжениями транзистора, работающего без нагрузки при постоянных напряжениях на его электродах. Различают входные и выходные статические характеристики транзистора.

Выходные характеристики – зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном входном токе: Iвых = f(Uвых) при Iвх = const. В схеме с общей базой входная характеристика это зависимость Iэ = f(Uэб) при Uкб = const. Обычно в справочниках приводят две входные характеристики, измеренные при Uкб = 0 и |Uкб| ≠ 0. Они представляют собой ВАХ открытого эмиттерного p–n -перехода. При повышении напряжения |Uкб| усиливается процесс диффузии носителей из эмиттера в базу, и это приводит к увеличению эмиттерного тока. Поэтому соответствующая характеристика проходит выше, т.е. при одном и том же входном напряжении ток эмиттера больше.

Входные характеристики – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении: I_вх = f(U_вх) при U_вых = const.

Выходная характеристика это зависимость Iк = f(Uкб) при Iэ = const. В справочниках приводится семейство выходных характеристик, измеренных при нескольких значениях входного тока. Они представляют собой обратную ветвь ВАХ закрытого коллекторного p–n -перехода. Характеристики почти не имеют наклона, что показывает высокое значение выходного сопротивления транзистора в схеме с ОБ. 12Следующая ⇒ Поделиться: Поиск по сайту ©2015-2025 poisk-ru.ru Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование. Дата создания страницы: 2018-01-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

 Поиск по сайту: Читайте также: Деталирование сборочного чертежа Когда производственнику особенно важно наличие гибких производственных мощностей? Собственные движения и пространственные скорости звезд Тема 11. Банковские риски и способы их оценки Опросник «Активность повседневной жизни» Интересно: Как правильно принимать препараты кальция? Какие несчастные случаи на производстве подлежат расследованию и учету? Роль коммуникаций в менеджменте. Виды коммуникаций Роль грибов в заболеваниях растений Обратная связь