ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 5

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД

 

Диод – двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним p–n- переходом, обладающий односторонней проводимостью тока. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, светодиоды и др.

Работа диода объясняется свойствами электрического p–n- перехода.

Вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда (из-за рекомбинации) и обладающий высоким электрическим сопротивлением, – так называемый запирающий слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Если к p–n -переходу приложить внешнее напряжение, создающее электрическое поле в направлении, противоположном полю электрического слоя, то толщина этого слоя уменьшится и при напряжении 0,4…0,6 В запирающий слой исчезнет, а ток существенно возрастет (этот ток называют прямым). При подключении внешнего напряжения другой полярности запирающий слой увеличится и сопротивление p–n- перехода возрастет, а ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, будет незначительным даже при сравнительно больших напряжениях.

Прямой ток диода создается основными, а обратный – неосновными носителями заряда. На рис. 1 показаны условное графическое обозначение диода, его идеальная и реальная вольт-амперная характеристики (ВАХ). На ВАХ реального диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Электрический пробой является обратимым явлением. При возвращении в рабочую область диод не теряет своих свойств. Если обратный ток превысит определенное значение, то электрический пробой перейдет в необратимый тепловой с выходом прибора из строя.

Промышленностью в основном выпускаются германиевые (Ge) и кремниевые (Si) диоды.

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– максимально допустимый прямой ток I_пр.max;

– максимально допустимое обратное напряжение U_обр.max;

А

К

VD

I

U ак

I,А

U обр, В

Область электрического пробоя

Прямая ветвь

Обратная ветвь

Рис. 1. Полупроводниковый диод

I, мкА

а)

1

10

100

1

U пр ,, В

б)

в)

0

По первому параметру выпрямительные диоды делят на диоды:

– малой мощности, прямой ток до 300 мА;

– средней мощности, прямой ток 300 мА…10 А;

– большой мощности – силовые, максимальный прямой ток определяется классом и составляет 10, 16, 25, 40, …1600 А.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, напряжение на которых в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Их используют для стабилизации напряжения.

I

U

D Uст

I ст.мин

I ст.макс

Рис. 2. ВАХ стабилитрона

Рабочий участок

Рабочим участком на ВАХ стабилитрона является зона электрического пробоя (рис. 2).

Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний.

Основные параметры стабилитрона:

1) напряжение стабилизации U_ст;

2) дифференциальное сопротивление на участке стабилизации R _д = dU_ст /dI _ст;

3)

VD

минимальный и максимальный токи стабилизации I _ст.мин и I _{ст.макс}.

 

ТРАНЗИСТОР

 

 

Рис. 3. Биполярный транзистор: а) p–n–p -структуры без корпуса; б) n–p–n -структуры в корпусе

э

б

к

э

б

к

VT

а)

б)

Транзистор – полупроводниковый прибор с одним или несколькими электрическими переходами, пригодный для усиления мощности сигнала и имеющий обычно три вывода. Транзисторы делятся на биполярные и униполярные (полевые).

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Термин «биполярный» связан с тем, что в этих транзисторах используются носители зарядов двух типов: электроны и дырки. Для изготовления транзисторов применяют те же материалы, что и для диодов. В биполярных транзисторах с помощью трехслойной полупроводниковой структуры из полупроводников различной электропроводности создаются два p–n -перехода с чередующими типами электропроводности (p–n–p или n–p–n). Транзисторы конструктивно могут быть беcкорпусными (рис.3,а) (для применения, например, в составе ИМС) и заключенными в типовой корпус (рис. 3,б). Три вывода биполярного транзистора называются база, коллектор и эмиттер.

В зависимости от общего вывода можно получить три схемы подключения транзистора: с общей базой (ОБ), общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Рассмотрим работу транзистора в схеме ОБ, (рис. 4).

А

n

p

n

к

б

э

I э

I б

I к

R э

E1

E2

e–

e–

e–

Рис. 4. Схема работы транзистора

Эмиттер инжектирует (поставляет) в базу основные носители, в нашем примере для n-p- n -типа ими будут электроны. Источники выбирают так, чтобы E2 >> E1. Резистор R_э ограничивает ток открытого p–n- перехода.

При E1 = 0 ток через коллекторный переход мал (обусловлен неосновными носителями), его называют начальным коллекторнымтоком I_к0. Если E1 > 0, электроны преодолевают эмиттерный

p–n- переход (E1 включена в прямом направлении) и попадают в область базы. Базу выполняют с большим удельным сопротивлением (малой концентрацией примеси), поэтому концентрация дырок в базе низкая. Следовательно, немногие попавшие в базу электроны рекомбинируют с ее дырками, образуя базовый ток I_б. Одновременно в коллекторном p–n переходе со стороны E2 действует много большее поле, чем в эмиттерном переходе, которое увлекает электроны в коллектор. Поэтому подавляющее большинство электронов достигают коллектора.

Эмиттерный и коллекторный токи связаны коэффициентом передачи тока эмиттера при U_кб = const.

Всегда D I_к < D I_э, а a = 0,9…0,999 для современных транзисторов.

В рассмотренной схеме I_к = I_к0 + aI_э » I_э. Следовательно, схема ОБ обладает низким коэффициентом передачи тока. Из-за этого ее применяют редко, в основном в высокочастотных устройствах, где по усилению напряжения она предпочтительнее других.

Основной схемой включения биполярного транзистора является схема ОЭ, (рис. 5). Для нее по первому закону Кирхгофа можно записать

I_б = I_э – I_к = (1 – a) I_э – I_к0 .

Рис. 5. Включение транзистора по схеме ОЭ

I э

R б

R к

E1

E2

I б

I к

VT

Учитывая, что1 – a = 0,001…0,1, имеем I_б<<I_э » I_к.

Найдем отношение тока коллектора к току базы:

.

Это отношение называют коэффициентом передачи тока базы.

Для оценки работы транзистора используются семейства входных и выходных вольтамперных характеристик (ВАХ).

I б

U бэ

U к=0

U к > 0

U кэ

Iб 3 >Iб 2

I к

Iб 2 >Iб 1

Iб 1 > 0

Iб=0

а)

б)

Рис. 6. Вольт-амперные характеристики транзистора: а – входные; б – выходные

Семейство входных ВАХ устанавливают зависимость входного тока (базы или эмиттера) от входного напряжения U_бэ при U_к = const, рис. 6, а. Входные ВАХ транзистора аналогичны ВАХ диода в прямом включении.

Семейство выходных ВАХ устанавливает зависимость тока коллектора от напряжения на нем при определенном токе базы или эмиттера (в зависимости от схемы ОЭ или ОБ), рис. 6, б.

Для оценки максимально допустимых режимов работы транзисторов используют основные параметры:

1) максимально допустимое напряжение коллектор–эмиттер

(для различных транзисторов U _{кэ макс} = 10…2000 В);

2) максимально допустимая мощность рассеяния коллектора P _{к макс} –

по ней транзисторы делят на транзисторы малой мощности (до 0,3 Вт), средней мощности (0,3…1,5 Вт) и большой мощности (более 1,5 Вт); транзисторы средней и большой мощности часто снабжаются специальным теплоотводящим устройством – радиатором;

3) максимально допустимый ток коллектора I _{к макс}– до 100 А и более;

Контрольные вопросы:

1. Что такое полупроводниковый диод?

2. По каким параметрам выбирают полупроводниковый диод?

3. Что такое стабилитрон?

4. Какие знаете схемы включения биполярного транзистора?

Литература: [3] с. 7-18.

Лекция 19. ЭЛЕМЕНТЫПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ УСТРОЙСТВ

 

план: полевой транзистор, тиристор, интегральные микросхемы.

 

ПОЛЕВОЙ (УНИПОЛЯРНЫЙ) ТРАНЗИСТОР

 

Полевые транзисторы делятся на транзисторы с управляющим p–n-переходом (рис. 7 ) ис изолированным затвором.

Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом оказалось проще биполярного.

+

-

p -область

Uз и

U си

n -область

Uз и

U си

З

С

И

а)

б)

Рис. 7. Структура (а) и схема (б) полевого транзистора с затвором в виде p–n -перехода и каналом n -типа; 1,2 – области канала и затвора; 3,4,5 – выводы истока, стока, затвора

В транзисторе с n -каналом основными носителями заряда в канале являются электроны, которые движутся вдоль канала от истока с низким потенциалом к стоку с более высоким потенциалом, образуя ток стока I_с. Между затвором и истоком приложено обратное напряжение, запирающее p–n -переход, образованный n -областью канала и p -областью затвора.

Таким образом, в полевом транзисторе с n -каналом полярности приложенных напряжений следующие: U _CИ >0, U зи≤0. При подаче запирающего напряжения на p-n -переход между затвором и каналом (см. рис. 8,а) на границах канала возникает равномерный слой, обедненный носителями заряда и обладающий высоким удельным сопротивлением.

n - область

U зи

Uси

+

I

а)

б)

U зи

Рис. 8. Ширина канала в полевом транзисторе при U си= 0 (а) и при U си>0 (б)

обедненный слой

Это приводит к уменьшению ширины проводящего канала. При подаче напряжения между истоком и стоком обедненный слой становится неравномерным (рис.8,б), сечение канала возле стока уменьшается, и проводимость канала тоже уменьшается.

I с,

мА

U си, В

U зи = 0

-1

-2

-3

-4

а)

U зи, В

-2

-4

б)

Рис. 9. Выходные (а) и передаточная (б) вольт-амперные характеристики полевого транзистора.

I с,мА

ВАХ полевого транзистора приведены на рис.9. Здесь зависимости тока стока I сот напряжения U сипри постоянном напряжении на затворе U зиопределяют выходные, или стоковые, характеристики по-

левого транзистора (рис. 9, а). На начальном участке характеристик ток стока возрастает с увеличением U си. При повышении напряжения сток–исток до U _си ⁼U _зап –[U _зи ] происходит перекрытие канала и дальнейший рост тока I спрекращается (участок насыщения). Отрицательное напряжение U зи между затвором и истоком приводит к меньшим значениям напряжения U сии тока I с, при которых происходит перекрытие канала.

Дальнейшее увеличение напряжения U _си приводит к пробою p–n-перехода между затвором и каналом и выводит транзистор из строя. По выходным характеристикам может быть построена передаточная характеристика I _с =f(U _зи ) (рис. 9,б). На участке насыщения она практически не зависит от напряжения U_си. Из нее видно, что в отсутствии входного напряжения канал обладает определенной проводимостью и пропускает ток, называемый начальнымтоком стокаI _c0. Чтобы практически «запереть» канал, необходимо приложить к входу напряжение отсечки U _отс.

U

пр

,

В

U

вкл

Iy

=

U

обр

max

мA

I

уд

I

пр

I

ур

,

А

-10

-20

I

обр

,мА

Рис 12. Вольт-амперные характеристики и условное обозначение триодного тиристора

R c

VT

U вх

I с

I и

Рис. 10. Схема включения с общим истоком полевого транзистора с управляющим p–n- переходом

E

Как и в случае биполярных транзисторов, полевые имеют три схемы включения: с общим затвором, стоком и истоком

(рис. 10). Передаточная ВАХ полевого транзистора с управляющим p–n -переходом представлена на рис. 9, б.

 

ТИРИСТОР

 

Тиристоромназывают полупроводниковый прибор с тремя (или более) p—n -переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

Тиристор имеют четырехслойную структуру с тремя р–n пе реходами (рис. 11).

Крайние области р₁ и п₂ называются анодом и катодом,соответственно, с одной из средних областей р₂ или n₁ соединен управляющий электрод. П₁, П₂, П₃ – переходы между p - и n -областями.

I

пр

+

Е

R

U пр

I y

+

–

–

3

p

p

n

n

П

П

П

К

Б

Э

Э

Б

К

n

n

p

p

p

n

R

э

к

б

э

к

б

R

а)

б)

U y

Рис. 11. Структура (а) и двухтранзисторная схема замещения (б) триодного тиристора

Источник Е внешнего питающего напряжения подключен к аноду положительным относительно катода полюсом. Если ток I _у через управляющий электрод триодного тиристора равен нулю, его работа не отличается от работы п–р–п (рис. диодного. В отдельных случаях бывает удобно представить тиристор двухтранзисторной схемой замещения с использованием транзисторов с различным типом электропроводности р–n–р и 11, б). Как видно из рис.11, б, переход П₂ является общим коллекторным переходом обоих транзисторов в схеме замещения, а переходы П₁ и П₃ – эмиттерными переходами. При повышении прямого напряжения U _пр(что достигается увеличением ЭДС источника питания Е) ток тиристора увеличивается незначительно до тех пор, пока напряжение U _прне приблизится к некоторому критическому значению напряжения пробоя, равному напряжению включения U _вкл (рис.12).

При дальнейшем повышении напряжения U _пр под влиянием нарастающего электрического поля в переходе П₂ происходит резкое увеличение количества носителей заряда, образовавшихся в результате ударной ионизации при столкновении носителей заряда с атомами. В результате ток в переходе быстро нарастает, так как электроны из слоя п₂ и дырки из слоя р₁ устремляются в слои р₂ и п₁ и насыщают их неосновными носителями заряда. При дальнейшем увеличении ЭДС источника Е или уменьшения сопротивления резистора R ток в приборе нарастает в соответствии с вертикальным участком ВАХ (рис.12) Минимальный прямой ток, при котором тиристор остается во включенном состоянии называется током удержания I _уд. При уменьшении прямого тока до значения I _пр< I _уд(нисходящая ветвь ВАХ на рис.12) высокое сопротивление перехода восстанавливается и происходит выключение тиристора. Время восстановления сопротивления p–n -перехода обычно составляет 10…100 мкс.

Напряжение U _вкл, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено дополнительным введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу П₂. Эти добавочные носители заряда увеличивают число актов ионизации в р–п- переходе П₂, в связи с чем напряжение включения U _вклуменьшается.

Добавочные носители заряда в триодном тиристоре вводятся в слой р₂ вспомогательной цепью, питаемой от независимого источника напряжения. В какой мере снижается напряжение включения при росте тока управления, показывает семейство кривых на рис.12.

Будучи переведенным в открытое (включенное) состояние, тиристор не выключается даже при уменьшении управляющего тока I _у до нуля. Выключить тиристор можно либо снижением внешнего напряжения до некоторого минимального значения, при котором ток становится меньше тока удержания, либо подачей в цепь управляющего электрода отрицательного импульса тока.

 

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

 

Интегральная микросхема(ИМС) – микроэлектронное изделие, состоящее из активных и пассивных элементов, а также соединительных проводников, изготовленных в едином технологическом процессе, заключенных в общий корпус и представляющих собой неразделимое целое.

Преимущества ИМС очевидны – малые габариты, малая масса и повышенная механическая прочность. По технологии изготовления ИМС делят на гибридные и полупроводниковые.

Степень сложности ИМС обычно характеризуют степенью интеграции K = lg N, где N – число элементов в ИМС. В зависимости от уровня интеграции ИМС делят на несколько категорий:

• малые ИМС – до 10 элементов (МИС);

• средние ИМС – от 10 до 100 элементов (СИС);

• большие ИМС– от 100 до 10⁵ элементов (БИС);

• сверхбольшие ИМС – 10⁵ и более элементов (СБИС).

Для защиты от воздействия внешних факторов и механических повреждений все микросхемы помещают в защитный корпус.

 

Контрольные вопросы:

1. Поясните принцип действия полевого транзистора.

2. Поясните принцип действия тиристора.

3. Как классифицируются ИМС по степени интеграции?

Литература: [3] с. 19-35.

 

Лекция 20. УСИЛИТЕЛИ

 

план: общая характеристика и классификация усилителей, усилительный каскад с общим эмиттером.

 

Усилителем называют устройство, предназначенное для усиления параметров электрического сигнала (напряжения, тока, мощности).

Основными параметрами усилителя являются:

- K_U = U _вых / U _вх – коэффициент усиления напряжения;

- K_I = I _вых / I _вх – коэффициент усиления тока;

- K_P = P _вых / P _вх = U _вых I _вых / U _вх I _вх = K_UK_I – коэффициент усиления мощности;

Важнейшим показателем усилителей является амплитудно-частотнаяхарактеристика (АЧХ), отражающая зависимость коэффициента усиления напряжения от частоты сигнала K_U(f). По виду АЧХ усилители делят на усилители постоянного тока (УПТ), (имеются также в виду усилители медленно меняющегося сигнала); усилители звуковых частот (УЗЧ) (их называют также усилителями низкой частоты (УНЧ); усилители высокой частоты (УВЧ); широкополосные, избирательные и др.

Часто усилители состоят из нескольких усилительных каскадов (УК)(или просто каскадов), осуществляющих последовательное усиление сигнала. Их число зависит от требуемых коэффициентов усиления K_U, K_I, K_P.

Рассмотрим возможную структурную схему усилительного каскада (рис. 13).

u вх

t

u вх..п

УЭ

R

t

u вых

u вых..п

i

+U пит

Рис. 13. Схема усилительного каскада

Основными элементами здесь являются управляемый элемент УЭ и резистор R.

Будем считать УЭ линейным элементом с бесконечным сопротивлением в отсутствии входного напряжения.

Процесс усиления основывается на преобразовании энергии источника питания +U_пит в энергию переменного напряжения в выходной цепи (+U_пит – R – УЭ) за счет изменения сопротивления УЭ соответственно входному сигналу. Отметим, что усиление переменного сигнала обеспечивается при наличии некоторого постоянного напряжения на входе U _вх.п, на которое накладывается входной сигнал. Тогда при однополярном питания каскада выходное напряжение будет меняться относительно некоторого уровня постоянного напряжения U _вых.п. При отсутствии входного постоянного напряжения невозможно усилить переменный (двухполярный) сигнал. Очевидно, что усилительные свойства рассматриваемого каскада тем выше, чем больше сказывается изменение входного сигнала на изменение сопротивления УЭ и чем выше сопротивление R.

 

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД С ОБЩИМ ЭМИТТЕРОМ

 

Rб

R к

VT

C вх

C вых

I к

U бэ

+U

Рис. 14. Усилительный каскад с ОЭ

R' б

R э

C э

I э

Название каскад берет по выводу транзистора, являющимся общим для входной и выходной цепей. Схема усилительного каскада с общим эмиттером имеет вид представленный на рис. 14.

Постоянную составляющую напряжения в цепи управления можно получить как часть напряжения питания, используя делитель напряжения на двух резисторах (R_б , R_б^ʹ ). Конденсаторы С _вхи С _вых служат для выделения переменной составляющей сигнала (постоянный ток через них не проходит).

uвх(t)

i б (t)

Iб 0

m

I б

U б

n

i к (t)

I б, мкА

I к, мА

U кэ, В

U к =E–I к R к

p"

U б э0

p'

m'

n'

I к0

I к max

U/R к

E

U кэ max

P к max

u вых (t)

Рис. 15. Графический расчет усилительного каскада с помощью переходной характеристики

U к0

t

t

t

p

I б0=0

I б = 900

n"

m"

 

 

Для конкретного транзистора, выбранного из эксплуатационных или других соображений, расчет усилительного каскада выполняют следующим образом:

На семействе выходных характеристик отмечают область допустимых режимов работы транзистора (рис. 15). Эта область ограничивается сверху максимально допустимым током коллектора I _к.max, справа – максимально допустимым напряжением U _эк.max и максимально допустимой мощностью P _к.max.

1. Проводят линию нагрузки, несколько отступив от границ допустимой области работы. При этом определяются напряжения питания Е и сопротивление нагрузки R _н, которые должны быть из стандартного ряда значений этих величин.

2. Строят переходную характеристику I _к(I _б), для чего на координатной плоскости I _к(I _б) по оси I _б откладывают значения токов базы, названные на семействе выходных характеристик (300, 600, 900 мкА на рис. 15). Затем точки пересечения линий нагрузки с выходными характеристиками I _к (U _эк) для разных токов базы сносят на координатную плоскость I _к (I _б) и соединяют их линией (иногда вместо переходной пользуются передаточной характеристикой I _к (U _эб).

3. Строят входную характеристику I _б(U _эб), повернутую ее на 90^o так, чтобы ось I _б была параллельна оси I _б на переходнойхарактеристике (и в том же масштабе ).

4. На середине линии нагрузки выбирают точку n ^′, проектируют ее на переходную характеристику (точку n ^″) и далее на входную характеристику (точка n).Этим самым определяют величину U _бэ0 – постоянную составляющую напряжения в цепи управления (напряжение смещения).

5. Используя относительно линейный участок входной характеристики I _б(U _эб), находят положение точек р и m, тем самым определяя амплитуду переменного сигнала в цепи управления.

6. Проектируя точки p и m на переходную характеристику и затем на семейство выходных характеристик находят положения точек р ^′ и m ^″, тем самым определяя амплитуды переменного тока коллектора и напряжения на транзисторе.

Важными параметрами транзистора являются так называемые малосигнальные h-параметры. Они характеризуют работу транзистора в основных режимах его работы – при малых изменениях токов и напряжений. Принято определять h -параметры, исходя из представления транзистора четырехполюсником (рис. 16). Внутри четырехполюсника находится транзистор, подключенный по одной из схем ОБ, ОК, ОЭ.

- h ₁₁=D U ₁ / D I ₁ – входное сопротивление транзистора при U ₂ = const;

I 1

I