Файл: Oporny_konspekt.doc

Вывод: чем меньше величина емкости р-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная емкость, т. к. диффузионная емкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление р-n перехода мало.

Пробой р-n перехода.

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определенном обратном напряжении назы­вается электрическим пробоем р-n перехода.

Электрический пробой - это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения р-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряже­ние не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счет теплового действия тока и р-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем р-n перехода. Тепловой пробой необратим.

Полупроводниковые диоды

Полупроводни­ковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержа­щее обычно один р-n переход и имеющее два вывода. Существует много различных типов диодов – выпрямительные, импульсные, туннельные, обращенные, сверхвысокочастотные диоды, а также стабилитроны, варикапы, фотодиоды, светодиоды и др.

Маркировка диодов состоит из 4 обозначений:

К С -156 А

Г Д -507 Б

I II III IV

I — показывает материал полупроводника:

Г (1) - германий; К (2) - кремний; А (3) - арсенид галлия.

II — тип полупроводникового диода:

Д - выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды;

А - диоды СВЧ;

С - стабилитроны;

В - варикапы;

И - туннельные диоды;

Ф - фотодиоды;

Л - светодиоды;

Ц - выпрямительные столбы и блоки.

III - три цифры - группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV - модификация диодов в данной (третьей) группе.

Условное графическое обозначение на принципиальных электрических схемах.

а) б) в) г) д) е) ж) з)

а) выпрямительные, высокочастотные, СВЧ, импульсные и диоды Гана;

б) стабилитроны;

в) варикапы;

г) тоннельные диоды;

д) диоды Шоттки;

е) светодиоды;

ж) фотодиоды;

з) выпрямительные блоки

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

Кремниевые диоды обладают малыми обратными токами, более высокой рабочей температурой (150 - 200 °С против 80 - 100 °С у германиевых), выдерживают большие обратные напряжения и плотности тока (60 - 80 А/см2 против 20 - 40 А/см2). Кроме того, кремний - широко распространенный элемент (в отличие от германия - который относится к редкоземельным элементам).

К преимуществам германиевых диодов относится малое падение напряжения при протекании прямого тока (0,3 - 0,6 В против 0,8 - 1,2 В). Кроме названных полупроводниковых материалов, в сверхвысокочастотных цепях используют арсенид галлия GaAs.

Конструкция полупроводниковых диодов.

Основой плоскостных и точечных диодов яв­ляется кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем.

Плоскостной диод состоит из двух соединенных Si- или Ge-пластин с разной электропроводностью. Большая площадь контакта ведет к большой емкости перехода и относительно низкой рабочей частоте, но проходящий ток может быть большим (до 6000 А).

Для плоскостного диода на базу накладывается материал акцепторной примеси и в вакуумной печи при высокой температуре (порядка 500 °С) происходит диффузия акцеп­торной примеси в базу диода, в результате чего образуется область р-типа проводимости и р-n переход большой плоскости (отсюда название).

Вывод от р-области называется анодом, а вывод от n-области - катодом .

Большая плоскость р-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счет большой барьерной емкости они будут низкочастотными. Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными диодами.

Если выпрямленный ток больше максимально допустимого прямого тока диода, то в этом случае допускается параллельное включение диодов.

Добавочные сопротивления Rд величиной от единиц до десятков Ом включаются с целью вы­равнивания токов в каждой из ветвей.

Если напряжение в цепи превосходит максимально допустимое обратное напряжение диода, то в этом случае допускается последовательное включение диодов. Шунтирующие сопротивления величиной несколько сот кОм включают для выравнивания па­дения напряжения на каждом из диодов.

Точечные диоды.

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцептор­ной примеси, и через нее пропускают импульсы тока силой до 1 А. В точке разогрева атомы ак­цепторной примеси переходят в базу, образуя р-область. Получается р-n переход очень малой площади. За счет этого точечные диоды будут высокоча­стотными, но могут работать лишь на малых прямых токах (десятки миллиампер). Точечные диоды используют в основном для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, поэтому их часто называют высокочастотными диодами.

Вольтамперная характеристика и основные параметры диодов.

Вольтамперная характеристика реального диода проходит ниже, чем у идеального р-n перехо­да: сказывается влияние сопротивления базы. После точки А вольтамперная характеристика будет представлять собой прямую линию, так как при напряжении Ua потенциальный барьер полностью компенсируется внешним полем. Кривая обратного тока ВАХ имеет наклон, так как за счет возрастания обратного напряжения увеличивается генерация собственных носи­телей заряда.

Основные параметры диодов:

• Максимально допустимый прямой ток Inp.max.

• Прямое падение напряжения на диоде при максимальном прямом токе Unp.max.

• Максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max.

• Обратный ток при максимально допустимом обратном напряжении Iобр.mах.

Включение выпрямительных диодов в схемах выпрямителей.

Диоды в схемах выпря­мителей включаются по одно- и двухполупериодной схемам. Если взять один диод, то ток в нагрузке будет протекать за одну половину периода, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным. Его недостаток - малый КПД.

Значительно чаще применяются двухполупериодные выпрямители.

В течение положительного полупериода напряжения Ua (+) диоды VD1 и VD4 открыты, а VD2 и VD3 - закрыты. Ток будет протекать по пути: верхняя ветвь (+), диод VD1, нагрузка, диод VD4, нижняя ветвь (-).

В течение отрицательного полупериода напряжения Ua диоды VD1 и VD4 закрываются, а диоды VD2 и VD3 открываются. Ток будет протекать от (+), нижняя ветвь, диод VD3, нагруз­ка, диод VD2, верхняя ветвь (-).

Поэтому ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полуперио­да. Схема выпрямителя называется двухполупериодной.

Если понижающий трансформатор имеет среднюю точку, то есть вывод от середины вторич­ной обмотки, то двухполупериодный выпрямитель может быть выполнен на двух диодах.

Стабилитроны.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня постоянного напряжения неизменным. Прин­цип действия стабилитрона основан на том, что на его вольтамперной характеристике имеется участок, на котором напряжение практически не зависит от величины протекающего тока.

Таким участком является участок электрического пробоя, а за счет легирующих добавок в по­лупроводник ток электрического пробоя может изменяться в широком диапазоне, не переходя в тепловой пробой.

Так как участок электрического пробоя - это обратное напряжение, то стабилитрон включает­ся обратным включением.

Резистор Ro задает ток через стабилитрон таким образом, чтобы величина тока была близка к среднему значению между Iст.min и Iст.mах. Такое значение тока называется номинальным то­ком стабилизации.

При уменьшении входного напряжения ток через стабилитрон и падение напряжения на Ro может уменьшаться, а напряжения на стабилитроне и на нагрузке останутся постоянными, исходя из вольтамперной характеристики. При увеличении входного напряже­ния ток через стабилитрон и Ur0 увеличивается, а напряжение на нагрузке остается постоянным и равным напряжению стабилизации.

Основные параметры стабилитронов:

- Напряжение стабилизации Uct.

- Минимальное, максимальное и номинальное значение тока стабилизации Iст.min, Iст.mах, Iст.nom.

Варикапы.

Варикапом называется полупроводниковый диод, у которого в качестве основного параметра используется барьерная емкость p-n-перехода, величина которой изменяется при изменении приложенного обратного напряжения. Следовательно, варикап применяется как конденсатор переменной емкости, управляемый напряжением.

Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой емкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

При отсутствии внешнего напряжения в p-n-переходе существуют потенциальный барьер и внутреннее электрическое поле. Если к диоду приложить обратное напряжение, то высота этого потенциального барьера увеличится. Внешнее обратное напряжение отталкивает электроны в глубь

n-области, в результате чего происходит расширение обедненной области p-n перехода, которую можно представить как простейший плоский конденсатор, в котором обкладками служат границы области p-n-перехода. В таком случае, с ростом расстояния между обкладками емкость p-n-перехода будет уменьшаться. Это уменьшение ограничено лишь толщиной базы. По достижении этого минимума с ростом обратного напряжения емкость не изменяется.

Светодиоды.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED - light emitting diode) - полупроводниковый прибор, излучающий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Работа основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через p-n-переход. Цвет свечения (длина волны максимума спектра излучения) определяется типом используемых полупроводниковых материалов, образующих p-n-переход и легирующими примесями . Важнейшими элементами, используемыми в светодиодах, являются: алюминий, галлий, индий, фосфор, вызывающие свечение в диапазоне от красного до желтого цвета, а также азот для получения голубого и зеленого свечений.

При прямом включении основные носители заряда переходят через р-n переход и там рекомбинируют. Рекомбинация связана с выделением энергии. Для большинства полупроводниковых материалов это энергия тепловая. Только для некоторых ти­пов на основе арсенида галлия ширина запрещeнной зоны достаточно велика, и длина волны лежит в видимой части спектра.

При обратном включении через р-n-переход переходят неосновные носители заряда в область, где они становятся основными. Рекомбинация и свечение светодиода отсутствуют.

Так как светодиод является полупроводниковым прибором, то при включении в цепь необходимо соблюдать полярность. Светодиод имеет два вывода, один из которых катод ("минус"), а другой - анод ("плюс").

Биполярные транзисторы

Классификация и маркировка транзисторов.

Транзистором называется полупроводни­ковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трех выводов и способный усили­вать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам:

- по материалу полупроводника - обычно германиевые или кремниевые;

- по типу проводимости областей (только биполярные транзисторы) - с прямой проводимо­стью (р-n-р - структура) или с обратной проводимостью (n-р-n - структура);

По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные);

Маркировка.

I - материал полупроводника:

Г - германий,

К - кремний.

II - тип транзистора по принципу действия:

Т - биполярные,

П - полевые.

III - три или четыре цифры - группа транзисторов по электрическим параметрам.

IV - модификация транзистора в 3-й группе.

КТ315А, ГТ109В, КТ814А

Устройство биполярных транзисторов.

Основой биполярного транзистора является кри­сталл полупроводника р-типа или n-типа проводимости, который также как и вывод от него называется базой.

Диффузией примеси или сплавлением с двух сторон от базы образуются области с противопо­ложным типом проводимости, нежели база.

Область, имеющая большую площадь р-n перехода, и вывод от нее называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь р-n перехода, и вывод от нее называют эмиттером. р-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмитте­ром и базой - эмиттерным переходом.

Цифрами обозначены: 1- коллектор, 2- база транзистора, 3- основание, 4,5 – вплавленные в кристалл примеси, 6 – кристаллодержатель, 7 – эмиттер. На рисунке видно, что эмитерная область имеет меньшую площадь, чем коллекторная. Основной особенностью устройства биполярных транзисторов является неравномерность концентрации основных носителей зарядов в эмиттере, базе и коллекторе. В эмиттере концентрация носи­телей заряда максимальная. В коллекторе - несколько меньше, чем в эмиттере. В базе - во много раз меньше, чем в эмиттере и коллекторе.

а) б)

На рис. показано изображение на схемах транзисторов типа p-n-p Рис.а) и n-p-n Рис.б). Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего через него тока.

Принцип действия биполярных транзисторов.

Принцип работы транзистора рассмотрим на примере структуры n-p-n. При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный - закрыт. Это достигается соответствую­щим включением источников питания.

a б

Так как эмиттерный переход открыт, то через него будет протекать ток эмиттера, вызванный переходом электронов из эмиттера в базу и переходом дырок из базы в эмиттер. Ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и дырочную.