- •Часть 1.Курс лекций
- •Глава 1. Полупроводниковые приборы
- •1.1.Электропроводимость полупроводников.
- •1.2.Электронно – дырочный переход.
- •1.3.Полупроводниковые диоды.
- •1.4.Биполярный транзистор.
- •1.5.Полевые транзисторы.
- •1.5.2.Принцип действия полевого транзистора.
- •1.6. Тиристоры.
- •Глава 2. Фотоэлектронные приборы
- •2.1.Внутренний и внешний фотоэффекты
- •Глава 3.
- •3.1.Назначение и классификация выпрямителей.
- •3.2.Однофазные выпрямители.
- •3 .2.1.Однополупериодный выпрямитель.
- •3.2.2.Двухполупериодные выпрямители.
- •3.3.Трехфазные выпрямители.
- •3.4.Управляемые выпрямители.
- •3.5.Стабилизаторы.
- •3 .5.1.Стабилизаторы напряжения.
- •3.5.2.Стабилизаторы тока
- •Глава 4
- •4.1.Классификация и основные характеристики усилителей.
- •4.2.Обратная связь в усилителях
- •4.3.Однокаскадные усилители на биполярных транзисторах
- •4.3.Усилитель на полевом транзисторе
- •4.4.Межкаскадные связи
- •4.5.Избирательные усилители
- •4.6.Импульсные(широкополосные) усилители
- •4.7.Усилители постоянного тока
- •Глава 5
- •5.1. Колебательный контур
- •5.2. Генераторы lс типа
- •5.3. Генераторы rс - т и п а
- •5.4.Импульсные генераторы
- •5.5.Генераторы пилообразного напряжения.
- •5.6. Электронный осциллограф
- •Глава 7. Интегральные микросхемы.
1.3.Полупроводниковые диоды.
Полупроводниковым диодом называют прибор с двумя выводами и одним электронно-дырочным переходом.
Р азличают точечные (рис. 1.8) и плоскостные (рис. 1.9) диоды.
Рис.1.8.Конструкция точечного германиевого диода:1- вывод, 2 - стеклянный корпус, 3- полупроводниковый кристалл, 4- стальная пружина.
Рис.1.9. Конструкция плоскостного выпрямительного диода:1- вывод, 2- стеклянная втулка, 3-полупровод- никовый кристалл,4- гайка, 5- шайба, 6- основание, 7- металлический корпус.
В стеклянном или металлическом корпусе 2 точечного диода крепится германиевый или кремниевый кристалл n-типа 3 площадью порядка 1 мм2 и толщиной 0,5 мм, к которому прижимается стальная или бронзовая игла 4, легированная акцепторной присадкой. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом кончик иглы оплавляется и часть акцепторной примеси внедряется в кристалл. Вокруг иглы образуется микроскопическая (точечная) область с дырочной электропроводностью. На полусферической границе этой области с кристаллом р-типа возникает электронно-дырочный переход.
Мощные плоскостные полупроводниковые диоды, рассчитанные на большие токи, изготовляют в массивных металлических корпусах, обеспечивающих поглощение и отвод теплоты, выделяющейся в р-n-переходе. С помощью массивных шайб и гаек корпус диода плотно прижимается к монтажной металлической панели.
Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными.
Диоды, предназначенные для работы в устройствах высокой и сверхвысо-кой частоты (ультракоротковолновая и космическая радиосвязь, радиолокация, телеизмерительная техника и т. д.), называют высокочастотными.
Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называют варикапами.
Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном.
При больших концентрациях легирующих примесей заметно усиливается туннельный эффект р-n-перехода. При этом в вольтамперной характеристике диода появляется участок с отрицательным сопротивлением (прямой ток увеличивается с уменьшением прямого напряжения), что позволяет использовать его в схемах генерации и усиления электрических колебаний. Такие диоды называют туннельными.
Для работы в импульсных схемах изготовляют импульсные диоды, у которых перераспределение носителей зарядов в р-n-переходах при смене полярности напряжения (переходные процессы) происходит в десятые доли наносекунды.
Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов.
Классификация диодов производится по следующим признакам:
1]По конструкции: плоскостные, точечные, микросплавные диоды.
2]По мощности: маломощные для получения выпрямленного тока не более 0,3А, средней мощности с токами 0,3-10Аи мощныес током больше 10А..
3]По частоте: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ.
4]По функциональному назначению: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, тоннельные диоды и так далее.
По старому ГОСТу все диоды обозначались буквой Д и цифрой, которая указывала на электрические параметры, находящиеся в справочнике.
Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений:
I-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; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки.
III – три последующие цифры характеризуют тип или область применения: 101-399 - для выпрямления переменного тока (101-199 - при токе до 0,3А,
201-299 - при токе от 0,3 до 10А, 301-399 при токе более 10А) ;
401 - 499- для работы в высокочастотных и сверхвысокочастотных цепях;
501-599- для работы в импульсных схемах; 601-699- для работы в качестве конденсаторов с регулируемой емкостью (варикапы) .
IV-последняя буква указывает на некоторые конструктивные или другие особенности диода (разновидность прибора)
Рис.1.10.Условные обозначения полупроводнико- вых диодов: 1-выпрямительный диод, 2-свч-диод, 3- варикап,4- стабилитрон, 5-туннельный диод.
Например, маркировка КС196В расшифровывается следующим образом: кремниевый стабилитрон плоскостного типа, разновидность В.
1.3.1.Выпрямительные диоды. Выпрямительными или силовыми диодами называются электронные приборы, предназначенные для выпрямления переменного тока. Это плоскостные двухэлектродные приборы на кремниевой или германиевой основе, работа которых основана на вентильных свойствах электронно-дырочного перехода.
Т.к. выпрямительные диоды имеют большую емкость в несколько десятков пикофарад и большое время восстановления обратного сопротивления, то их практическое применение ограничивается максимальной частотой в 100 кГц.
В качестве исходного материала при производстве используют германий или кремний с электропроводностью п-типа, т.к. подвижность электронов в 2-2,5 раза больше подвижности дырок. Сам р-n-переход изготавливают методом сплавления или диффузии. В процессе сплавления в германий вплавляют индий, а в кремний – алюминий или бор. При диффузионном методе нужные акцепторные примеси вводят в кристалл диффузией из газовой среды. Исходный кристалл образует базовую область диода(катод), а примесь(индий, алюминий или бор) – эмиттерную область(анод). Базовую область припаивают к кристаллодержателю. Для лучшего теплоотвода в диодах средней и большой мощности применяют радиаторы, а диодах с током более 10А применяют принудительное воздушное или водяное охлаждение.
Выпрямительные кремниевые или германиевые плоскостные диоды характеризуются следующими параметрами:
1.Прямой ток Iпр, протекающий при прямом напряжении;
2.Прямое напряжение Uпр – падение напряжения на диоде;
3.Максимальный обратный ток Iобрmax-ток неосновн. носителей, протекаю- щий через диод при обратном напряжении, близком к напряжению эл.пробоя;
4.Максимальное обратное напряжение Uобрmax - падение напряжения на диоде при величине обратного тока, при котором еще не нарушается нормальная работа диода. Предельным обратным напряжением является напряжение, при котором происходит эл.пробой. Кремниевые диоды имеют большее обратное напряжение порядка 1000-1500В, а германиевые – 100-400В.
5.Прямое сопротивление диода rпр- сопротивление диода постоянному току. Определяется сопротивлением р-n-перехода при прямом его включении (единицы Ом) rпр = Uпр/ Iпр;
6.Обратное сопротивление диода rобр сопротивление р-n-перехода при обратном его включении(сотни кОм) rобр= Uобр/ Iобр;
7 .Допустимая рабочая температура – максимальная температура, допускающая продолжительную работу диода. Интервал допустимых температур у германиевых диодов от -60 до +700 С, у кремниевых – от -60 до +1500 С;
8.Собственная емкость диода – определяется суммой конструктивной и барьерной емкостей, шунтирует р-n-переход диода, сокращая тем самым диапазон его рабочих частот.
Рис.1.11.Последовательное (а) и параллельное (б)
соединение диодов.
При разработке выпрямительных схем иногда нужно соединить диоды последовательно (рис.1.11а). Однотипные диоды обладают большим разбросом обратных сопротивлений и пробивных напряжений. Диод, имеющий большее обратное сопротивление, может оказаться под напряжением, большим максимально допустимого и пробьется. Выход из строя одного приведет к пробою остальных. Для выравнивания напряжений каждый диод шунтируется резистором, причем их сопротивление Rш должно быть меньше обратного сопротивления диодов.
Параллельное соединение диодов применяют, если нужно получить прямой ток, больший допустимого тока диодов (рис.1.11б).Для выравнивания токов в схему последовательно диодам включают уравнивающие резисторыR0. Чем больше сопротивление R0, тем меньше отличаются токи в ветвях. Промышленностью выпускаются выпрямительные столбы на разные токи и напряжения из 5-50 подобранных однотипных диодов. Для удобства схемных соединений диоды включаются отдельными ветвями (рис.1.12).
Рис.1.12.Выпрямительный
столб.
1 .3.2. Стабилитроны и стабисторы. Стабилитронами называются плоскостные кремниевые диоды, у которых в обратной ветви их вольт-амперной характеристики или ВАХ (рис. 1.13,б) имеется участок с большой крутизной, в пределах которого напряжение незначительно изменяет свою величину при изменении протекающего тока.
Рис.1.13.Условное обозначение (а) и вольтамперная характеристика (б) стабилитрона.
Работа стабилитрона в пределах данного участка ВАХ, называемого рабочим участком позволяет использовать его не только в стабилизаторах напряжения, но также и в различных электронных схемах, например в схемах амплитудного ограничения и для создания опорных (эталонных) напряжений.
Рабочий участок ВАХ стабилитрона обусловливается пробоем его р-п-перехода. Механизм пробоя в стабилитронах в зависимости от их назначения может быть туннельным, лавинным или смешанным. У стабилитронов с рабочим напряжением до 3—4 В происходит туннельный пробой, а с рабочим напряжением более 7 В возникает лавинный пробой. В области от 3 до 7В пробой обусловливается совместным воздействием туннельного и лавинного механизмов. Для получения лавинного пробоя ширина р-п-перехода должна быть больше длины свободного пробега неосновных носителей заряда. Это условие выполняется в кремниевых диодах, поскольку подвижность носителей в кремние меньше, чем в германие.
Напряжение лавинного пробоя зависит от удельного сопротивления кремния. С ростом удельного сопротивления напряжение лавинного пробоя увеличивается. Подбором удельного сопротивления можно создать стабили-троны на нужную величину напряжения стабилизации.
Выбор кремния обусловлен тем, что у него в отличие от германия малый обратный ток в предпробной области, кроме того, ВАХ имеет резкий излом в области пробоя. Кремниевые диоды выдерживают большие обратные напряжения, чем германиевые.
Основными параметрами стабилитрона являются:
1.Напряжение стабилизации Uст—падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока определяется значением номинального тока стабилизации. Т.к. рабочий участок ВАХ имеет наклон, то напряжение стабилизации отличается от напряжения пробоя р-n-перехода и определяется значением номинального тока стабилизации Iст (т. А на рис. 1.13,б ) .
2.Номинальный ток стабилизации Iст—значение тока, протекающего через стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации.
3.Минимально допустимый ток стабилизации Iстmin— ток, при котором обеспечивается надежное возникновение пробоя р-n-перехода. Минимально допустимый ток колеблется в пределах 1 —3 мА.
4.Максимально допустимый ток стабилизации Iст max- ток, при котором мощность рассеяния на стабилитроне не превышает максимально допустимую мощность стабилитрона. Максимально допустимый ток в зависимости от типа стабилитрона лежит в пределах от 20 мА до 1,5 А.
5.Дифференциальное или динамическое сопротивление rст - величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвав-шему его малому приращению rст = ΔUст/ ΔIст.
6.Температурный коэффициент напряжения стабилизации—величина, определяемая отношением относительного изменения напряжения стабилизации к абсолютному изменению температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации напряжения. Температурный коэффициент напряжения стабилизации выражается в %/град и определяется зависимостью
Т емпературный коэффициент напряжения стабилизации при туннельном пробое отрицательный, т.к. напряжение туннельного пробоя определяется шириной запрещенной зоны. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем меньше напряжение туннельного пробоя. С ростом температуры ширина зоны уменьшается и уменьшает напряжение пробоя. При лавинном пробое температурный коэффициент напряжения стабилизации положительный, т.к. с повышением температуры уменьшается длина свободного пробега носителей, то напряжение пробоя увеличивается.
7 .Максимально допустимая рассеиваемая мощность стабилитрона Рстmaх-это мощность, при которой обеспечивается надежность работы стабилитрона. Максимально допустимая мощность колеблется от 250 мВт до 50Вт.
Рис.1.14.Простейшая схема стабилизации напряжения постоянного тока.
В положительный полу- период входного напряжения стабилитрон VD1 открыт, а стабилитрон VD2выходное напряжение уменьшает по амплитуде до уровня напряжения стабилизации. В отрицательный полупериод выходное напряжение ограничено по амплитуде на уровне напряжения стабилизации стабилитрона VD1. Т.о., выходное напряжение–это переменное напряжение трапецеидальной формы, с амплитудой равной напряжению стабилизации применяемых стабилитронов и не зависит от амплитуды входного напряжения.
Стабилизацию пост. напряжения получают с помощью диода, включенного в прямом направлении - стабистора. Для изготовления стабисторов применяют кремний с большей концентрацией примесей. В отличие от стабилитронов стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (≈0,7В). Параметры стабисторов аналогичны стабилитронам, а их максимальный ток, мощность и тепловые характеристики те же, что и у выпрямительных диодов.
1.3.3. Варикапы. Варикап - это полупроводниковый диод, который способен изменять свою ёмкость в зависимости от приложенного обратного напряжения. Варикапы предназначены для применения в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью. Варикапы используются, в основном, в радиоприёмных узлах телевизоров, приёмников и радиотелефонов для настройки на частоту передатчика. Раньше в таких узлах применялись воздушные переменные конденсаторы, которые имели большие габариты и массу, а также другие недостатки. Применение варикапов позволило в разы уменьшить габариты и массу радиоприёмной аппаратуры. Внешний вид варикапов (примеры) показан на рис. 1.15. Слово «варикап» составлено из двух английских слов — to vary — изменяться и capacitance — емкость.
Рис. 1.15. Варикапы.
Значит, варикап — это прибор, емкостью которого можно управлять при помощи какого-либо внешнего воздействия. Основной элемент варикапа — это р—n-переход. Подключим к р—n-переходу источник постоянного напряжения так, чтобы «+» источника был подсоединен к п-области. При этом п-область становится более положительной по отношению к р-области, чем в случае равновесия р—n-перехода и напряженность эл. поля в обедненном слое увеличивается. Для увеличения напряженности эл. поля нужно увеличить количество «оголенных» донорных и акцепторных ионов.
Увеличение числа нескомпенсированных ионов может произойти только за счет расширения границ обедненного слоя! Т.о., изменяя приложенное к р—n-переходу напряжение, мы как бы раздвигаем или сдвигаем границы обедненного слоя. В это же время внутри слоя увеличи- вается или уменьшается избыточный ионный заряд .
Рассмотрим зависимость емкости р—n-перехода от приложенного напря- жения. Для обычного плоского конденсатора с воздушным диэлектриком заряд, накапливаемый на пластинах, прямо пропорционален внешнему напряжению. В то же время р—n-переход можно уподобить плоскому конденсатору, пластины которого с ростом напряжения автоматически раздвигаются на некоторое расстояние. Но, как известно, емкость плоского конденсатора обратно пропорциональна расстоянию между пластинами. Следовательно, емкость р-n-перехода также должна изменяться обратно пропорцинально растущему напряжению.
Р ис.1.16. Зависимость между емкостью р-n-перехода и напряжением или вольт-фарадная характеристика варикапа.
Вольт-фарадная характеристика варикапа – это основная характеристика данного прибора. При другой полярности приложенного напряжения, когда р-область положительна по отношению к n-области, через переход протекает большой ток основных носителей заряда. В этом случае р—n-переход похож на конденсатор с очень плохой изоляцией между пластинами и не пригоден в качестве варикапа. Впрочем, и при правильном подключении варикапа через переход протекает ток неосновных носителей заряда, что несвойственно обычным конденсаторам. Но сила тока, как уже упоминалось, мала и почти не влияет на работу варикапа в эл. схемах. По применению варикап может заменить громоздкие воздушные переменные конденсаторы с взаимно перемещающимися наборами плоских металлических пластин. Это позволяет, например, осуществить настройку эл. контуров в транзисторных радиоприемниках. Достаточно присоединить параллельно катушке индуктивности варикап таким образом, чтобы можно было подключить к его контактам постоянное регулируемое напряжение, не нарушая при этом работы эл. контура.
О сновные параметры варикапов: UОБР – заданное обратное напряжение СВ – номинальная ёмкость, при заданном обратном напряжении UОБР КС – коэффициент перекрытия ёмкости, который определяется отношением ёмкостей варикапа при двух значениях обратного напряжения UОБР.МАКС – максимально допустимое обратное напряжение QB – добротность, определяемая как отношение реактивного сопротивления варикапа к сопротивлению потерь. Рис. 1.17. Типовая схема включения варикапа в колебательный контур
На этой схеме на R2 подаётся стабилизирован- ное напряжение Uпит. Напряжение управления варикапом Uупр формируется с помощью переменного резистора R2. Изменяя напряжение управления Uупр с помощью резистора R2, мы изменяем ёмкость варикапа. Это, в свою очередь, приводит к изменению резонансной частоты колебательного контура.
1.3.4. Высокочастотные диоды. Под этим названием объединим целую группу полупроводниковых диодов, предназначенных для обработки высокочас- тотных сигналов, а именно:
- детекторные диоды, предназначенные для выделения низкочастотного сигнала из модулированного колебания;
- смесительные диоды, используемые для изменения несущей частоты модулированного колебания;
- модуляторные диоды, предназначенные для модуляции высокочастотного колебания, и др.
Для всех этих диодов общим является работа на высоких частотах. Если на низких частотах ток в цепи диода определяется только активными сопротивле- ниями электронно-дырочного перехода (Rп), р- и n-областей полупроводника (rб), то при работе диода на высоких частотах большую роль играют барьерная и диффузионная емкости. В результате совместного влияния этих емкостей и активного сопротивления r6 свойства диода на высоких частотах оказываются совершенно иными, чем на низких частотах, выпрямительный эффект с ростом частоты почти полностью исчезает. Для расширения частотного диапазона диода необходимо уменьшить его емкость Сд и сопротивление базы rб (см. рисунок).
Для уменьшения емкости р-n-перехода в высокочастотных диодах часто применяют точечную конструкцию (рис. а). Монокристалл германия или кремния n-типа является базой диода. База припаяна к выводу свинцово-оловянным припоем, обеспечивающим омический контакт. С другой стороны к базе прижата вольфрамовая игла, имеющая диаметр острия не более 20—30 мкм. Благодаря малой площади контакта обеспечивается получение малой емкости перехода (порядка десятых долей пикофарада). Электродная система для защиты от воздействия окружающей среды заключена в герметичный стеклянный корпус. Контакт вольфрамовой иглы с поверхностью полупроводника обладает выпрямительными свойствами, однако для создания стабильного выпрямляющего контакта, имеющего более высокое пробивное напряжение, диод обычно подвергают электроформовке путем кратковременного (1/4 с) пропускания мощного импульса тока. Вследствие сильного локального разогрева приконтактной области, приводящего к частичному расплавлению кристалла и конца иглы, возникает диффузия примесей в кристалл и под острием иглы после резкого охлаждения образуется небольшая по объему р-область, возникает р-n-переход (рис. б). Для повышения прямой проводимости диода на конец иглы перед формовкой иногда наносят акцепторную примесь (индий или алюминий), при этом концентрация акцепторов в р-области достигает 1017 см-3, а прямая проводимость— 100мА/В. Из упомянутых материалов лучшие результаты, сточки зрения высокочастотных свойств, дает алюминий, позволяющий получить меньший радиус р-n-перехода.
Предельная частота точечных диодов благодаря малой емкости перехода составляет 300—600 МГц. Изготовляют также диоды на частоты порядка десятков гигагерц. У них емкость перехода еще меньше, что достигается специальной заточкой иглы с использованием прижимного контакта без электроформовки. Предусмотрено максимальное уменьшение индуктивности выводов. Однако допустимое обратное напряжение у таких диодов не превышает 3—5 В; низкой получается допустимая мощность рассеяния.
Особенностью вольт-амперной характеристики точечного диода является отсутствие горизонтального участка на обратной ветви, плавный переход в режим пробоя, что вызывается неоднородностью структуры диода.
Для точечных диодов характерен большой разброс по обратному току и прямой проводимости. Параметры подвержены заметному изменению в процессе хранения и эксплуатации. Для частичной стабилизации диоды в процессе изготовления подвергают искусственному старению.
На высоких частотах применяют также так называемые микросплавные диоды, имеющие малую площадь перехода. Диоды с микросплавными переходами выгодно отличаются от точечных лучшей стабильностью параметров, но емкость перехода у них больше и предельные частоты ниже, чем у точечных диодов. К этому типу приборов относится диод Д223.