3.1.2. Параметры полупроводниковых диодов

Основными параметрами полупроводникового диода являются прямое и обратное сопротивления.

Различают прямое дифференциальное сопротивление полупроводникового диода и сопротивление постоянному току.

Прямым дифференциальным сопротивлением полупроводникового диода называется отношение приращения прямого напряжения к обусловленному им приращению прямого тока при постоянной температуре

R_i = U_пр/I_пр при t=const.

Прямым сопротивлением полупроводникового диода постоянному току называется отношение величины прямого напряжения к величине прямого тока при постоянной температуре

R_пр = U_пр/I_пр при t=const.

Обратное сопротивление представляет собой отношение обратного напряжения к обратному току при постоянной температуре

R_обр = U_обр/I_обр при t=const.

Полупроводниковый диод обладает емкостными свойствами. Накопление заряда происходит в р—n переходе и в базе полупроводникового диода, в связи с чем различают две составляющие емкости полупроводникового диода: барьерную С_б и диффузионную С_дф емкость. Таким образом,

С_д = С_б + С_дф ,

С_б = Q_обр/U_обр,

С_дф = Q_пр/U_пр ,

где Q_обр — заряд в р—n переходе и в базе полупроводникового диода при его обратном смещении, Q_пр — при прямом.

На низких и средних частотах С_б и С_дф не учитываются, так как их сопротивления 1/С_б и 1/С_дф велики, в связи с чем их шунтирующим действием сопротивлений R_i (R_пр ) и R_обр можно пренебречь.

Если прямой ток, протекающий через полупроводниковый диод, превышает некоторую его величину, называемую допустимой, то полупроводниковый диод перегревается и выходит из строя. Если обратное напряжение превышает допустимую величину, то происходит тепловой пробой полупроводникового диода. Эти два параметра называются соответственно допустимым прямым током и допустимым обратным напряжением.

3.2. Практические задания

Задание №1. Определить выходное напряжение в схеме, если диод идеальый, U_вх =20В, R =10кОм.

З адание №2. Определить выходное напряжение в схеме, если диод идеальный, U_вх =30В, R =30кОм, I_обр=2мкА, Т=300К.

Задание №3. Определить сопротивление диода постоянному току, если при U_пр =0,6В I_пр=100мА, а при U_обр =200В I_обр=4мкА.

Задание №4. При U_пр = 1В I_доп=5мА. Каково будет наибольшее значение напряжения в схеме, при котором диод будет работать в безопасном режиме, если его соединить последовательно с резистором R =100 Ом.

З адание №5. Диод работает в простейшей схеме выпрямителя с R_Н =10кОм. Параметры диод следующие: R_пр =40 Ом, R_обр =400 кОм, С =80 пФ. Найти на какой частоте f выпрямленный ток за счет емкости С уменьшится в два раза, учитывая, что R_Н >> R_пр и R_Н << R_обр.

З адание №6. Определить ток в цепи, если Е = 5В, R =1кОм, I_обр=10^-12 А, Т=300К, используя вольт-амперную характеристику диода.

Задание №7. Р–n переход, имеющий I_обр=25мкА, работает при U_пр = 0,1В и Т=300К. определить прямое дифференциальное сопротивление полупроводникового диода и прямое сопротивление постоянному току.

Задание №8. Определить положение рабочей точки на вольт-амперной характеристики диода, если для источника переменного напряжения амплитуда сигнала U_m =3B, для источника постоянного напряжения Е=20В, R_Н =10кОм, С велико.

Практическое занятие №4

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Цель занятия. Изучение принципа работы полупроводниковых транзисторов, расчет простейших схемы на основе полупроводниковых транзисторов.

4.1. Теоретические сведения

4.1.1. Определение и схемы включения полупроводниковых

транзисторов

Полупроводниковым триодом, или транзистором, называется полупроводниковый прибор с одним или несколькими электронно-дырочными переходами, один из которых является управляемым. В зависимости от природы образования тока, протекающего в транзисторе, различают биполярные и униполярные полупроводниковые триоды. Ток, протекающий в биполярных транзисторах, обусловлен перемещением зарядов обоих знаков: электронов и дырок.

Плоскостной транзистор представляет собой полупроводниковую пластинку, в которой создано три области с различной электропроводностью. В зависимости от того, какой электропроводности являются крайние области, различают транзисторы типа р—n— р и n —р—n.

Рассмотрим транзисторы типа р—n—р. Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область — эмиттером, другая коллектором. Выводы от этих областей соответственно называются базовым (Б), эмиттерным (Э) и коллекторным (К). Электронно-дырочный переход между базой и эмиттером называется эмиттерным, а между базой и коллектором — коллекторным.

В зависимости от того, какой из выводов транзистора является общим для входного и выходного сигналов, различают следующие три схемы включения транзисторов (рис.4.1): с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) и с общим коллектором(ОК).

Рис. 4.1. Схемы включения транзистора

Основными параметрами схемы с ОЭ являются:

1. Динамический коэффициент усиления по току k_i, который представляет собой отношение амплитуды тока в выходной цепи транзистора к амплитуде тока, протекающего во входной цепи транзистора. Согласно определению

k_i = I_{m вых} / I_{m вх}.

Для рассматриваемой схемы

k_i = I_{m к} / I_{m б}.

Статическим коэффициентом усиления по току . транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, называется отношение приращения тока коллектора к приращению тока базы при постоянном коллекторном напряжении

 = I_к / I_б при U_к = const.

Это выражение можно переписать как

 = (I_э / I_б ) — 1.

Для обычных транзисторов величина  лежит в пределах 100, а у специальных, у которых очень тонкая база, его величина достигает нескольких тысяч. Динамический коэффициент усиления транзистора по току k_i всегда меньше .

2. Коэффициент усиления по напряжению k_u, под которым понимается отношение амплитуды выходного напряжения к амплитуде входного напряжения,

k_u = U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m к} / U_{m б}.

Так как U_{m б} смещает эмиттерный переход в прямом направлении, а U_mк — в обратном (за исключением режима насыщения), то величина k_u лежит в пределах от десятков до сотен.

3. Коэффициент усиления по мощности

k_р = k_u k_i .

Его величина в соответствии со значениями k_u и k_i заключена в пределах от 100 до 10000.

4. Входное сопротивление транзистора

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх}= U_{m б} / I_{m б}.

Величина R_вх лежит в пределах от сотен ом до единиц килоом.

5. Выходное сопротивление транзистора представляет собой сопротивление обратносмещенного коллекторного перехода и подключенного параллельно ему по переменной составляющей коллекторного тока сопротивления резистора R_к. Поэтому

R_вых = R_к r_к / (r_к + R_к).

Величина R_вых которого лежит в пределах десятков килоом.

Основными параметрами схемы с ОБ являются:

1. Коэффициент усиления по току

k_i = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m к} / I_{m э} =1 – I_{m б} / I_{m э} 1.

Таким образом, коэффициент усиления по току транзистора, включенного по схеме с общей базой, меньше единицы.

Статическим коэффициентом усиления транзистора по току, включенного по схеме с общей базой, называется отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при постоянном коллекторном напряжения.

 = I_к / I_э при U_к = const.

Коэффициент  может быть выражен через  как

=  /(1+ ).

Величина  всегда меньше единицы и лежит в пределах 0,95 ... 0,999. Таким образом, транзистор, включенный по схеме с общей базой, входной сигнал по току не усиливает.

2. Коэффициент усиления по напряжению

k_u = U_{m вых} / U_{m вх} = U_{m к} / U_{m э}.

Как и в предыдущей схеме включения транзистора, U_{m к} смещает коллекторный переход в обратном направлении, а U_mэ смещает эмиттерный переход в прямом направлении. Поэтому величина k_u не отличается от величины этого коэффициента применительно к включению транзистора, по схеме с общим эмиттером.

3. Коэффициент усиления по мощности k_р = k_u k_i. Так как k_i 1, то k_р  k_u.

4. Входное сопротивление транзистора

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх}= U_{m э} / I_{m э}.

Так как величина U_mэ не отличается от U_{m б} применительно к схеме включения транзистора с общим эмиттером, а I_{m э} >> I_{m б} , то R_вх в рассматриваемом случае значительно меньше R_вхэ. Поэтому R_вх лежит в пределах десятков, а иногда (у мощных транзисторов) и единиц ом.

5. Выходное сопротивление R_вых лежит в пределах сотен килоом. Поэтому у транзистора, включенного по схеме с общей базой, отношение R_вых/R_вх значительно больше, чем у транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. В этом состоит второй существенный недостаток рассматриваемой схемы. Два основных недостатка (первый — входной сигнал не инвертируется) предопределили преимущественное распространение схемы включения транзистора с общим эмиттером. Однако частотные свойства схем включения транзисторов с общей базой лучшие, чем у схем включения транзисторов с общим эмиттером.