1.3 Полупроводниковые диоды.

Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов. Полупроводниковым диодом называется устройство, состоящее из кристалла полупроводника, содержащее обычно один p-n переход и имеющее два вывода.

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1 по конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды.

2 по мощности: маломощные; средней мощности; мощные.

3 по частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ.

4 по функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; тоннельные диоды и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

- маркировка диодов;

- условное графическое обозначение (УГО) – обозначение на принципиальных электрических схемах.

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:

К С 156 А

Г Д 507 Б

I II III IV

I – показывает материал полупроводника:

(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 цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам:

IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

Конструкция полупроводниковых диодов. Основой плоскостных и точечных диодов является кристалл полупроводника n-типа проводимости, который называется базой транзистора. База припаивается к металлической пластинке, которая называется кристаллодержателем. 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 p-типа проводимости и p-n переход большой плоскости (отсюда название).

Вывод от p-области называется анодом, а вывод от n-области – катодом. Большая плоскость p-n перехода плоскостных диодов позволяет им работать при больших прямых токах, но за счёт большой барьерной ёмкости они будут низкочастотными.

К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область. К базе точечного диода подводят вольфрамовую проволоку, легированную атомами акцепторной примеси, и через неё пропускают импульсы тока силой до 1А. В точке разогрева атомы акцепторной примеси переходят в базу, образуя p-область.

Микросплавные диоды получают путём сплавления микрокристаллов полупроводников p- и n- типа проводимости. По своему характеру микросплавные диоды будут плоскостные, а по своим параметрам –точечные.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного напряжения низкой частоты ( ) в постоянное. Они подразделяются на диоды

• малой ,

• средней

• большой мощности.

Основными параметрами, характеризующими выпрямительные диоды, являются:

• Обратный ток при некотором значении обратного напряжения;

• Падение напряжения на диоде при некотором значении прямого тока через диод;

• Барьерная емкость диода при подаче на него обратного напряжения некоторой величины;

• Диапазон частот, в котором возможна работа диода без существенного снижения выпрямленного тока;

• Рабочий диапазон температур.

В рабочем режиме через диод протекает ток, и в его электрическом переходе выделяется мощность, вследствие чего температура перехода повышается. В установившемся режиме подводимая к переходу мощность и отводимая от него должны быть равны и не превышать максимально допустимой мощности , рассеиваемой диодом, т.е . . В противном случае наступает тепловой пробой диода.

Качество теплоотвода в диоде характеризуется параметром эксплуатационного режима – тепловым сопротивлением под которым подразумевается отношение разности температур электрического перехода и корпуса диода к мощности рассеиваемой на диоде установившемся режиме. Уменьшение позволяет при заданном значении увеличивать рабочую температуру перехода или при известном перепаде температур повышать прямые и обратные токи и напряжения диода. Это достигается применением специальных теплоотводов-радиаторов.

С табилитроны – полупроводниковые диоды, работающие на обратной ветви ВАХ в области, где изменение напряжения электрического пробоя слабо зависит от значения обратного тока и применяется для стабилизации напряжения.

Односторонний стабилитрон

Двусторонний стабилитрон

Основными параметрами стабилитронов являются:

U_ст - напряжение стабилизации при номинальном значении тока;

I_{ст min} - минимальный ток стабилизации, при котором возникает устойчивый пробой;

I_{ст max} максимальный ток стабилизации, при котором мощность, рассеиваемая на стабилитроне, не превышает допустимого значения;

R_ст - дифференциальное сопротивление, характеризующее изменение напряжения стабилизации при изменении тока: R_ст =U/I

При рассмотрении ВАХ стабилитрона видно, что в области электрического пробоя имеется участок, который может быть использован для стабилизации напряжения. Такой участок у кремниевых плоскостных диодов соответствует изменениям обратного тока в широких пределах. При этом до наступления пробоя обратный ток очень мал, а в режиме пробоя, в данном случае в режиме стабилизации, он становится такого же порядка, как и прямой ток. Стабилитроны изготавливаются исключительно из кремния, их также еще называют опорными диодами, т. к. в ряде случаев получаемое от них стабильное напряжение используется в качестве опорного. При обратном токе напряжение стабилизации меняется незначительно. Стабилитрон работает при обратном напряжении.

П ринцип работы поясняет схема параметрического стабилизатора напряжения. Нагрузка включена параллельно стабилитрону, поэтому в режиме стабилизации, когда напряжение на стабилитроне постоянно, такое же напряжение будет и на нагрузке. Все изменение входного напряжения будет поглощаться резистором R_огр, которое еще называют балластным. Сопротивление этого резистора должно быть определенного значения и его обычно рассчитывают для средней точки. Если входное напряжение будет изменяться, то будет изменяться ток стабилитрона, но напряжение на нем, следовательно, и на нагрузке, будет оставаться постоянным.

При напряжениях меньше 7В имеет место полевой (туннельный) пробой, больше 15В - лавинный пробой, от 7 до 15В - смешанный пробой. Пробои в стабилитронах обратимы.

В схемах со стабилитроном должен быть ограничивающий резистор.

Динамическое сопротивление, определяющее качество стабилитрона: (чем меньше, тем лучше)

Статическое сопротивление:

Коэффициент качества: =0,01 – 0,05

Температурный коэффициент напряжения: ТКН = (0,2 – 0,4%)/°С

Недостаток стабилитрона: при малых токах стабилизации <3 мА увеличивается и существенную роль играют шумы.

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.

2. Биполярные транзисторы: устройство, принцип действия, основные параметры и характеристики. Схемы включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК), общей базой (ОБ) – характеристики и применение. Полевые транзисторы.

Транзистором называется полупроводни­ковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх 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 (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура);

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

• По частотным свойствам;

НЧ (<3 МГц);

СрЧ (3÷30 МГц);

ВЧ и СВЧ (>30 МГц);

• По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3÷3

Вт), мощные (>3 Вт). Маркировка.

Г Т - 313 А

К П - 103 Л

I II - III IV

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. Первая циф­ра показывает частотные свойства и мощность транзистора в соответствии с ниже приведён­ной таблицей.

IV – модификация транзистора в 3-й группе.

Устройство биполярных транзисторов. Основой биполярного транзистора является кри­сталл полупроводника p-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 бóльшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют коллектором. Область, имеющая меньшую площадь p-n перехода, и вывод от неё называют эмиттером. p-n переход между коллектором и базой называют коллекторным переходом, а между эмитте­ром и базой – эмиттерным переходом.

Направление стрелки в транзисторе показывает направление протекающего тока. 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.

Принцип действия биполярных транзисторов. При работе транзистора в усилительном режиме эмиттерный переход открыт, а коллекторный – закрыт. Это достигается соответствую­щим включением источников питания.

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. Следователь­но, ток эмиттера будет иметь две составляющие - электронную и дырочную.

Инжекцией зарядов называется переход носителей зарядов из области, где они были основны­ми в область, где они становятся неосновными. В базе электроны рекомбинируют, а их кон­центрация в базе пополняется от «+» источника Еэ, за счёт чего в цепи базы будет протекать очень малый ток. Оставшиеся электроны, не успевшие рекомбинировать в базе, под ускоряю­щим действием поля закрытого коллекторного перехода как неосновные носители будут пере­ходить в коллектор, образуя ток коллектора. Переход носителей зарядов из области, где они были не основными, в область, где они становятся основными, называется экстракцией заря­дов.

Основное соотношение токов в транзисторе:

Iэ = Iк + Iб

α - коэффициент передачи тока транзистора или коэффициент усиления по току:

Iк = α ∙ Iэ

Дырки из коллектора как неосновные носители зарядов будут переходить в базу, образуя обратный ток коллектора Iкбо. Iк = α ∙ Iэ + Iкбо

Из трёх выводов транзистора на один подаётся входной сигнал, со второго - снимается вы­ходной сигнал, а третий вывод является общим для входной и выходной цепи.

Схемы включения БПТ

Любая схема включения транзи­стора характеризуется двумя основными показателями:

- коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

- входное сопротивление Rвхб=Uвх/Iвх=Uбэ/Iэ.

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как вход­ная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзисто­ра.

Недостатки схемы с общей базой:

• Схема не усиливает ток α<1

• Малое входное сопротивление

• Два разных источника напряжения для питания. Достоинства - хорошие температурные и частотные свойства.

Схема включения с общим эмиттером. Эта схема являет­ся наиболее распространённой, так как она даёт наибольшее усиление по мощности.

Iвх = Iб Iвых = Iк Uвх = Uбэ Uвых = Uкэ

β = Iвых / Iвх = Iк / Iб (n: 10÷100) Rвх.э = Uвх / Iвх = Uбэ / Iб [Ом] (n: 100÷1000)

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд (или действующих значений) выходного и входного переменного тока, то есть переменных состав­ляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитудных или действую­щих значений выходного и входного переменного напряжения. Входным является переменное напряжение база - эмиттер Uбэ, а выходным - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн или, что то же самое, между коллектором и эмиттером - Uкэ:

Напряжение база - эмиттер не превышает десятых долей вольта, а выходное напряжение при достаточном сопротивлении резистора нагрузки и напряжении источника Ек достигает еди­ниц, а в некоторых случаях и десятков вольт. Поэтому коэффициент усиления каскада по напряжению имеет значение от десятков до сотен. Отсюда следует, что коэффициент усиле­ния каскада по мощности получается равным сотням, или тысячам, или даже десяткам ты­сяч. Этот коэффициент представляет собой отношение выходной мощности к входной. Каж­дая из этих мощностей определяется половиной произведения амплитуд соответствующих то­ков и напряжений. Входное сопротивление схемы с общим эмиттером мало (от 100 до 1000 Ом). Каскад по схеме ОЭ при усилении переворачивает фазу напряжения, т. е. между выход­ным и входным напряжением имеется фазовый сдвиг 180°.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

• Большой коэффициент усиления по току

• Бóльшее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление

• Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Одна­ко за счёт преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

Схема включения с общим коллектором.

I вх = Iб

Iвых = Iэ

Uвх = Uбк

Uвых = Uкэ

Iвых / Iвх = Iэ / Iб = (Iк + Iб) / Iб = β + 1 = n

n = 10 … 100

Rвх = Uбк / Iб = n (10÷100) кОм

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, по­скольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой ёмкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна от­рицательная обратная связь. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме перемен­ного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше её. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не даёт усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. Рассмотрев полярность переменных напряжений в схеме, можно установить, что фазового сдвига между Uвых и Uвх нет. Значит, выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему. То есть, выходное напряжение повторяет входное. Именно поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем и изображают схему так, как показано на рисунке.

Эмиттерным – потому, что резистор нагрузки включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК состав­ляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы килоом или сотни ом. Эти достоинства схемы с ОК побуждают использовать её для согласования раз­личных устройств по входному сопротивлению.

Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение – коэффициент усиления чуть меньше 1.

Режимы работы транзистора. В зависимости от спо­соба подключения эмиттерного и коллекторного электронно-дырочного перехода (ЭДП) к источникам питания биполярный транзистор может работать в одном из четырех режимов: отсечки, насы­щения, активном и инверсном.

Эмиттерный и коллекторный ЭДП в режиме отсечки (рис. а) смещаются в обратном, а в режиме насы­щения (рис. б) — в прямом направлениях. Кол­лекторный ток в этих режимах практически не зависит от напряжения и тока эмиттера.

Режимы отсечки и насыщения используются при работе биполярных транзисторов в импульсных и ключевых устройствах.

При работе транзистора в активном режиме его эмиттерный переход смещается в прямом, а коллекторный — в обратном направлении (рис. в).

Статические характеристики биполярного транзистора. Статические характери­стики выражают сложные связи между токами и напряжениями электродов транзистора и зависят от способа его включения.

Ни рис. а показано семейство входных характеристик биполярного транзистора типа п- р- п, включенного по схеме ОЭ, которые выражают зависимость I_Б =f(U_БЭ) при U_КЭ = const.

При U_КЭ = 0 входная характеристика представляет собой прямую ветвь ВАХ эмиттерного ЭДП. При положительном напряжении коллектора входная характеристика смещается вправо.

Выходные характеристики (рис. б) отражают зависимость I_К =f(U_КЭ) при I_Б = const. Крутой участок характеристик соответствует режиму насыщения, а поло­гий - активному режиму.

Полевые транзисторы (униполярные) - п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.

С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).

С точки зрения управления электрическим полем - полевыми.

Различают схемы включения:

- с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;

- с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;

- с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.

Отличие биполярных от полевых транзисторов: практически бесконечное входное сопротивление, несколько худшие усилительные свойства, лучшие температурные характеристики, возможность параллельного включения с целью увеличения тока, опасность повреждения статическим напряжением.

По способу создания канала различают ПТ с p-n-переходом (канал p- или n-типа), встроенным каналом (МДП) и индуцированным каналом (МОП).

ПТ с управляющим р-n переходом содержит три п/п области одного и того же типа проводимости, называемые истоком - каналом - стоком.

Движение носителей заряда начинается от истока в направлении стока по каналу, ширина которого зависит от напряжения, приложенного к затвору. Соответственно имеет 3 электрода: затвор, сток и исток. р-n переход является высокоомной областью неподвижных носителей заряда –ионов.

Подавая на затвор запирающее напряжение (в нашем случае "-") мы увеличиваем ширину р-n переходов и соответственно уменьшаем ширину канала и увеличиваем его сопротивление.

Резистор автоматического смещения служит для автоматического создания напряжения смещения. При его увеличении возможно полное запирание. Сопротивление в цепи затвора необходимо для заряда конденсатора.

При подаче на затвор отпирающего напряжения > 0,5В происходит отпирание р-n-перехода, возникает ток затвора и ПТ теряет основное своё преимущество: высокое входное сопротивление.

МОП с изолированным затвором и индуцированным каналом.

При приложении к затвору напряжения положительной полярности определенной величины, в области подложки (наиболее близко расположенная к затвору), под диэлектриком, образуется канал из неосновных носителей зарядов электронов. Для него характерно ещё большее входное сопротивление, но меньшее усиление, так как управляющий затвор находитя на большем расстоянии от канала.

МДП со встроенным каналом.

При подаче положительного напряжения увеличиваем ширину канала, и ток по нему тоже увеличивается. При подаче отрицательного напряжения уменьшаем ширину канала и ток по нему, вплоть до полного закрытия транзистора.

«+» возможность работы без начального смещения

«-» протекание тока при наличие U₃ = О

Чтобы р-п переходы были надёжно заперты относительно подложки (П), мы подаём на П напряжение, противоположное полярности по отношению к напряжению на стоке, т.е. для п - канала это будет "-". В обычных случаях соединяем П и U

КМОП - комплиментарные МОП с п и р переходом.

«+» отрицательный температурный коэффициент мощности, т.е. при нагреве ток стока уменьшается.

ПТ п - типа с р-п переходом не рекомендуется использовать при комбинации больших (20-50В) напряжений на затворах и относительно больших (> 1 мА) тока стока, из-за резкого возрастания тока затвора.

Достоинства ПТ: высокое входное сопротивление.

Недостатки: более низкое, по сравнению с БПТ, усиление по напряжению.