2 Полупроводниковый диод

Основу большинства полупроводниковых приборов составляет р-n переход - переходный слой между двумя областями полупроводника с различными типами электропроводности (электронная и дырочная) шириной от сотых долей до единиц микрометра.

Вольтамперная характеристика р-n перехода определяется соотношениями:

где - обратный ток насыщения при температуре = 293 К;

U - напряжение на р-n переходе;

q = 1,610^-19 Кл - заряд электрона;

k = 1,3810^-23 Дж/К - постоянная Больцмана;

m - коэффициент, зависящий от материала,

m = 1 (германий), m =2 (кремний);

 - температурный коэффициент,

 = (0,09...0,05) I/град (кремний),  = (0,13...0,07) I/град (германий).

Полупроводниковый прибор с р-n переходом и двумя оми­ческими выводами называется диодом. Область с большей концент­рацией основных носителей заряда называется эмиттером, другая - базой (р⁺ и n^- соответственно).

2.1. Для заданных значений Е, I₀(T₀), R_н, U_{обр max} при Т равной 20° (Т = - Т) рассчитать и построить вольт-амперную характеристику р-n перехода; характеристику диода рассчитаем по ВАХ переходу увеличением значений падения напряжения в 3 раза (рис. I).

Рисунок 1

2.2. Определим падение напряжения и ток диода в соответствии со схемой (рис. 2) по уравнению построив нагрузочную характеристику (рис. 3)

где – падение напряжения на диоде.

Рисунок 2

Рисунок 3

2.3. Рассчитаем дифференциальное сопротивление

,

Потери в диоде

2.4. Изобразить форму напряжения и тока диода в схеме однофазного мостового выпрямителя при работе на активную нагрузку.

Рисунок 4

2.5. Привести и пояс­нить условное обозначение диода общего пользования (до 10 А) и силового диода.

Диод общего пользования (выпрямительный диод 2Д503А – маркировка по ГОСТ 10832-84 – кремниевый импульсный диод, разновидность А).

Силовой диод – КУ201Ж – кремниевый управляемый диод.

3 СТАБИЛИТРОН

Стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Об­ратная ветвь вольтамперной характеристики имеет участок, где напряжение практически не меняется при значительном изменении тока. Стабилитроны применяются в стабилизаторах напряжения, в ограничителях и формирователях импульсов. На рис. 5 приведена схема параметрического стабилизатора постоянного напряжения.

Рисунок 5

3.1. Для заданных значений сопротивления нагрузки и напряжения питания Е величины , , принимаем равными 2Е, 3Е и 4Е соответственно По напряжению стабилизации определим ток нагрузки , выбирая тип стабилитрона (прил., табл. 2), и рассчитаем ток стабилизации .

При этом необходимо выполнить условие .Условие соблюдается, так как .

Таблица 2. Данные полупроводниковых стабилитронов.

Тип стабилитрона	Ucтн, В	Rд, Ом	Icтн, мА	, %/C	Icm max, мА	Icm min, мА	Pmax, Вт
Д815Е	15 ± 2,2	3,8	500	0,13	550	25	8,0

3.2. Для выбранного типа стабилитрона определяем координаты точек BAХ в зоне лавинного пробоя по значениям , , , и , по которым строится обратная ветвь ВАХ (рис. 6).

Рисунок 6

3.3. Величина сопротивления балластного резистора.

3.4. Строим нагрузочные характеристики для заданных значений напряжений в соответствии с уравнением

Если точки пересечения нагрузочных характеристик с ВАХ стабилитрона будут лежать выше точки перегиба ВАХ (не на падающем участке ВАХ), следует повторить расчёт, выбрав стабилитрон с меньшим напряжением стабилизации.

3.5. Определяем пределы измерения напряжения на нагрузке при изменении входного напряжения

При изменении тока нагрузки на величину отклонение выходного напряжения может быть рассчитано по формуле

3.6. Рассчитывают коэффициент стабилизации напряжения

4 ТУННЕЛЬНЫЙ ДИОД

Туннельный диод - полупроводниковый прибор, принцип действия которого базируется на туннельном эффекте, который проявля­ется при малой толщине р-n перехода, высокой напряженности

электрического поля и наличии вакантного места но энергетическом уровне, соответствующем энергии электрона. ВАХ прибора имеет участок с отрицательным сопротивлением (рис. 7). Диоды используются в схемах усилителей, генераторов и переключателей. Режим работы диода определяется взаимным расположением ВАХ и нагрузоч­ной прямой.

Рисунок 7

4.1. Строится ВАХ по заданным основным параметрам.

4.2. Используя полученную ВАХ туннельного диода, построить эквивалентную ВАХ для двух диодов, включенных последовательно, параллельно, встречно-параллельно, встречно. Изобразить схемы включения диода и эквивалентные характеристики.

4.3. Изобразить график зависимости дифференциального со­противления по данным ВАХ ( ).

4.4. Привести схему включения туннельного диода в режиме нагрузки (рис. 8).

Рисунок 8

Режим линейного уси­лителя: , точка равновесия – точка 2.

Режим переключателя: , , точка равновесия - точки 1, 3.

4.5. Показать на характеристиках диода форму входного и вы­ходного гармонического сигнала при работе в режиме усиления. Оп­ределить необходимые значения Е и R в режиме усиления и пе­реключения.

4.6. Привести пример условного обозначения туннельного дио­да с указанием основных параметров.

Тип диода	Imax, мA	Imax/Imin	UImax, В	Ucк, В	С, пФ
3И301А	2	>8	0,18	0,47	<12
3И301В	5	> 8	0,18.	0,82-1,12	<25
3И301Г	10	> 8	0,18	0,62	<50
1И302А	1,7-2,3	4,5	0,06	0,34	< 80
1И302Б	4,3-5,8	4,5	0,06	>0,34	< 150
1И302В	8,5-1,5	4,5	0,06	>0,34	< 180
1И302Г	13 -17	4,5	0,06	>0,34	< 200

5 ВАРИКАП

Варикап - полупроводниковый прибор, барьерная емкость пере­хода которого зависит от величины обратного напряжения. Варикапы (параметрические диоды) используются в качестве электрически управляемых конденсаторов. На рис. 9 изображена вольт-фарадная характеристика варикапа и схема его включения.

Рисунок 9

5.1. Привести необходимые обозначения на характеристике варикапа при обратном допустимом напряжении 25 В, минимальном значении барьерной емкости C_бар =10 пФ и заданном коэффициенте перекрытия по емкости .

Тип	Номинальная емкость, пФ (u =4 В)	Обратное напряжение, umax, В	кс	Добротность	Обратный ток, мкА	Диапазон температур
Д902	9 3	25	20	30	10	-60…+100

5.2. Указать требуемую для рабочего режима полярность источников питания в схемах (рис. 9, 10).

Рисунок 10

5.3. Определить диапазон изменения частоты в схеме (рис. 10) для варикапа с параметрами, рассчитанными в п. 5.1, при величине индуктивности 100 мкГн (емкость разделительного конденсатора равна 0,1 мкФ).

Резонансная частота ₀ = = = 3,16*10^-6 рад/с;

5.4. Привести пример условного обозначения варикапа и его основные параметры.

Варикап Д902(Кремниевый), применение в параметрических усилителях, преобразователях постоянного напряжения в переменное, в автогенераторах синусоидальных колебаний.

6 МАГНИТОДИОД

Магнитодиод - полупроводниковый прибор, вольтамперная ха­рактеристика которого изменяется под действием магнитного поля. Диод используется для преобразования магнитных величин в элект­рические. Основным параметром диода является чувствительность . Значение этого параметра меняется в пределах 10...5010³ B/(ТлмА).

На рис. 11 изображена ВАХ и условное обозначение диода. Определить чувствительность магнитодиода типа КД301К (рис. 12) для токов 1, 2 и 3 мА.

Рисунок 11

Рисунок 12

I, А	U, В	B, Тл	
1	12,5	0,3	41667
2	20		66667
3	23,33		77778

7 ФОТОДИОД

Фотодиод - полупроводниковый прибор с одним р-n перехо­дом, вольтамперная характеристика которого зависит от светово­го потока.

На рис. 13 изображены ВАХ фотодиода.

Рисунок 13

Режимы работы фотодиода - фотодиодный (фотопреобразователь) и фотогенераторный (вентильный). На рис. 13-15 изображены схемы включения фотодиода и вольтамперные характеристики.

Рисунок 14 а

Рисунок 14 б

Рисунок 15 а

Рисунок 15 б

Рисунок 16 а

Рисунок 16 б

7.1. Используя ВАХ (рис. 13), определить на графике фото-ЭДС диода в режиме холостого хода и ток короткого замыкания при световых потоках Ф₁, Ф₂, Ф₃.

7.2. Определить полярность напряжения источника питания и направление протекания тока в схемах (рис. 14). Указать от­личия в режимах работы фотодиодов.

7.3. Пояснить принцип действия схем, приведенных на рис. 16, указав полярность напряжения источника питания. В схему входят реле (Р), ограничивающий резистор и фотодиоды.

7.4. Энергетические характеристики фотодиода в режиме фотогенератора для заданного сопротивление нагрузки изображены на рис. 17. Привести пример условного обозначения фотодиода.

Рисунок 17

8 ТРАНЗИСТОР

Транзистор - полупроводниковый прибор, применяемый для усиления мощности, имеющий три и более выводов. Транзисторы делятся на биполярные и униполярные. Биполярный транзистор - прибор, в котором чередуются три области с различной электропроводностью. Работа транзистора основана на использовании носи­телей зарядов обоих знаков. Различают транзисторы типа р-n-p и n-р-n. Обычные биполярные транзисторы имеют выводы, один из которых является общим для входной и выходной цепей. В за­висимости от этого различают три схемы включения транзистора:

с общей базой (ОБ),

с общим эмиттером (ОЭ),

с общим коллектором (ОК).

Сочетания знаков и значений напряжений на р-n переходах определяют режим работы транзистора:

активный – напряжение на эмиттерном переходе прямое, на коллекторном - обратное;

отсечки - оба перехода смещены в обратном направлении (транзистор заперт);

насыщения - на обоих переходах прямое напряжение (транзистор открыт);

инверсный – напряжение на эмиттерном переходе обратное, на коллекторном - прямое.

8.1. Изобразите схемы включения транзисторов типа р-n-p и n-р-n. Показать полярность напряжения на электродах транзисторов для указанных выше режимов работы транзистора (риc. 18).

Тип транзистора р-n-p

Схема включения ОБ

Режим - активный

Рисунок 18

8.2. Расчет усилительного каскада.

Биполярные транзисторы используются в схемах усиления и генерирования импульсов. При расчете усилительных устройств необходимо обеспечить заданный режим работы (выбрать точку покоя) и термокомпенсацию. Для этих целей применяют резисторы обратной связи, активные делители напряжения, дополнительные источники питания. На рис. 19 изображена схема усилительного каскада с общим эмиттером со смещением в цепи базы с помощью резистора R_б. Напряжение источника питания Е_к усилительного каскада выбирается в пределах I0...30 В.

Рисунок 19

Для расчета каскада необходимо:

выбрать тип транзистора (по величине Е_э = 10 В, и Р_{э max} = 150 мВт, транзистор ОЭ) – КТ301Б;

построить выходные и входную характеристики транзистора (рис. 20);

Рисунок 20

нанести на выходные характеристики ограничения по максимальной мощности , и .

По уравнению

построить нагрузочную характеристику по двум точкам:

при ; .

Линия нагрузки должна проходить ниже допустимых значений ограничений.

Определяют .

Величина лежит в пределах нескольких килоом.

По выходным характеристикам и нагрузочной прямой строят переходную характеристику , как это показано на рис. 21. На переходной характеристике выделяют линейный участок "аб" при изменении тока базы от нуля до некоторого значения.

Выбирают рабочую точку II в середине линейного участка переходной характеристики.

Проецируют участок "аб" на нагрузочную и входную характеристики, определяют для точки покоя:

- значение тока базы;

- напряжение между базой и эмиттером;

- резистор в цепи базы, обеспечивающий режим покоя;

Изменение входного и выходного сигналов показано на рис. 21.

При заданной величине постоянной составляющей тока базы на переходной характеристике указывается ее значение и аналогично определяются остальные величины токов и напряжений. Далее определяют:

коэффициент усиления по току

амплитуду выходного напряжения

выходную мощность

потребляемую мощность усилителя

здесь - постоянная составляющая коллекторного тока;

КПД каскада

Мощность, выделяемая на коллекторе от постоянных состав­ляющих тока и напряжения,

Коэффициент усиления по напряжению

Коэффициент усиления по мощности

Входная мощность

Входное сопротивление

Емкость конденсатора

здесь - минимальное значение диапазона частот (I00...5 кГц).

Рисунок 21