Классификация усилителей

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

1. Полупроводник p типа

Полупроводник p-типа, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными. «p-тип» происходит от слова «positive», обозначающего положительный заряд основных носителей.

2. Полупроводник n типа

Полупроводник n-типа имеет примесную природу и проводит электрический ток подобно металлам. Примесные элементы, которые добавляют в полупроводники для получения полупроводников n-типа, называются донорными. Термин «n-тип» происходит от слова «negative», обозначающего отрицательный заряд, переносимый свободным электроном.

3. P-n переход

Этот переход является разграничительной зоной между p-областью и n- областью.

И особенностью этого перехода является то, что этот переход состоит из ионизированных примесных атомов, которые не позволяют свободным зарядам из двух разных областей соединяться друг с другом. Он образовался от такого явления, как диффузионный ток.

Этот ток возникает при нагреве (изготовлении перехода). Носители зарядов рекомбинируют друг с другом и уравновешивают баланс. Диффузионный ток под воздействием тепла хаотичный, и не имеет упорядоченного направления, если на него не действует вешнее напряжение.

Например, электроны из n-области начинают накапливаться возле положительных ионов примеси, но так как с другой стороны находятся отрицательные ионы n-области, они не могут перейти этот барьер. С дырками ситуация аналогична.

4. Вид пробоев в p-n переходе

Под пробоем p-n перехода обычно понимают резкое увеличение обратного тока Iобр при увеличении обратного напряжения Uобр до некоторого значения Uпроб, называемого напряжением пробоя.

В зависимости от процессов, имеющих при этом место, пробой перехода может быть обратимым или необратимым.

Обратимым называют такой пробой перехода, когда после устранения причины его вызвавшей, т.е. уменьшения обратного напряжения, происходит резкое уменьшение обратного тока до прежнего значения. При этом не происходит никаких изменений в кристаллической структуре материалов, образующих p-n переход. Обратимый пробой может повторяться сколь угодно раз в процессе эксплуатации прибора.

Необратимым считается пробой приводящий к разрушению кристаллической структуры перехода, когда после уменьшения обратного напряжения обратный ток остаётся большим, при этом свойства перехода не восстанавливаются, прибор приходит в негодность.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

5. Выпрямительные диоды

Полупроводниковый диод - это полупроводниковый прибор, имеющий один p-n- переход и два внешних вывода, действие которого основано на том или ином свойстве p-n-перехода.

Выпрямительный диод работает на вентильном свойстве (свойстве односторонней проводимости) p-n- перехода, предназначен для выпрямления переменного тока. Работа выпрямительного диода — это работа p-n-перехода в прямом и обратном направлении. Остановимся на этом несколько подробнее. Если имеем кристалл полупроводника,

одна часть которого имеет p-проводимость, другая – n проводимость, то на границе происходит диффузия основных носителей заряда, т.е. дырок из p-области и электронов из n-области. В результате диффузии на границе p-области образуется отрицательный пространственный заряд, n-области – положительный пространственный заряд. Другими словами, на границе полупроводников с разной проводимостью образуется область, лишенная основных носителей заряда. Эта область и называется p-n-переходом

Выпрямительный диод — это диод, принцип действия которого основан на свойстве односторонней проводимости p-n-перехода, т. е. на его способности проводить ток только в прямом направлении. Выпрямительные диоды используют для преобразования переменного тока в постоянный — выпрямления. Так как выпрямительные диоды наиболее распространены, то на схеме они обозначаются общим обозначением диода.

6. Стабилитрон

Стабилитроном называют полупроводниковый диод, принцип действия которого основан на явлении электрического пробоя p-n- перехода. При электрическом пробое обратное напряжение на диоде практически не зависит от протекающего через него тока. Это

явление используется для стабилизации напряжения (поддержания напряжения на неизменном уровне) в цепях постоянного тока. Стабилитрон включается в обратном направлении, параллельно с нагрузкой (цепью в котрой напряжение должно быть неизменным). Для исключения теплового пробоя стабилитроны как правило включают через токоограничительный (балластный) резистор.

7. Светодиод

Светодиод – полупроводниковый диод, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическую. Известно, что при пропускании прямого тока через p-n- переход учащаются акты рекомбинации носителей заряда, т.е. возвращение электрона

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

из зоны проводимости в валентную зону. Это сопровождается излучением кванта энергии. При определенном подборе материала, из которого изготавливается диод, излучаемая оптическая энергия может находиться в видимой части спектра. Исходным материалом для изготовления светодиода служат фосфид галлия, арсенид-фосфид галлия, карбид кремния. Большую часть энергии, выделенной в этих материалах при рекомбинации носителей заряда, составляет тепловая энергия. На долю энергии видимого излучения приходится порядка 10-20 %, поэтому кпд светодиода не велик. Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов. Конструкция диода обеспечивает передачу света от p-nперехода без значительных потерь в теле полупроводника. Светодиод работает при подаче напряжения в прямом направлении. Схема включения, ВАХ и условное обозначение светодиода показаны на рис 1.5.

8. Фотодиод

Это полупроводниковые приборы, с p–n–переходом, в которых под действием лучистой энергии в области p появляются дополнительные носители электричества дырки а в области n – электроны На рис. 1.4.1 показаны две схемы включения ФД:

а – фотогенерации (солнечной батареи), б – фотопреобразования.

Наибольший КПД солнечных батарей (до 20 %) удается получить, используя кремниевые ФД. Удельная выходная мощность солнечных батарей достигает кВт/м2. Вольт – амперные характеристики ФД в режиме фотогенератора и фотопреобразователя представлены на рис.1.4.1в,г (германиевый ФД). Чувствительность ФД (мА/лм): селеновые 0,3 – 0,75, кремниевые – 3, сернистосеребряные 10 – 15, германиевые – до 20.

Спектральные и частотные характеристики ФД зависят от материалов, используемых для их изготовления. Селеновые имеют спектральную характеристику, близкую к спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза. Поэтому их широко применяют в фото– и кинотехнике. ФД на основе германия и арсенида галлия могут работать при модуляции света в сотни МГц. Существенным недостатком ФД является зависимость их параметров от температуры. По сравнению с фоторезисторами ФД имеют большее быстродействие, но меньшую чувствительность.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

9. Оптоэлектронная пара

Оптоэлектроника – это самостоятельная область электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронные устройства используются для генерации, преобразования, запоминания и хранения информации.

Основной элемент оптоэлектроники – оптрон (оптопара). Это электронный прибор, в одном корпусе которого заключены источник лучистой энергии, оптический канал и приемник лучистой энергии. Следует заметить, есть оптроны с открытым оптическим каналом.

Передача информации с помощью оптронов обеспечивает высокую помехозащищенность, быстродействие (0...100 МГц), гальваническую развязку входных и выходных цепей. Оптроны хорошо согласуются с цифровыми индикаторными микросхемами. В оптронах в качестве источника излучения обычно используются арсенид – галлиевые СИДы и фотоприемники на основе кремния, так как они хорошо согласуются по спектральным характеристикам. Это обеспечивает оптимальную передачу сигнала с входа оптрона на выход. В качестве фотоприемников в оптронах используются все вышеописанные фотопринимающие приборы.

Различные типы оптронов приведены на рис.1.4.5: а – резисторный, б – диодный, в– транзисторный (биполярный), г – транзисторный (полевой), д – динисторный, е – тиристорный и т.д.

10. Тунельный диод

Туннельный диод – это полупроводниковый прибор, использующий туннельный эффект для переноса носителей заряда через потенциальный барьер p-n-перехода. Это высокочастотный прибор, применяется как маломощный генератор и усилитель высоких частот, находит применение в ключевых схемах автоматики.

Изготавливаются эти приборы из германия и арсенида галлия. Как следует и рис. 1.6, а) односторонняя проводимость у диода полностью отсутствует. При отрицательном напряжении ВАХ линейна, проходит через начало координат и несколько «прижата» к оси ординат. В прямой ветви характеристики наблюдается падающий участок, которому соответствует отрицательное дифференциальное сопротивление (участок ab) и причиной которого является туннельный эффект – эффект прохождения носителей заряда через туннели в p-n-переходе без преодоления потенциального барьера. Пояснить ВАХ можно следующим образом. В туннельном диоде концентрация примесей очень высокая, за счет этого ширина p-n-перехода чрезвычайно мала и доходит до сотых долей микрона, в результате чего расстояние между ионами доноров (n-полупроводник) и ионами акцепторов (p-полупроводник) становится меньше, чем расстояние между ионами только доноров и ионами только акцепторов. В результате электрическое поле в p-n-переходе крайне неравномерно и напряженность поля

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

велика. Максимум напряженности достигается на участках перехода донор-акцептор, минимум напряженности – в пространстве между узлами кристаллической решетки. Именно там и образуются туннели, в которых напряженность близка к нулю, и носители зарядов могут через туннели свободно проходить из «p» области в «n» и наоборот. При отсутствии внешнего поля эти токи уравновешивают друг друга. При подаче малого напряжения (участок 0а) под действием внешнего поля устанавливается чисто туннельный ток основных носителей. В точке a происходит насыщение туннелей, и дальнейшее увеличение напряжения приводит к уменьшению прямого тока (участок ab).

11. Тиристор

Тиристоры

широко применяются при создании управляемых выпрямителей, инверторов, как ключевые элементы

в различных устройствах автоматики и регулирования. Тиристор – это четырехслойный кремниевый прибор p–n–p–n, т.е. прибор с тремя p–n–переходами (рис.1.8). Наружный слой р1 является анодом А, а наружный слой n2–катодом К. К промежуточному слою р2 подведен управляющий электрод У. Тиристор – это полупроводниковый вентиль ключевого типа. Он имеет два рабочих состояния: “включено”, когда его сопротивление может быть принято равным нулю, и “выключено”, когда его прямое сопротивление принимается равным бесконечности. Поэтому он называется прибором ключевого типа. Тиристор приводится в открытое состояние подачей на управляющий электрод импульса тока положительной полярности, когда к его аноду приложено положительное напряжение. Время включения тиристора в зависимости от его типа составляет от 1 до 25 мкс. После включения тиристора импульс управления можно снять, вентиль остается в открытом состоянии. Открытый тиристор становится неуправляемым по цепи управления, и выключить его, подняв минус на управляющий электрод, нельзя. Для прекращения состояния проводимости тиристора необходимо снизить напряжение источника анодного питания практически до нуля. Время выключения составляет от 10 до 250 мкс.

Построение выполнено для трех значений тока управления Iу1> Iу= 0. Обратная ветвь вольт–амперной характеристики тиристора аналогична обратной ветви вольт– амперной характеристики полупроводникового диода и не зависит от тока управления Iу. При прямом анодном напряжении Uпр вольт–амперная характеристика имеет две резко отличающиеся области. Одна из них соответствует запертому состоянию тиристора (горизонтальный участок характеристики), в котором его анодный ток очень мал (измеряется единицами или долями миллиампера), из за чего все

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

напряжение источника анодного питания оказывается приложенным между катодом и анодом тиристора. Вторая область прямой ветки вольт– амперной характеристики соответствует открытому состоянию тиристора (вертикальный участок характеристики).

12. Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — полупроводниковый прибор, который содержит два близко расположенных p-n-перехода и имеет три вывода. Биполярный транзистор служит для усиления слабых электрических сигналов, то есть для управления сопротивлением в мощной электрической сети с помощью слабого электрического сигнала.

Выходной ток биполярного транзистора создаётся носителями заряда обоих знаков. На схеме транзисторы обозначается буквами VT, V означает полупроводниковый прибор, T - транзистор. Выводы транзистора и соответствующие им области называют эмиттер, коллектор и база. Эмиттер содержит большое число примесей и является источником носителей заряда, весь выходной ток транзистора создаётся носителями заряда эмиттера. Коллектор — это область с тем же типом проводимости, что и эмиттер, однако концентрация примесей в ней значительно меньше. Коллектор является приёмником носителей заряда из эмиттера. База — это узкая область между эмиттером и коллектором, ширина которой меньше длины свободного пробега носителей заряда, благодаря чему носители заряда могут переходить из эмиттера в коллектор.

Ток базы значительном (на один-два порядка) меньше тока эмиттера, ток коллектора примерно равен току эмиттера. В соответствии с первым законом Кирхгофа для токов можно записать

I э=Iк+ I б .

Биполярный транзистор содержит два p-n-перехода — эмиттерный переход (между базой и эмиттером) и коллекторный переход (между коллектором и базой). В большинстве случаев эмиттерный переход включают в прямом направлении, а коллекторный — в обратном.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

Как видно из , биполярный транзистор содержит два p-n-перехода — эмиттерный, между базой и эмиттером, и коллекторный, между базой и коллектором. Во всех усилительных схемах эмиттерный переход включается в прямом, а коллекторный — в обратном, что соответствует полярности, показанной на рисунке. Транзисторы p-n-p и n-p-n структуры работают аналогично, отличие только в полярности подводимого напряжения. Направление стрелки, обозначающей эмиттер, соответствует направлению протекающих в открытом стоянии транзистора токов. Принцип работы транзисторов обоих типов аналогичны. Так как эмиттер содержит наибольшее количество примесей, то считают, что выходной ток транзистора создаётся носителями заряда эмиттера

13. Схемы включения транзистора

Так как транзистор имеет три вывода, то возможно три схемы его включения: схема с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. Общим является тот электрод, который является общим для входной (управляющей) цепи и выходной (управляемой). Независимо от схемы, ток выходной цепи определяется сигналом во входной цепи.

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

14. Статические характеристики

Статические характеристики устанавливают связь между токами транзистора и напряжениями на его электродах. Различают следующие основные вольт-амперные характеристики транзистора:

1.Входная - зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном значении выходного напряжения.

2.Выходная - зависимость выходного тока от выходного напряжения при постоянном значении входного тока.

3.Проходная - зависимость выходного тока от входного тока при постоянном значении выходного напряжения.

В качестве примера на рис. 1.2.4 и 1.2.5 представлены вольтамперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 1.2.4): входная (а), проходная (б) и семейство выходных(в). На рис.1.2.5 представлены статические характеристики схемы с общей базой .

СПБГУАП | группа 4736 Контакты https://new.guap.ru/i03/contacts

Если при Uзи = const увеличивать Uси, то ток через канал (Iс) возрастет (рис. 3.3.б). При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p- n-переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором Uси = Uнас, называемом напряжением насыщения, канал настолько сужается, что дальнейшее увеличение Uс не увеличивает Iс.

16. МДП транзистор со встроенным каналом

Эти транзисторы находят более широкое применение, так как имеют более простую конструкцию и обладают лучшими электрическими свойствами. У МДП-транзисторов (металл– диэлектрик – полупроводник)

между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой диэлектрика

Принцип работы МДП - транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. МДПтранзисторы управляются напряжением и имеют чрезвычайно большое входное сопротивление и в отличие от полевых транзисторов с затвором в виде p-n-перехода сохраняют его большим независимо от величины и полярности входного напряжения. Применяются две конструкции МДП -транзисторов: МДП -транзисторы со встроенным каналом и МДП -транзисторы с индуцированным каналом.

У МДП-транзисторов со встроенным каналом в полупроводниковой пластине (подложке), например «n»-типа, в процессе изготовления в приповерхностном слое создаются области, например «p»-типа, образующие электроды стока и истока (рис.1.3.3,а). Перемычка между С и И с проводимостью «p»-типа является каналом для протекания тока стока Iс даже при отсутствии управляющего напряжения Uз = 0 на затворе. При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле выталкивает основные носители (дырки) из канала, его сопротивление растет, а Iс падает. Такой режим носит название “режима обеднения”. При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле притягивает дырки из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается, Iс растет (“режим обогащения”). Передаточная функция МДП -транзистора показана на рис. 1.3.3, б. Его стоковые характеристики Ic=f(Uси) при Uзи = const по виду аналогичны характеристикам транзистора с затвором в виде p-n-перехода (рис.1.3.3, б). Схемные изображения МДП – транзисторов со встроенным каналом n-типа и p-типа представлены на рис. 1.3.3, в.

17.МДП транзистор с индуцированным каналом

УМДП-транзисторов с индуцированным каналом последний заранее не создается, и в транзисторах, использующих пластину с проводимостью, например, n-типа, при Uз > 0 и Uз = 0 ток Iс = 0 (рис. 1.3.4, а, б). Образование канала в таких приборах происходит при подаче на затвор только отрицательного напряжения (Uз < 0). Тогда в результате вытеснения из поверхностного слоя электронов и подтягивания дырок из n-