Общая электротехника и электроника. Физические свойства и элементная
.pdfки образуется /?-л-переход, имеющий малую площадь, а следовательно, и малую барьерную емкость (не более 1 пФ). Такие диоды могут использо ваться для выпрямления, детектирования сигналов, частота которых изме ряется сотнями мегагерц. Следует отметить, что в связи с малой пло щадью / 7-Аз-перехода предельно допустимые параметры таких диодов неве лики. Средний прямой ток измеряется десятками миллиампер, обратное максимальное напряжение - сотнями вольт.
Основной характеристикой точеч ных диодов является вольт-амперная характеристика, которая в прямой ветви аналогична ВАХ плоскостного диода, а в обратной ветви имеет значительно меньшую величину обратного тока, и при этом отсутствует явно выраженный участок насыщения (рис. 2.15). При увеличении обратного напряжения про исходит равномерное увеличение об ратного тока. Основные параметры то
чечного диода такие же, как и плоскостного диода, однако есть и дополни тельные, характеризующие его частотные свойства: емкость, дифференци альное сопротивление, диапазон частот диода. Схема включения точечных диодов такая же, как и выпрямительных. Точечные диоды применяются в импульсных и высокочастотных слаботочных схемах и могут использо ваться в маломощных выпрямителях.
2.1.5. Импульсные диоды
Импульсные диоды предназначены для работы в импульсных схемах с очень малым временем переключения (крутыми фронтами импульса). При этом малыми должны быть также паразитные емкости и время жизни неосновных носителей заряда в обедненных областях.
При переключении диода с прямого напряжения на обратное присут ствующие неосновные носители в обедненной области, которые накопи лись при протекании прямого тока, не могут исчезнуть мгновенно (требу ется время рекомбинации). В момент скачка напряжения наблюдается большой обратный ток, ограниченный в основном сопротивлением базы, и только после того, как неосновные носители рекомбинируются и уйдут че рез переход в эмиттер, обратный ток диода примет установившееся значе ние / 0 уст (рис. 2.16). Это время получило название времени восстановления обратного сопротивления или обратного тока. Оно тем болыпе, чем боль
ше прямой ток и время жизни неосновных носителей, и может составлять величину от микросекунд до наносекунд.
При подаче на диод импульса прямого тока происходит временный всплеск прямого напряжения. Это вызвано тем, что инжекция неосновных носителей не может произойти мгновенно, требуется время для накопле ния неосновных носителей в базе, а пока это не произошло, прямое сопро тивление перехода больше, чем в установившемся режиме, что и опреде ляет всплеск прямого напряжения (рис. 2.17).
А
1
1
1
J
N
! А
>4‘уст< ‘
Рис. 2.16 |
Рис. 2.17 |
По технологии изготовления импульсные диоды делятся на точечные, микросплавные, мезадиффузионные и эпитаксально-планарные. Наиболее быстродействующие из них - последние два. Мезадиоды получаются ме тодом диффузии точно так же, как и плоскостные, но после этого происхо дит химическое травление, при котором /?-я-переход сохраняется только на незначительной площади (рис. 2.18). Это возвышение над остальной плос костью (меза) и дало название данному типу импульсного диода. Планар ные диоды получаются следующим образом. Поверхность кристалла окис ляется, при этом образуется диэлектрическая пленка Si0 2 . В этой пленке методом химического травления создается локальное «окно» очень малой
Рис. 2.18 |
Рис. 2.19 |
Варикапом называется полупроводниковый прибор с р-л-переходом, принцип действия которого основан на использовании паразитной барьер
ной емкости, которая |
зависит от величины обратного напряжения |
|
(рис. 2.21). При увеличении обратного налря- |
Сб |
жения увеличивается ширина обедненного |
|
слоя или глубина проникновения объемного |
|
заряда ионов донора и акцептора, что эквива |
|
лентно увеличению расстояния между пласти |
|
нами плоского конденсатора, а следовательно, |
|
и уменьшению величины емкости. Основной |
|
характеристикой варикапов является вольт- |
|
фарадная характеристика (рис. 2 .2 2 ). |
Рис. 2.21 |
К основным параметрам варикапов отно |
|
сятся: номинальная емкость - емкость при но |
минальном напряжении, максимальная и минимальная емкости, коэффи циент перекрытия - отношение максимальной емкости к минимальной, добротность, максимально допустимое напряжение, максимально допус тимая мощность, температурный коэффициент мощности.
Варикапы нашли широкое применение как конденсаторы с управляе мой емкостью в схемах автоматической подстройки частоты в радиопри емной аппаратуре, в преобразователях напряжение - частота, в схемах СВЧ как параметрические усилители и т.д.
Для примера рассмотрим схему преобразования постоянного напря жения в частоту. На рис. 2.23 приведена схема генератора синусоидальных
Эпитаксиальный
слой
Подложка
Концентрация примеси в базе может быть постоянной - от эмиттера к коллектору - или переменной. В первом случае носители в базе переме шаются за счет диффузионных сил и транзистор носит название диффузионного или бездрейфового. Во втором случае носители перемещаются в базе за счет дрейфовых сил, образованных внутренним полем и за счет диффузионных сил, но первые являются преобладающими, поэтому такие транзисторы получили название дрейфовых.
Рис. 2.27
Для того чтобы на электронных схемах можно было различать эмит тер и коллектор, при условно-графическом изображении транзистора эмиттер обозначается стрелкой (рис. 2.27).
2.2.2. Принцип действия биполярного транзистора
Для работы транзистора в усилительном (активном) режиме необхо димо. чтобы переход эмиттер - база (эмитгерный переход) был открыт (рис. 2.28, а), т.е. на него было подано прямое напряжение, а переход кол лектор - база (коллекторный переход) был закрыт (рис. 2.28, б), т.е. на него было подано обратное напряжение.
d/ 3 = d/K+ d/6. |
(2 .2 ) |
Однако следует подчеркнуть, что уравнения (2.1) и (2.2) справедливы |
|
только для усилительного режима. Учитывая, что / к » |
/g, в расчетных |
формулах часто применяется /э * /к- |
|
Приложенное напряжение £/э - б в прямой полярности, поэтому его ве
личина и приращение составляют десятые доли вольт, |
а напряжение |
UK_б - в обратной полярности и может составлять десятки, |
сотни вольт, а |
ток /э « /к. Следовательно, мопщость на входе транзистора (на переходе эмиттер - база) значительно меньше мощности на выходе транзистора (на переходе коллектор —база). Это позволяет сделать вывод, что транзистор является усилительным элементом. Следует отметить, что в такой схеме включения транзистора усиление происходит только по мощности, а по току усиления нет (/к < /э, d/K< d/э). Для усиления сигнала по напряжению необходимо в цепь коллектора включить добавочное сопротивление, вели чина которого должна быть больше, чем сопротивление открытого перехо да эмиттер - база (рис. 2.29).
Если принять LJj —5 |
Z/JXJ ^ /к /^доб ^/вых> то коэффициент усиления |
по напряжению К ц = |
может быть найден следующим образом: |
' вх
А^вых ““ ^к^доб» А^вх - А/э/?з_ 5 , К ц - А/к^доб Д ^ э - б
Приняв Д/к = Д/э , получим
^доб * 3 -6
Так как 11ло$ > Яэ _ б, то Ки будет больше единицы или транзистор усилит
входной сигнал не только по мощности, но и по напряжению.
2.2.3.Схемы включения транзистора
Взависимости от требований, предъявляемым к усилителям, возмож ны три варианта схемы включения транзистора: схема с общей базой (ОБ), схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК). Рас смотрим подробнее эти три варианта включения и дадим их сравнитель ный анализ.
Схема включения транзистора с ОБ. Эта схема представлена на рис. 2.30, здесь база является общей для входного и выходного сигнала, это и дало название данной схеме.
Входным током в схеме является
ток эмиттера, а выходным - |
ток кол- |
|
лектора. Отношение |
d/K |
называ |
—- = а |
||
|
л а |
|
ется коэффициентом |
передачи тока |
|
эмиттера. Эта величина близка к еди нице (а « 0,98-0,999). Коэффициент а может задаваться не только в произ водных от тока, но и как отношение
L
абсолютных величин L и /э: а = у - .
Строго говоря, эти коэффициенты различны, но в большинстве случаев можно считать, что интегральный и дифференциальный коэффициенты равны и тогда d/ к = а<Иэ и / к = а / э, т.е., зная входной ток или его измене
ние (/э, (1/э), всегда можно найти выходной ток или его изменение (/к, d/K). Величина а находится по справочным данным. Как было показано для этой схемы, коэффициент усиления по на
пряжению |
Ки =а- Rг |
значительно |
|
^вх ОБ |
|
больше единицы (составляет десятки и сот ни единиц). Коэффициент усиления по мощ-
р
ности КР = * аКи также значитель
но больше единицы.
Схема включение транзистора с ОЭ. Как видно из рис. 2.31, в этой схеме общим
для входного и выходного сигнала является эмиттер, а напряжение пита ния Ех приложено к двум переходам - коллекторному и эмитгерному, но так как к коллекторному - обратной полярности, а к эмитгерному - пря мой, можно считать, что, как и в схеме с ОБ, все напряжение Ек падает на коллекторном переходе.
Входным током в схеме является ток базы, поэтому отношение 1Кк Is обозначается через р и носит название коэффициента передачи тока базы в
схеме с ОЭ. Выразим этот коэффициент через а. р = — , так как 7б
/ 6 = 1Э- /к, то Р = ——— . Разделим на 1Эчислитель и знаменатель и учтем, 7б ~ 7К
/ к что а = — .тогда
7б
Р = 7 ^ - - |
(2.3) |
1 - а |
|
Поскольку а близка к единице, р получается значительно больше единицы (десятки, сотни единиц). Следовательно, в данной схеме происходит уси ление входного тока.
Коэффициент усиления по напряжению может быть найден так:
Д^вых |
Д/КЛК |
6 |
|
Ы 6Квх ОЭ |
|
Д(/вх |
ЯвхОЭ |
Так как Р » 1, RK > Лвхо э » то К ц » \ . Следовательно, как и в предыду щей схеме, в схеме с ОЭ можно получить усиление входного напряжения. Коэффициент усиления по мощности Кр » $Ки, так как р > 1, Ку > 1, то и
Кр » 1 , т.е. в этой схеме происходит значительное усиление сигнала по мощности.
Схема включения транзистора с ОК. По аналогии со схемами с ОБ и ОЭ, в схеме с ОК общим для входного и выходного сигналов должен быть коллектор (рис. 2.32). Однако, как видно из рис. 2.32, в этой схеме к общей шине подключен (+) источника питания в то время как в схеме с ОБ и ОЭ к общей шине подключен (-) Еп. Так как все три варианта вклю чения могут использоваться в одном электронном устройстве, то потребу ется отдельный источник питания при использовании схемы с ОК, что не приемлемо на практике. Поэтому учитывая, что внутреннее сопротивление источника питания Еп очень мало, можно выполнить эту схему подобно схеме с ОЭ, но добавочное сопротивление оставить в эмиттерной цепи (рис. 2.33). Тогда через источник питания коллектор останется общим для