Романюк_Приемопередающие_устройства

Рис.4.5. Резонатор в виде отрезка линии передачи

Допустим, в линии возникли гармонические колебания, благодаря включению генера-

тора в ее некоторое сечение. Пусть в сечении х = 0 имеются колебания напряжения в виде

U1 U cos t .

Возникает волна напряжения, распространяющаяся вдоль оси x:

- длина волны в линии.

Всечении x = l параметры линии меняются, там включено сопротивление Z1 и возни-

кает отраженная волна с комплексной амплитудой Uотр 1U1 , где 1 - коэффициент отра-

жения напряжения, равный:

Отраженная волна возвращается обратно, и в точке х = 0 происходит вторичное отра-

жение с коэффициентом отражения

2 Z2 . Z2

В результате в точке х = 0 возникают вторичные колебания напряжения:

U2 U cos t 2 l 1 2 ,

где 1 и 2 - фазы коэффициентов 1 и 2 .

Резонанс в отрезке линии возникает в том случае, когда первичные и вторичные коле-

бания синфазны. Мгновенная фаза первичных и вторичных колебаний равна соответст-

венно:

1(t) t , 2 (t) t 2 l 1 2 .

Приведем условия резонанса:

1 2 2 n ,

где n = 1, 2, 3, …, или

21

Допустим, в качестве резонатора применен отрезок линии, короткозамкнутый с обоих концов. В этом случае Z1 Z2 0 и согласно (4.7) фазы коэффициентов отражения равны радиан. Из условия резонанса (4.8) с учетом (4.6) следует, что

2l n 1

или

l 2 m ,

где m - целое число.

Таким образом, резонанс в короткозамкнутой с обоих концов линии наступает при ее длине, равной целому числу полуволн. Подобные резонаторы называются полуволновыми.

Рассмотренный вариант относится к резонаторам стоячих волн.

Резонатор бегущих волн. Рассмотрим линию длиной l, свернутую в кольцо. Допус-

тим, в каком-либо сечении линии включен источник колебаний. Найдем условия резонан-

са. Колебания, возникшие в сечении линии х = 0,

u1 U cos t

вызывают волну колебаний, движущуюся вдоль линии. В сечении х = 0 возникают вто-

ричные колебания

u2 U cos t l .

Резонанс наступает в случае, когда первичные и вторичные колебания синфазны:

t t l 2 n, n 1,2,...

Отсюда, принимая во внимание (4.6), запишем условия резонанса:

l n ,

где n 1, 2, 3...

Резонанс будет в том случае, если длина линии кратна длине волны в этой линии. Та-

кие резонаторы называют резонаторами бегущей волны.

22

5. Диоды

Элементами приемопередающих устройств являются диоды. Наиболее часто приме-

няют диоды с п - р-переходами. Кроме того, используют диоды Шоттки, а также генера-

торные приборы - диоды Ганна и лавинно-пролетные диоды.

5.1. Структура диода с n - р-переходом

Диод с п - р-переходами образован полупроводниками различных типов проводимо-

сти (п и р). На границе их соединения возникает двойной заряженный слой, обедненный подвижными носителями заряда (рис.5.1)

в области п и неподвижными акцепторами в области р. Как правило, концентрация доно-

ров в области п существенно выше концентрации акцепторов в области р. В этом случае в области р называют базой диода. Диод является нелинейным элементом цепи.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику открытого n - р-перехода. Если к

п - р-переходу подвести постоянное открывающее напряжение, т.е. «+» к области р (ано-

ду), а «–» к области п (катоду), то переход пропадает и электроны из области п под дейст-

вием диффузии попадают в область р. Через диод протекает прямой ток, называемый то-

ком инжекции. Теория п - р-перехода показывает, что прямой ток диода подчиняется следующему соотношению:

23

5.2. Емкость n - p-диода.

Диффузионная емкость n - р-перехода. Когда переход открыт, через базу диода движется к аноду облако электронов, несущих диффузионный заряд. Электрическая ней-

тральность базы нарушается, база становится отрицательно заряженной. Возникшее элек-

трическое поле притягивает в базу дырки, и электрическая нейтральность восстанавлива-

ется. Пока переход открыт, в базе диода имеются области движущегося положительного и отрицательного заряда. Эти области образуют диффузионную емкость диода Cдиф . Теория

п - р-перехода показывает, что диффузионный заряд зависит от напряжения согласно со-

отношению

Выражение (5.2) является ВКХ диффузионной емкости Cдиф .

Барьерная емкость n - р-перехода. Если п - р-переход закрыт, то существует область

двойного заряда, обусловленная зарядом доноров в п-области и акцепторов в р-области.

Этот двойной заряд эквивалентен емкости, называемой барьерной. Ее основная характе-

ристика

Величина показателя для разного уровня легирования может быть в пределах от 0,5

до 2. Малые значения соответствуют сверхплавным переходам, большие значения -

сверхрезким.

Эквивалентная схема п - р-диода. Учитывая токи, протекающие через п - р-переход в его открытом и закрытом состояниях, представим п - р-переход в виде эквивалентной схемы на элементах с сосредоточенными параметрами (рис.5.2). На этой схеме нелиней-

ное сопротивление R описывается ВАХ вида (5.1), диффузионная емкость Cдиф - ВКХ ви-

да (5.2) и барьерная емкость Cб - ВКХ вида (5.3). Сопротивление r включено в схему для моделирования потерь энергии, нагревающей диод при протекании тока i.

24

Рис.5.2. Эквивалентная схема диода с п - р-переходом

5.3. Применение диода с n - p-переходом как нелинейного элемента

Диод как нелинейное сопротивление. Для того чтобы использовать диод в качестве нелинейного сопротивления, нужно подать на диод открывающее напряжение и обеспе-

чить выполнение условия

Рис.5.3. Эквивалентная схема диода, используемого как нелинейное сопротивление

Из анализа рис.5.3 можно записать

i u uп . r

При малых токах u uп и ВАХ определяется характеристикой перехода (5.1). С уве-

личением тока напряжение uп остается примерно постоянным. Поэтому характеристика диода становится линейной с крутизной dudi 1r .

25

Диод как емкость. Исходя из эквивалентной схемы диода

(см. рис.5.2), можно записать условия, необходимые для того, чтобы рассматривать диод как емкость. При открытом п - р-переходе ток через диод равен сумме двух токов - через нелинейное сопротивление R и диффузионную емкость Cдиф . Для того чтобы емкостной ток преобладал, необходимо условие

где = R Cдиф - среднее время жизни неосновных носителей заряда в базе диода.

В закрытом состоянии п - р-перехода эквивалентная схема представляет собой после-

довательное сопротивление барьерной емкости Cб и сопротивление потерь.

Диод представляет собой емкость, если выполняется соотношение: , или << гр, где гр rC1б .

Таким образом, чтобы диод можно было считать емкостью, необходимо условие

5.4. Диод Шоттки

Диод Шоттки - кусок полупроводника, однородно легированного донорными приме-

сями и имеющего два контакта металл - полупроводник: один - омический, второй - барь-

ер Шоттки. Вывод омического контакта называется анодом, вывод барьера Шоттки - ка-

тодом.

Если к диоду приложить постоянное напряжение плюсом на катод, минусом на анод,

то барьер Шоттки будет препятствовать протеканию тока через диод. При изменении по-

лярности приложенного напряжения барьер уменьшается, а зависимость тока от напряже-

ния становится такая же, как и у диода с n - p-переходом (5.1). По сравнению с n - p-

диодом диод Шоттки имеет следующие особенности:

ток создается движением только основных подвижных носителей заряда - электро-

нов;

отсутствует диффузионная емкость перехода;

прямое напряжение существенно меньше.

Поскольку ток смещения диода существенно меньше, чем ток проводимости, диод проявляет себя как нелинейное сопротивление (а не емкость) на весьма высоких частотах

(до сотен гигагерц).

26

6. Биполярные транзисторы

Для работы в высокочастотных устройствах применяют транзисторы n - р - n-типа.

Объясняется это тем, что свойства биполярного транзистора (БТ) определяются движени-

ем неосновных носителей заряда через базу. В n - р - n-транзисторе такими зарядами яв-

ляются электроны. Известно, что во всех полупроводниках подвижность электронов больше подвижности дырок. С целью эффективной работы транзисторов должно выпол-

няться условие t T , где t - среднее время пролета неосновных носителей заряда через

(6.2)

- подвижность электронов; Е - напряженность электрического поля в базе.

Подставив (6.2) в (6.1), получим

l

t бE ,

п

что и объясняет применение транзисторов n - р - n-типа.

Для того чтобы транзистор работал как активный, или усилительный, элемент, нужно открыть эмиттерный переход и закрыть коллекторный. В этом случае протекает ток ин-

жекции, т.е. ток электронов, попавших в результате диффузии в базу транзистора. Леги-

рование базы выполнено неравномерно, так что там имеется электрическое поле, способ-

ствующее движению электронов к коллектору. Электрическое поле закрытого коллектора является ускоряющим для электронов. Таким образом, цепь для тока инжекции оказыва-

ется замкнутой - электроны ускоряются к положительному потенциалу коллектора.

Активные свойства транзистора проявляются в том случае, если напряжение между базой и эмиттером содержит кроме постоянной и переменную составляющую, а с коллек-

тором связан резонатор, настроенный на частоту входных колебаний. Переменное напря-

жение на эмиттерном переходе вызывает модуляцию плотности потока электронов, по-

ступающих на коллектор, а наличие резонатора в коллекторе приводит к тому, что в напряжении на коллекторном переходе появляется переменная составляющая входной частоты.

Фаза переменного коллекторного напряжения оказывается такой, что при подлете пучка электронов к коллекторному переходу переменное напряжение вычитается из по-

стоянного и скорость электронов уменьшается. В результате кинетическая энергия элек-

тронов отдается переменному электромагнитному полю, наведенному в коллекторном ре-

27

зонаторе. Происходит преобразование энергии постоянного электрического поля источ-

ника питания в кинетическую энергию электронов, которая переходит в энергию пере-

менного электрического поля. В этом случае транзистор играет роль преобразователя энергии источника питания в энергию колебаний. Это преобразование характеризуется коэффициентом полезного действия транзистора

гармоники тока и напряжения коллектора; Iк0 - постоянная составляющая тока коллекто-

ра; Е - напряжение источника питания.

Схема включения транзистора по постоянному току, как ясно из изложенного, имеет вид, представленный на рис.6.1.

Рис.6.1. Схема включения n - р - n-транзистора

При открывании эмиттерного перехода разность потенциалов между базой и эмитте-

ром небольшая, поэтому источник питания часто включают между соответствующими электродами и эмиттером, т.е. применяют схему с общим эмиттером (ОЭ).

6.1. Простая модель биполярного транзистора

Процессы в БТ описываются уравнениями в частных производных относительно то-

ков электронов, дырок и соответствующих напряжений, зависящих от времени и трех ко-

ординат. С целью получения соотношений, достаточных для инженерных расчетов, пред-

ложена простая модель транзистора, в которой учтено следующее:

1) процессы в современных транзисторах определяются движением неосновных носите-

лей заряда в базе - электронов в n - р - n-транзисторах;

2) электроны в базе двигаются в одном направлении - от плоскости эмиттерного пере-

хода к плоскости коллекторного перехода;

28

3)база в транзисторе тонкая, так что за время ее пролета электронами заряд в ней практически не меняется;

4)транзисторы работают в режимах при закрытом коллекторном n - р-переходе.

Сучетом этих обстоятельств предложена модель БТ в виде эквивалентной схемы на элементах со сосредоточенными параметрами. При этом учтено, что в транзисторе име-

ются два n - р-перехода, которые могут быть смоделированы эквивалентными схемами,

подобными изображенной на рис.5.2. Кроме того, расстояние между переходами, т.е. дли-

на базы, меньше диффузионной длины электронов в базе, что и позволяет транзистору проявлять активные свойства.

Эквивалентная схема БТ изображена на рис.6.2. При работе транзистора в некото-

рых режимах эмиттерный переход часть периода колебаний может быть закрыт. По-

этому на рис.6.2 он смоделирован параллельным соединением сопротивлений R и ем-

костей - диффузионной Сдиф и барьерной Сэ. Закрытый коллекторный переход представлен барьерной емкостью Ск, активные свойства транзистора - генератором тока iг (uэ.п ) , зависящим от напряжения на эмиттерном переходе uэ.п .

Потери энергии в транзисторе, обусловленные протеканием токов, учтены сопротив-

лением потерь в базе rб, поскольку оно наиболее значительно среди других (сопротивле-

ния потерь в эмиттере rэ и коллекторе rк малы).

Рис.6.2. Эквивалентная схема биполярного транзистора

Среди элементов эквивалентной схемы транзистора имеются линейные и нелинейные.

Линейные элементы могут быть описаны постоянными параметрами, а нелинейные - ха-

рактеристиками. Поскольку барьерные емкости n - р-переходов существенно менее нели-

нейные, чем диффузионные, их считают линейными. Таким образом, для применения эк-

вивалентной схемы (см. рис.6.2) нужно знать следующие параметры: rб, Сэ, Ск. Для элементов Сдиф, R, iг требуется знание характеристик.

29

Диффузионная емкость эмиттерного n - р-перехода описывается ВКХ, записанной в виде (5.2)

где uэ.п - напряжение на эмиттерном n - p-переходе.

Для сопротивления R справедлива аналогичная формула

6.2. Статические вольт-амперные характеристики

Статические характеристики представляют собой семейство зависимостей iк(uб, uк).

Статические ВАХ снимаются на постоянном токе. На транзистор, включенный по схеме с ОЭ, подают напряжение на базу uб и коллектор uк и измеряют коллекторный ток iк. Гра-

фики этих характеристик изображены на рис.6.3. На рис.6.3,а представлены графики в ко-

ординатах iк - uб при uк в качестве параметра, их называют переходными характеристи-

ками. На рис.6.3,б даны графики выходных характеристик iк (uк ) при uб в качестве параметра.

Рис.6.3. Статические ВАХ биполярного транзистора, включенного по схеме с ОЭ: а - переходные; б - выходные

30