книги из ГПНТБ / Богомолов А.М. Судовая полупроводниковая электроника

§ 2. Влияние обратных связей на частотные свойства элемента

Частотные свойства элемента, содержащего обратную связь, сильно зависят от частотных свойств цепи обрат­ ной связи.

По частотным свойствам следует различать цепи жест­ кой обратной связи, не содержащие энергоемких элемен­ тов, и цепи гибкой обратной связи, содержащие энергоем­ кие элементы, входящие в элемент обратной связи в той или иной схеме включения. Коэффициент передачи цепей гибкой обратной связи может быть представлен комплек­ сным числом:

Амплитудные и фазовые искажения элемента с глубо­ кой отрицательной обратной связью определяются, в ос­ новном, амплитудными и фазовыми искажениями цепи обратной связи. Поэтому, применяя частотно-независи­ мую отрицательную обратную связь по напряжению, можно уменьшить амплитудные и фазовые искажения элемента. Теоретическое обоснование этого вопроса дано в книге В. К- Захарова [2].

§ 3. Максимальная и граничная частота усилительного элемента

Амплитудно-частотная характеристика усилительного элемента представляет собой довольно гладкую кривую, лишенную резких изгибов. Поэтому для определения ча­ стоты, при которой происходит ухудшение усилительных свойств элемента, в качестве критерия может быть ис­ пользовано только уменьшение коэффициента усиления элемента до того или иного значения.

Частота, при которой коэффициент усиления по току, напряжению или мощности становится равным единице, может быть названа максимальной частотой усиления со­ ответственно по току, напряжению или мощности / ;, / и,

30

fp. Максимальную частоту усиления по мощности f p на­ зывают также максимальной частотой генерации, по­ скольку при коэффициенте усиления по мощности, мень­ шем единице, усилительный элемент в генераторной схе­ ме теряет способность поддерживать незатухающие ко­ лебания.

Частотные свойства усилительного элемента могут быть оценены также граничной частотой / гр, при кото­ рой коэффициент усиления падает до 0,7 от максимально­ го значения. Этот частотный критерий связан с идеали­ зированным представлением усилительного элемента в виде последовательного соединения безынерционного (идеального в частотном отношении) усилителя и инер­ ционного (апериодического) четырехполюсника.

Амплитудно-частотная характеристика безынерцион­ ного усилителя представляет собой линию, параллель­

масштабе может быть аппроксимирована линейными

Рис. 12. Логарифмические амплитудно-частотная и фазово-ча­ стотная характеристики апериодического элемента:

а — реостатно-емкостный вариант апериодического элемента; б — ло­ гарифмическая амплитудно-частотная характеристика; в — логариф­ мическая фазово-частотная характеристика

31

рактеризует точку начала спада линейно-аппроксимиро­ ванной логарифмической амплитудной характеристики (ЛАХ). На этой частоте коэффициент усиления на ЗдБ ниже максимального коэффициента усиления, или при переходе к обычному масштабу равен 0,707 максималь­ ного коэффициента усиления. На граничной частоте о>гр сдвиг фаз входного и выходного сигналов апериодиче­ ского элемента равен —45° (рис. 12, в).

Величина т= ---- может рассматриваться как по-

шгр

стоянная времени электронного элемента.

Наклон спадающего участка ВС ЛАХ апериодическо­ го элемента равен —20 дБ/дек (дек—декада — десяти­ кратное изменение частоты ю). Если спад ЛАХ реально­ го усилительного элемента не равен —20 дБ/дек, то ча­ стота, соответствующая уменьшению коэффициента уси­ ления до 0,7 максимального коэффициента усиления, те­ ряет строгий физический смысл и может рассматривать­ ся лишь как чисто условный критерий начала спада амплитудно-частотной характеристики. При этом сдвиг фаз входного и выходного сигналов на граничной часто­

скорость изменения которого существенно ниже скоро­ сти протекания переходных процессов в схеме электрон­ ного элемента, динамических искажений сигнала не воз­ никает и элемент в этом случае может рассматриваться как безынерционный.

При подключении к элементу на длительное время напряжения с последующим отключением сигнал вклю­ чения и выключения на входе элемента называется сту­ пенчатым.

* Подробно о децибелах можно прочесть в брошюре Е. А. Зель­ дина [3].

32

Реакция электронного элемента на ступенчатый сиг­ нал проявляется в задержке выходного сигнала при пе­ реходе из одного уровня в другой. При этом возможно также возникновение колебательных явлений.

Чаще всего при включении и выключении источника на входе электронного элемента длительность включен­ ного состояния бывает соизмерима с длительностью пе­ реходных процессов в схеме элемента. Такой сигнал при­ нято называть импульсным.

График импульсного сигнала содержит: передний фронт — участок, соответствующий возрастанию уров­ ня; задний фронт — участок, соответствующий спаду уровня; вершину — участок, располагающийся между задним и передним фронтом.

В зависимости от знака токового уровня (уровня включенного состояния) импульсы могут подразделяться на положительные и отрицательные. У положительных импульсов передний фронт положительный, а задний — отрицательный. У отрицательных импульсов передний фронт отрицательный, а задний положительный.

Идеальный импульсный сигнал имеет прямоугольную форму, при которой длительности переднего и заднего фронта бесконечно малы.

Параметрами идеального импульсного сигнала явля­

вход электронного элемента реакция элемента проявля­ ется в затягивании переднего и заднего фронтов, а также в искажении вершины либо вершины и паузы одиночны­ ми выбросами, затухающими колебаниями или наклоном. Такой искаженный импульсный сигнал можно идеализи­ рованно принять за прямоугольный, полагая амплитуду условно равной установившемуся значению токового уровня, длительность вершины — равной интервалу вре­ мени между передним и задним фронтом по уровню 0,5 от принятого амплитудного значения и длительность пау­ зы по интервалу времени между задним и передним фрон­ том по уровню 0,5 от принятого амплитудного значения. Если участки вершины и паузы импульса не имеют уста­ новившегося значения ввиду наклона, амплитудное зна­ чение импульса нужно определять условно по уровням,

проходящим через середину вершины и середину паузы, считая уровень середины паузы бестоковым, а уровень середины вершины — токовым.

В том случае, когда наклонная вершина искажена за­ тухающими колебаниями, за уровень вершины целесооб­ разно считать не середину вершины, а середину участка вершины, свободного от колебаний (рис. 13).

Довольно часто применяется идеализация искаженно­ го импульсного сигнала трапецией. Определение амплиту­ ды импульса в этом случае производится так же, как и при прямоугольной идеализации импульса. Однако'в этом случае длительность вершины определяется как времен­ ной интервал между передним и задним фронтами им­ пульса по уровню 0,9 от условного амплитудного значе­ ния, пауза — как временной интервал между задним и передним фронтами по уровню 0,1 от условного значения.

Кроме того, интервал между уровнем 0,1 и уровнем 0,9 по Переднему фронту принимается за длительность перед­ него фронта, а интервал между уровнем 0,9 и уровнем 0,1 по заднему фронту — за длительность заднего фронта.

Если трапецией идеализируется сигнал, имеющий су­ щественный выброс в области вершины, то кроме указан­ ных параметров может быть использован также дополни­ тельный параметр — величина выброса ДU, определя­ емый как разность наибольшего амплитудного значения импульса Umшкс и условного амплитудного значения Um,

Рис. 13. Параметры импульсного сигнала

34

Г Л А В А III

Ф и з и ч е с к и е о с н о в ы п о л у п р о в о д н и к о в о й э л е н т р о н и н и

П олупроводниковые приборы, являясь компо­ нентами электронного элемента (схемы), сильно влияют на его параметры изменчивостью своих свойств. В свою очередь статические и динамические свойства, а также предельные эксплуатационные параметры полупровод­ никовых приборов существенным образом связаны с фи­ зическими явлениями, происходящими в процессе форми­ рования и перемещения носителей заряда.

Поэтому, для того чтобы правильно оценить эксплуа­ тационные возможности электронного элемента, необхо­ димо иметь четкое представление о принципе действия полупроводниковых приборов и физических явлениях, происходящих в процессе их работы.

§ 1. Механизм электропроводности полупроводниковых материалов

Для изготовления полупроводниковых приборов при­ меняются, как правило, германий и кремний. Эти веще­ ства относятся к четвертой группе элементов таблицы Менделеева и, благодаря специфическим электрическим свойствам, отличающим их от металлов и изоляторов, называются полупроводниками. Эти свойства следую­ щие:

а) большее, чем у металлов, и меньшее, чем у изоля­ торов, сопротивление;

б) отрицательный температурный коэффициент соп­ ротивления;

в) изменение удельного сопротивления при воздейст­ вии различного рода излучений;

г) значительное влияние примесей на удельное сопро­ тивление полупроводника.

36

Перечисленные свойства полупроводниковых мате­ риалов связаны с наличием двух видов движения элект­ ронов в полупроводниках: непрерывного перемещения электронов между узлами кристаллической решетки и этапного (от узла к узлу кристаллической решетки) вследствие перераспределения недостающего электрона между связями кристаллической решетки. Рассмотрение структуры кристаллической решетки полупроводника позволяет объяснить природу двух видов проводимости

(рис. 14).

В узлах кристаллической решетки находится так на­ зываемый атомный остаток — ядро атома с примыкаю­ щими к нему связанными электронами, не участвующи­ ми в проводимости.

Связь узлов кристаллической решетки обеспечивает­ ся валентными электронами, объединяющимися попарно для каждой пары узлов в параллельные орбиты с проти­ воположным направлением вращения (антипараллельный спин). Эти связи, содержащие два электрона и на­ зываемые ковалентными, способны отдавать в межузло­ вое пространство кристаллической решетки электрон, ес­ ли его энергия окажется достаточной для вылета с орби­ ты ковалентной связи.

Электрон, оказавшийся в межузловом пространстве кристаллической решетки, способен перемещаться, и та­ кое перемещение электронов называется током электрон­ ной проводимости. Образовавшаяся в результате ухода электрона незаполненная орбита ковалентной связи, на­ зываемая дыркой, может быть заполнена электроном смежной связи. В результате этого дырка перемещается в смежную связь и процесс замещения ее электроном смежной связи продолжается уже в другом участке кри­ сталлической решетки. Такое этапное перемещение недо­ стающего электрона от узла к узлу кристаллической ре­ шетки называется током дырочной проводимости.

В целях упрощения этапное перемещение недостаю­ щего элекгрона от узла к узлу можно рассматривать как перемещение носителя положительного заряда в межуз­ ловом пространстве кристаллической решетки. Процесс образования пар электрон — дырка в результате разры­ ва электронных связей при тепловом увеличении энергии электронов ковалентной связи возникает только при тем­ пературах выше абсолютного нуля и интенсифицируется

37

Рис. 14. Структура Электронных свя­ зей в полупроводниковых материалах:

а — собственный полупроводник; б — электронный полупроводник; в — дыроч­ ный полупроводник

с повышением температуры. Так как этот процесс связан со свойствами собственно полупроводника и не зависит от наличия примесей, он называется явлением собствен­ ной проводимости. Ток собственной проводимости скла­ дывается из дырочного и электронного токов.

Температурным увеличением тока собственной прово­ димости объясняется отрицательный температурный ко­ эффициент сопротивления полупроводников.

Если в структуре кристаллической решетки окажутся атомы пятивалентной примеси, то узлы, содержащие пя­ тивалентный атом, будут иметь сверхкомплектный элект­ рон, способный уходить в межузловое пространство, превращая свой узел в неподвижный положительный ион. Пятивалентные примеси, дающие сверхкомплектный электрон, называются донорными (мышьяк, сурьма, фос­ фор). Полупроводник, содержащий донорные примеси, называется электронным (или n-типа). В электронном полупроводнике, помимо электронного и дырочного то­ ков собственной проводимости, имеется также электрон­ ный ток сверхкомплектных электронов, вышедших в меж­ узловое пространство. Этот ток называется электронным током примесной проводимости.

Если в структуре кристаллической решетки окажутся атомы трехвалентной примеси (индий, галлий), то одна из ковалентных связей трехвалентных узлов кристалли­ ческой решетки будет содержать незаполненную орбиту, которая может принимать электрон смежных связей, пре­ вращая примесные узлы в неподвижные ионы.

Трехвалентные примеси, легко принимающие элект­ рон для заполнения некомплектной электронной связи, называются акцепторными. Полупроводник же, содержа­ щий акцепторные примеси, называется дырочным полу­ проводником или полупроводником p-типа. В таком по­ лупроводнике, помимо электронного и дырочного токов собственной проводимости, возможен также дырочный ток примесной проводимости.

§ 2. Электронно-дырочный переход в полупроводниках

Электронно-дырочным переходом (запорным слоем) называется тонкий слой, охватывающий границу раздела р- и n-областей в полупроводниковом монокристалле,

39