книги из ГПНТБ / Смирнов Б.В. Основы электроники и техники связи учебник

рядов и обладает повышенным сопротивлением, то основная часть приложенного внешнего напряжения будет падать на сопротивле­ нии р —■«-перехода. За пределами зоны объемного заряда падени­ ем внещнего напряжения можно пренебречь.

Когда к р — «-переходу прикладывают внешнее напряжение, полярность которого обратна по знаку собственной напряженности поля перехода, высота потенциального барьера уменьшается на величину приложенного напряжения. Сила диффузного тока и ско­ рость движения носителей заряда через переход уменьшаются. Од­ нако баланс диффузных токов и токов проводимости нарушится, и через р — «-переход пойдет обратный ток, значительно меньший прямого. За счет изменения высоты (уровня) потенциального барь­ ера, полярности напряжения, приложенного к различным областям р—n-перехода, и других воздействий на электрическое состояние перехода получаются полупроводниковые приборы с весьма полез­ ными свойствами. Некоторые из них описаны ниже.

2. Полупроводниковые диоды

Принцип действия полупроводниковых диодов. Полупроводни­ ковым диодом называется прибор, состоящий из металлического кожуха, в котором размещаются две металлические контактные пластины К\ и Кч с зажатыми между ними двумя объемами твер­ дых веществ, образующих электронно-дырочный р — /г-переход

(рис. 29, а ) .

В основу работы полупроводникового диода положена способ­ ность р—«-перехода изменять свою проводимость при смене по­ лярности приложенного напряжения. При подключении отрица­ тельного полюса батареи с. напряжением Е через металлическую пластину Ki (рис. 29, а) к «-области, а положительного полюса через пластину Ко к р-областп слева направо действует эле­ ктронная проводимость, справа налево — дырочная. В результате этого происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и ды­ рок и появляется прямой электрический ток. При смене полярно­ сти батареи Е (рис. 29, б) электроны движутся от центра полупро­ водника (от дырок), процесса рекомбинации не происходит, и че­ рез полупроводник проходит обратный ток.

Характеристика и параметры полупроводниковых диодов. За­ висимость тока р — «-перехода полупроводникового диода от зна­ чения и полярности приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой диода. Эта характеристика имеет две ветви — прямую и обратную. Прямая ветвь отражает зависимость тока через диод от значения положительного приложенного напря­ жения, и обратная — от отрицательного.

С увеличением положительного приложенного напряжения прямые токи достигают насыщения, после которого увеличение приложенного положительного напряжения не влечет за собой изменения тока диода. С увеличением отрицательного приложен-

40

циальное). Наряду с указанными существуют и специфические па­ раметры для диода, определяемые их назначением.

Устройство и область применения полупроводниковых диодов. Конструктивно переход от одной области к другой выполняется в виде точечного или плоскостного контакта. Благодаря свойству односторонней проводимости полупроводниковые диоды использу­ ются для выпрямления переменного тока, детектирования, преоб­ разования частот, в качестве защитных элементов и т. п.

Как правило, точечные диоды позволяют работать с токами в несколько десятков миллиампер, плоскостные — от долей ампера до сотен и тысяч ампер.

Выпрямительные (силовые) диоды. Силовые диоды предназна­ чены для выпрямления переменного тока низкой частоты в пуль­ сирующий ток одного направления. Выпрямительные свойства та­ кого диода тем лучше, чем ближе к вертикальной оси расположена ветвь прямых токов, а ветвь обратных токов — ближе к горизон­ тальной оси (рис. 30, а). Нормальная работа диода в режиме вы­

41

прямления возможна в том случае, когда обратное напряжение не превышает пробивного значения, а выпрямленный ток не больше номинально допустимого при нормальной температуре диода (за­ висимости 1). С повышением температуры диода прямой и обрат­ ный ток увеличиваются (зависимости 2), а с понижением — умень­ шаются (зависимости 5). Пробивное напряжение с повышением температуры снижается.

К основным параметрам выпрямительного диода относятся прямой и обратный токи, выпрямленный ток, прямое и обратное напряжение, дифференциальное сопротивление, максимальная ра­ бочая частота.

Под п р я м ы м т о к о м подразумевается ток через диод в про­ водимом направлении, а под обратным током — ток в обратном

н и е — это напряжение на диоде при протекании через него прямого тока определенной силы. О б р а т н о е н а п р я ж е н и е есть на­ пряжение, приложенное к диоду при определенном значении обрат­

Рис. 30. Вольт-амперные характеристики и обозначения на схемах полупроводниковых диодов:

а — выпрямительного; б — опорного (стабилитрона); в — туннельного; г—управ­ ляемого (тиристора).

42

Рис. 31. Конструктивное исполнение и размеры полупровод-

*никовых диодов:

а, в — маломощного выпрямительного; б — мощного выпрямительного.

та, на которой выпрямленный ток снижается до значения 0,7 от его значения, соответствующего самой низкой частоте выпрямляемого тока. Работоспособность диода определяется максимальными и минимальными значениями его основных параметров.

Границы режимов, при которых диод работает с заданной на­ дежностью, определяются предельными параметрами. К предель­ ным параметрам относятся максимальные значения выпрямленно­ го тока, допустимой мощности рассеяния на диоде, его рабочей температуры, пикового обратного напряжения.

В зависимости от мощности выпрямительных диодов их конст­ рукция и размеры бывают различными. В качестве примера на ри­ сунке 31, а показаны конструкция и размеры маломощного выпря­ мительного диода (выпрямленный ток до 250 мА и обратное на­ пряжение до 20 В), а на рисунке 3 1 ,6 — мощного диода (выпрям­ ленный ток до 10 А, обратное напряжение до 50 В).

Высокочастотные диоды. Они предназначаются для выпрямле­ ния переменных токов в широком диапазоне частот (до несколь­ ких сотен мегагерц). Высокочастотные диоды используются для вы­ полнения различных нелинейных преобразований. С их помощью осуществляют детектирование для извлечения полезного сигнала в радиоприемниках, создают фильтры автоматической регулировки усиления в них, строят схемы кольцевых модуляторов в радиопере­ датчиках и преобразователей частоты, их используют в качестве ви­ деодетекторов и широкополосных ограничителей в телевизорах, применяют для построения счетных и других логических схем. Вы­

43

сокочастотные диоды нашли широкое применение в измерительных устройствах и аппаратуре связи, работающих на частотах до

600 МГц.

Свойства высокочастотных диодов характеризуются теми же параметрами, что и указанных выше выпрямительных диодов.

Опорные диоды (стабилитроны). Для стабилизации уровня на­ пряжения Ucт при изменении протекающего через диод тока в ди­ апазоне от /ты до /max применяют опорные диоды пли полупро­ водниковые стабилитроны (рис. 30, б). У такого диода рабочим является пробойный участок вольт-амперной характеристики.

К основным параметрам опорного диода, характеризующим возможности его нормальной работы, относятся напряжение ста­ билизации, статическое сопротивление, емкость диода, темпера­

где большому диапазону изменения проходящих через диод токов соответствует-малое изменение напряжения на нем. Отношение постоянного напряжения на стабилитроне к протекающему через

жения определяет отношение относительного изменения напряже­ ния стабилизации к абсолютному изменению температуры окру­ жающей среды (измеряется в процентах на градус).

Предельными параметрами стабилитрона являются макси­ мальный и минимальный токи стабилизации, допустимая мощ­ ность рассеяния диода, максимальная и минимальная температу­ ры корпуса (окружающей среды).

Кремниевые стабилитроны допускают стабилизацию напряже­ ния от 3,0 до 180 В при протекании токов от 20—30 мА до 450 А и более.

Импульсные диоды. Импульсные диоды используются в-каче­ стве ключевых элементов при малых длительностях импульсов и переходных режимах в различных электронных устройствах.

Основные параметры импульсного диода — постоянное прямое напряжение при протекании постоянного тока, обратный ток при заданном обратном напряжении, прямое импульсное напряжение при протекании прямого импульсного тока. К числу специфиче­ ских основных параметров относятся время установления прямого сопротивления (от начала импульса прямого тока до момента снижения напряжения на диоде до установившегося значения) и время восстановления обратного сопротивления (от момента, ког­ да ток через диод равен нулю, до момента уменьшения обратного тока до заданного уровня). Сюда же относят максим-альное им­ пульсное сопротивление (отношение прямого максимального им­ пульсного напряжения к импульсу прямого тока) и емкость диода (между его выводами при заданном смещении).

44

Туннельные диоды. Такие диоды изготавливают из германия' или кремния со специальными'добавками, обеспечивающими тун­ нельный эффект. Последний заключается в том, что вследствие волновых свойств материи электроны могут проникать через барьеры, непроницаемые для обычных частиц. Благодаря этому эффекту в диоде наблюдается резкий пробой в области отрица­ тельных напряжений и на небольшом участке положительных на­ пряжений.

Вольт-амперная характеристика туннельного диода содержит участок АБВ отрицательного дифференциального сопротивления (рис. 30, в). Наличие этого участка позволяет применять туннель­ ные диоды для усиления и генерирования электромагнитных коле­ баний, а также в импульсных схемах переключателей, мультиви­ браторов, запоминающих устройств и т. п.

К основным параметрам туннельного диода относятся следую­ щие: пиковый ток 1П, сила которого соответствует его максимуму по вольт-амперной характеристике; ток впадины /в, сила которого со­ ответствует минимуму этой характеристики; напряжения пика Un и впадины UB, соответствующие пиковому току и току впадины. Быстродействие туннельных диодов характеризуют временем пе­ реключения из состояния диода с напряжением меньше £/п в со­ стояние с напряжением больше Uр.

Фотодиоды. Они предназначаются для преобразования свето­ вых сигналов в электрические. Фотодиоды представляют собой кристалл с областями электронной и дырочной проводимости, разделенными р—«-переходом (рис. 32, а, б). При воздействии светового потока на поверхность полупроводникового слоя в нем

Рис. 32. Принцип действия, обозначения и характеристики фото­ диода (а, б, в) и фототриода (г, д. е, ж).

45

Рис. 33. Управляемый полупроводниковый диод (тиристор):

а — изображение на схеме (общее, с выводом от области р н области л); 6 — стро­ ение диода; в — принципиальная схема включения; г — взаимодействие импульсов управления h и /2 и тока нагрузки / н.

образуются пары электрон — дырка и в цепи появляется ток (рис. 32, s). Сила его зависит от освещенности и питающего фотодиод напряжения. Этот ток может быть больше или меньше теневого то­ ка /0, когда освещенности фотодиода нет. Он постоянен при изме­ нении внешнего напряжения от U\ до U2.

Фотодиоды обладают избирательными свойствами, создавая максимальный ток в цепи при воздействии светового потока опре­ деленного спектра. Например, германиевые фотодиоды наиболее чувствительны к световым волнам в диапазоне 0 ,8 — 1,2 мк, крем­ ниевые— 0,4— 16 мк.

Различают два режима работы фотодиодов — А и Б.

Режим А бывает при отсутствии внешнего источника напряже­ ния, и фотодиод работает как вентильный фотоэлемент. Режим Б получается при наличии внешнего источника напряжения. В тем­ ноте через фотодиод проходит темповой ток, который зависит от напряжения источника питания. Фототок — это ток через освещен­ ный диод. Он зависит от рабочего напряжения. Третьим основным параметром фотодиода является его интегральная чувствитель­ ность, определяемая как отношение тока через диод при рабочем напряжении к току, соответствующему падающему световому по­ току.

Применяют фотодиоды в схемах телеконтроля, автоматических устройствах, в фототелеграфии, киноустановках и т. п.

Управляемые диоды (тиристоры). Кремниевые управляемые диоды, кроме основных электродов — катода К и анода А, имеют еще дополнительный — управляющий электрод У (рис. 33, а). Сам

46

диод состоит из двух p-областей и двух /z-областей, чередующихся между собой (рис. 33, б). Когда на управляющий электрод (правая n-область) не подано отрицательного потенциала (разомкнут выключатель В), диод не пропускает тока в прямом и обратном направлениях. При малом напряжении на зажимах диода послед­ ний также оказывается закрытым.

Чтобы открыть диод, необходимо подать положительное на­ пряжение на управляющий электрод У (замкнуть выключатель В) или повысить напряжение на зажимах самого диода. Наиболее простым оказывается первый способ. Когда откроют управляемый диод, ток проходит через него независимо от потенциала на управ­ ляющем электроде. Закрыть диод можно, снимая напряжение с его зажимов.

Вольт-ампериая характеристика управляемых диодов (рис. 30, г) отличается от вольт-амперной характеристики неуправляемых полупроводниковых диодов. Правда, обратная ветвь / ее такая же, как у неуправляемых диодов (рис. 30, а ) . Когда обратное напряже­ ние больше допустимого (U05 р), наступает электрический пробой и диод разрушается. Прямая ветвь имеет две области — неустой­ чивую II и устойчивую III. Неустойчивая область используется для открытия диода, которое происходит, когда напряжение на диоде достигает значения напряжения переключения — максимального Нпmax или немаксималы-юго Uпь Un2, Пп3. После открытия диода вольт-амперная характеристика переходит в область III. Падение напряжения в управляемом диоде (после его открытия) больше, чем падение напряжения в прямом направлении у неуправляемо­ го полупроводникового диода приблизительно в 1,5 раза.

Время, необходимое для открытия управляемого диода, состав­ ляет 2 — 5 мкс, что позволяет пользоваться кратковременными импульсами управления. Кремниевые управляемые диоды изготав­ ливаются на номинальные токи 10, 25, 50, 100, 320 и 500 А, на на­ пряжение до 1000 В.

При помощи встречнопараллелы-юго включения двух управля­ емых диодов Д 1 и Д 2 (рис. 33, в) путем подачи импульсов управле­ ния 1\ и / 2 по цепи /н при синусоидальной форме напряжения и то­ ка (рис. 33, г) представляется возможным пропускать только часть периода тока (заштрихованная часть на рисунке 33,г). Меняя фа­ зу подачи импульсов 1\ и /2, можно изменять среднюю силу тока нагрузки, осуществляя бесконтактное (без разрыва цепи) регули­ рование его значения.

47

к л ю ч е й и я — прямой ток, образующийся при напряжении пере­ ключения. Т о к в ы к л юч е н и я - — значение тока, ниже которого

ния— время с момента подачи отпирающего импульса до времени уменьшения напряжения на диоде до минимального значения. Время, в течение которого на диод должно подаваться выключаю­ щее напряжение, переводящее диод в закрытое состояние, называ­ ют в р е м е н е м в ы к л ю ч е н и я диода. Емкость между входным и выходным зажимами называется е м к о с т ь ю д ио да .

К предельным параметрам тиристора относятся максимально допустимое значение импульса прямого тока при заданной дли­ тельности импульса и значение максимального обратного напря­ жения.

Тиристоры применяют в схемах автоматики и телемеханики, а также для создания бесконтактных переключающих, регулирую­ щих и управляющих устройств.

3. Полупроводниковые триоды (транзисторы]

Принцип действия полупроводниковых триодов. В равновесном

состоянии сопротивление электронно-дырочного р — n-перехода в сечении R имеет наибольшее значение по сравнению с любым дру­ гим аналогичным сечением полупроводника (рис. 28). Поместим на место сечения R тонкую пластину из полупроводникового мате­ риала с проводимостью, противоположной проводимости крайних областей. Толщину разделяющей пластины возьмем значительно меньше длины диффузии (среднее расстояние, которое способны проходить заряды-дырки). Обычно толщина такой пластины со­ ставляет 10—2 0 мк.

К одному р — n-переходу подведем напряжение в прямом на­ правлении, а к другому — в обратном. Тогда первый, так называе­ мый эмиттерный, переход оказывается открытым, так как он рабо­ тает на ветви вольт-амперной характеристики, соответствующей прямым токам, и испускает (эмиттирует) носители заряда. Дру­ гой, так называемый коллекторный, переход работает по ветви обратных токов и втягивает (собирает) носители заряда.

Два слоя полупроводника с дырочной проводимостью, разде­ ленные слоем с электронной проводимостью, образуют р — п — р- транзистор. Когда два полупроводника с n-проводимостыо разде­

зывается коллектором. Пластина К г среднего слоя называется ос­ нованием или базой (рис. 29,б).

48

Ток эмиттерного перехода состоит из тока дырок и тока элект­ ронов:

+ Лг

Ток коллекторного перехода состоит из тока дырок, поступаю­ щих от эмиттерного перехода, и обратного тока:

!«. = + ^к.о-

Так как удельное сопротивление разделительного слоя берется значительно больше сопротивления эмиттерного перехода и отно­ шение дырочного тока к полному току (сумма дырок и электронов) близко к единице, то токи эмиттерного и коллекторного переходов

•практически оказываются равными:

/, IП “Ь 1р ' '

Чтобы уяснить механизм усиления колебаний транзистором, сравним напряжение UBX, подаваемое для усиления на эмиттер, с выходным напряжением UВых, образующимся на сопротивлении нагрузки Rn коллекторной цепи.

При изменении напряжения, подаваемого на эмиттер, полу­ чаем

UBX= AI3RBX.

Напряжение на выходе

^ВЫХ “ ^ I&Rн•

Коэффициент усиления

Так как Д/,;?^Д/а, то коэффициент усиления определяется со­ противлением нагрузок триода:

Практически кристаллические триоды позволяют получить уси­ ление напряжения в десятки раз, а мощности — в несколько тысяч

раз.

Параметры транзисторов. У транзисторов различают парамет­ ры: постоянного тока, малого и большого сигналов, высокочастот­ ные, предельные, тепловые и коэффициент шума.

П а р а м е т р ы п о с т о я н н о г о т о к а характеризуют неуправ­ ляемые токи, обусловленные обратными токами переходов. Раз­ личают начальный ток коллекторного перехода Iк.бо, представляю­ щий собой обратный ток перехода коллектор— база при отключен­ ном эмиттере и заданном напряжении на коллекторе. Соответст­ венно начальный ток эмиттера / э.бо — это обратный ток перехода