Элементная база электроники задачник. Учебно-методическое пособие

параллельно стабилитрону, сопротивление Rогр служит для ограничения тока через стабилитрон.

Рис. 3.7 Схема простейшего стабилизатора напряжения на базе стабилитрона

Уравнение нагрузочной прямой для стабилитрона имеет вид

Точка пересечения этой прямой с ВАХ стабилитрона является рабочей точкой.

Рис. 3.8. ВАХ стабилитрона с нагрузочными характеристиками

На рис. 3.8 показана ВАХ стабилитрона и две нагрузочные прямые при двух входных напряжениях. При изменении входного напряжения нагрузочная прямая перемещается параллельно самой себе.

31

Поскольку входное напряжение может как увеличиваться, так и уменьшаться, рабочая точка выбирается на середине участка стабилизации. При этом ток, текущий через стабилитрон, будет изменяться в соответствии с колебаниями входного напряжения, но напряжение на стабилитроне будет оставаться практически неизменным.

В случае изменения сопротивления нагрузки при постоянном входном напряжении изменяется наклон нагрузочной прямой. При этом, так же как и в рассмотренном выше случае, изменяться будет ток, текущий через стабилитрон, а напряжение на стабилитроне останется постоянным.

Варикап – полупроводниковый диод, используемый в качестве электрически управляемой емкости с достаточно высокой добротностью в диапазоне рабочих частот [5]. В нем используется свойство p–n-перехода изменять барьерную емкость под действием внешнего напряжения (рис. 3.9).

Основное применение варикапов – электрическая перестройка резонансной частоты колебательных контуров. Простейшая схема включения варикапа показана на рис. 3.10.

Обратное управляющее напряжение на варикап подается через высокоомный резистор R, предотвращающий шунтирование контура малым внутренним сопротивлением источника, и тем самым исключается снижение добротности контура.

Постоянный конденсатор С необходим для того, чтобы исключить короткое замыкание варикапа индуктивностью по постоянному напря-

32

жению. Его величина всегда много больше переменной емкости варикапа. Изменяя величину управляющего напряжения, можно регулировать емкость варикапа и, следовательно, резонансную частоту контура.

Параметры схемы выбирают на основе соотношений:

Для увеличения добротности варикапа Q используют барьер Шоттки.

ЗАДАЧИ

3.1. Определить ток насыщения I0 , если в рабочей точке напряжение равно U1 , ток диода составляет I1 , объемное сопротивление r1 .

Т = 300 К (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Варианты для задачи 3.1

3.2. Определить сопротивление диода по постоянному току и дифференциальное сопротивление при прямом напряжении U1 , если об-

ратный ток равен I0 (табл. 3.2).

33

Таблица 3.2

Варианты для задачи 3.2

3.3. Цепь состоит из последовательно включенного диода и резистора (рис. 3.11). На ВАХ реального диода (рис. 3.12 и 3.13) построить

нагрузочную прямую при заданных входном напряжении Uвх и сопротивлении нагрузки Rн . Определить ток, падение напряжения на диоде и на нагрузке (табл. 3.3).

3.4. Для схемы, показанной на рис. 3.14, для заданных в табл. 3.4 параметров стабилитрона Uст, Iст min , Iст max и тока нагрузки Iн опре-

делить пределы изменения входного напряжения Uвх min и Uвх max .

Рис. 3.11. Схема включения реального диода

Рис. 3.12. Приведенная вольт-амперная характеристика реального диода в случае «а»

34

Рис. 3.13. Приведенная вольт-амперная характеристика реального диода в случае «б»

Таблица 3.3

Варианты для задачи 3.3

Рис. 3.14. Схема простейшего стабилизатора напряжений

35

Таблица 3.4

Варианты для задачи 3.4

3.5. Для схемы, показанной на рис. 3.14, и указанных в табл. 3.5 параметров стабилитрона определить пределы изменения тока нагрузки

Iнmin и Iн max .

Таблица 3.5

Варианты для задачи 3.5

3.6. Определить напряжение на варикапе, при котором контур будет настроен на частоту f0 . Схема включения варикапа и его вольт-

фарадная характеристика варикапа показаны на рис. 3.15 и 3.16 соответственно. Uобр. ном 4 В.

37

РАЗДЕЛ 4

БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

Работа биполярного транзистора (БТ) основана на явлениях, происходящих в объеме полупроводника [1–5]. Два р–n-перехода разделяют три области, называемые эмиттером, базой и коллектором. В зависимости от вида легирующих примесей в этих областях различают транзисторы типа n–р–n и р–n–р. Каждый из р–n-переходов может быть смещен как в прямом, так и в обратном направлении. Четыре возможные комбинации их смещения образуют четыре возможных режима работы БТ. В активном нормальном режиме эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный переход – в обратном. Существует три схемы включения БТ. Если в схеме общим выводом является эмиттер, то это схема с общим эмиттером (ОЭ), если общим будет вывод базы, то это – схема с общей базой (ОБ), соответственно аналогично определяется схема с общим коллектором (ОК).

Статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с ОБ (для примера выбран транзистор р–n–р) определяется выражением

где – эффективность эмиттера (коэффициент инжекции), показыва-

ющая, какова доля инжектированных в базу носителей заряда в общем токе эмиттера:

п – коэффициент переноса, показывающий, какая часть инжектированных в базу носителей заряда доходит до коллекторного перехода:

М – коэффициент лавинного размножения; * – эффективность коллектора ( * 1) Dn , Dр – коэффициенты диффузии дырок в эмиттере и электронов в базе соответственно; рnэ и npб – концентрация дырок в эмиттере и концентрация электронов в базе соответственно; Wб – толщина активной области базы; Lpэ, Lпб – диффузионная длина ды-

рок и электронов.

Статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ β определяется соотношением

Для транзисторов с равномерным распределением примесей в базе, т. е. когда отсутствует встроенное электрическое поле в базе, и при условии, что полупроводник в эмиттерной области является невырожденным, статический коэффициент передачи тока в схеме с ОЭ может быть представлен в виде

где Dpэ и Dnб – коэффициенты диффузии дырок в эмиттере и электронов в базе соответственно; NDэ и NAб – концентрация доноров в эмиттере и концентрация акцепторов в базе соответственно; Wб – толщина активной области базы; X э – глубина залегания эмиттерного перехода Lpэ, Lnб – диффузионная длина дырок в эмиттере и электро-

нов в базе.

Ширина области пространственного заряда коллекторного перехода транзистора к зависит от смещающего напряжения, эта область

ведет себя как нелинейный конденсатор, емкость которого зависит от приложенного напряжения U [см. выражения (2.9)–(2.12)].

39

Одним из основных факторов, определяющих пригодность транзистора, является зависимость его параметров от частоты [1–3]. На коэффициент передачи тока влияют емкость цепи эмиттера, время пролета носителей заряда через базу, время пролета носителей через ОПЗ коллектора и постоянная времени цепи коллектора.

Суммарная задержка

где т – граничная частота коэффициента передачи тока базы, часто-

та, при которой модуль коэффициента передачи тока базы становится равным единице,

tдиф 2 1f ,

f – предельная частота коэффициента передачи; Rб и Rэ – активные сопротивления базовой и эмиттерной областей; Сэ , Ск – емкости

эмиттерного и коллекторного переходов.

Отличительной особенностью биполярных транзисторов интегральных микросхем является наличие в базе транзистора встроенного электрического поля, которое формируется в результате неравномерного распределения легирующих примесей в базовой области [1–3]. Благодаря этому в базе создается ускоряющее поле и время движения неосновных носителей зарядов через базу к коллектору уменьшается, что позволяет создавать транзисторы, работающие на частотах выше 1 ГГц. В коллекторной области за счет скрытого высоколегированного слоя уменьшено сопротивление коллектора, что существенно снижает потери мощности.

При малых значениях переменных напряжений на переходах транзистор можно рассматривать как линейный четырехполюсник, используя систему h-параметров. Формальные эквивалентные схемы строят на основе описания транзистора с помощью уравнений четырехполюсника. Физические эквивалентные схемы составляют на основе физических соображений для определенных типов конструкций транзистора, для определенного частотного диапазона. Для Т-образной эквивалент-

ной схемы БТ сопротивление эмиттера Rэ, сопротивление базы Rб и сопротивление коллектора Rк определяются соотношениями:

40