Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Физические основы электроники. Практикум

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 93 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

( )

.1−=

eII

[ ]

D s ss s

()

dU dI kT q

r je j j I I

dI dU I I

ββ

−



= = = +−= + =





3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

3.1. Выпрямительные диоды

Выпрямительными называют диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. Основу выпрямительного диода составляет обычный электронно-дырочный переход. Вольт-амперная характеристика такого диода, имеет ярко выраженную нелинейность и описывается уравнением

(3.1)

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

– прямое напряжение U

– значение постоянного напряжения на диоде

пр

при заданном прямом токе;

– обратный ток I

– значение постоянного тока, протекающего через

обр

диод в обратном направлении при заданном обратном напряжении;

– сопротивление диода в прямом направлении R

пр=Uпр/Iпр

(оно

составляет единицы и десятки ом);

– сопротивление диода в обратном направлении R

обр

обр/Iобр

(оно со-

ставляет единицы мегаом);

– дифференциальное сопротивление диода r напряжения на диоде к вызвавшему его малому приращению тока r

– отношение приращения

= ∆U/∆I.

Прямое и обратное сопротивления – это сопротивления в данной точке характеристики при постоянном токе соответствующего направления; дифференциальное сопротивление – это сопротивление при переменном токе; оно определяет наклон касательной, проведенной в данной точке вольт-амперной характеристики к оси абсцисс.

Для анализа приборных характеристик выпрямительного диода важными также являются такие дифференциальные параметры, как коэффициент вы- прямления, характеристические сопротивления и емкости диода в зависимости от выбора рабочей точки.

Различают два вида характеристического сопротивления диодов: диффе- ренциальное сопротивление r

и сопротивление по постоянному току R0.

Дифференциальное сопротивление определяется как

На прямом участке вольт-амперной характеристики диода дифференциальное сопротивление r

невелико и составляет значение несколько ом. Дей-

ствительно, при значении прямого тока диода I = 25 мА и значении теплового потенциала kT/q = 25 мВ величина дифференциального сопротивления r равна r

= 1 Ом. На обратном участке вольт-амперной характеристики диода

. (3.2)

будет

( 1)

I Ie

= =

−

R ==

−

−−

дифференциальное сопротивление rD стремится к бесконечности, поскольку в идеальных диодах при обратном смещении ток не зависит от напряжения.

Сопротивление по постоянному току R

определяется как отношение

приложенного напряжения U к протекающему через диод току I:

. (3.3)

На прямом участке вольт-амперной характеристики сопротивление по постоянному току больше, чем дифференциальное сопротивление R обратном участке – меньше R

< rD.

> rD, а на

В точке вблизи нулевого значения напряжения U << kT/q значения сопротивления по постоянному току и дифференциального сопротивления совпадают. Действительно, разложив экспоненту в ряд в соотношении (3.3), получаем

. (3.4)

Используя характерное значение для обратного тока диода I0 = 25 мкА, получаем величину сопротивления диода в нулевой точке R

= rD0 = 1 кОм.

Коэффициент выпрямления идеального диода на основе p-n перехода К рассчитаем по уравнению (3.5) как отношение прямого тока к обратному току диода. Получаем

. (3.5)

Как следует из соотношения (3.5), при значениях переменного напряжения, модуль которого U меньше, чем тепловой потенциал kT/q, полупроводниковый диод не выпрямляет переменный ток. Коэффициент выпрямления достигает приемлемых величин при значениях U по крайней мере в четыре раза больших, чем тепловой потенциал kT/q, что при комнатной температуре Т = 300 К соответствует значению напряжения U = ± 0,1 В.

3.2. Задачи и упражнения

3.1. Найти контактную разность потенциалов для идеализированного

р-n-перехода при температуре 20 °С, о котором известно, что концентрация

донорной примеси составляет 2,5·10

2·10

атомов/см3, а соответственная концентрация носителей в кристалле, из

которого изготовлен переход, равна 3,5·10

атомов/см3, акцепторной примеси

атомов/см3.

Рис. 3.1. Вольт-амперная

характеристика диода

Рис. 3.2. Идеальная (1) и реальная (2)

ВАХ диода

3.2. Обратный ток полупроводникового диода при температуре 300 К равен 1 мкА. Определить сопротивление диода постоянному току и его дифференциальное сопротивление при прямом напряжении 150 мВ.

3.3. Полупроводниковый диод имеет прямой ток 0,8 А при U Т = 35 °С. Определить: а) I

; б) rD при U = 0,2 в; в) rD при U = 0.

= 0,3 В и

пр

3.4. Пользуясь вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода (рис. 3.1), определить дифференциальное сопротивление r току R

при напряжениях +0,3 и -10 В.

и сопротивление постоянному

3.5. По идеальной (1) и реальной (2) ВАХ диода (рис. 3.2) требуется найти дифференциальное сопротивление открытого перехода и объемное сопротивление базы диода.

3.6. Предлагается рассчитать ток и напряжение на диоде. Схема включения и ВАХ диода даны на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Схема включения (а) и ВАХ диода (б)

( )

10−=

eII

Рис. 3.4. Схема включения диода

Рис. 3.5. Вольт-амперная

характеристика диода Д 305

3.7. Решить предыдущую задачу приближенно, пользуясь аналитической записью вольт-амперной характеристики:

где I0 = 1·10

-12

А; φТ = 25 мВ.

3.8. Каким будет показание вольтметра переменного напряжения в схеме на рис. 3.4, где Е = 10 В, Е

= 50 мВ? Температура окружающей среды Т =

20 °С.

3.9. Пользуясь вольт-амперной характеристикой диода на рис. 3.5, найти:

а) как с ростом температуры изменяются сопротивление постоянному то-

ку R

и дифференциальное сопротивление диода r

+0,2 В;

б) температурный коэффициент по напряжению (ТКН) при токе 4 мА.

при напряжении на диоде

диф

3.10. Пользуясь ВАХ на рис. 3.5, найти:

а) как изменяются с ростом температуры сопротивление постоянному то-

ку R

и обратное сопротивление r

б) температуру удвоения Т

при напряжении -50 В;

обр

для теплового тока I0.

удв

3.11. Диод, у которого при прямом напряжении 0,8 В максимально допустимый ток равен 100 мА, соединен последовательно с резистором нагрузки R

= 100 Ом. Каково наибольшее значение напряжения источника, при котором диод будет работать в безопасном режиме?

Рис. 3.6. Схема выпрямления

переменного тока

3.12. В простейшей схеме выпрям-

ления использован диод, у которого

= 10 Ом, R

пр

= 100 кОм, Сд = 40 пФ

обр

(рис. 3.6). На какой частоте выпрямленный ток уменьшится в

раз, если Rн =

1 кОм?

3.3. Стабилитроны

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации уровня напряжения в схеме. Для этого используются приборы, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок со слабой зависимостью напряжения от проходящего тока. Такой участок обусловливается электрическим пробоем p-n-перехода при включении диода в обратном направлении. ВАХ стабилитрона имеет вид, представленный на рис. 3.7, а.

Рис. 3.7. Вольт-амперная характеристика (а)

и конструкция корпуса (б) стабилитрона

Основными электрическими параметрами стабилитрона являются (в скобках даны их типовые значения):

– напряжение стабилизации U

– падение напряжения на стабилитроне

ст

при протекании заданного тока стабилизации (несколько вольт – сотни вольт);

– ток стабилизации I

– номинальное значение тока, протекающего че-

ст

рез стабилитрон, определяющее напряжение стабилизации (несколько миллиампер – несколько ампер);

– разброс величины напряжения стабилизации ∆U

при протекании

cт

заданного тока стабилизации (несколько единиц процента);

– дифференциальное или динамическое сопротивление r

, которое оп-

ст

ределяется при заданном значении тока стабилизации на участке пробоя как

ст

r =

100

TKU

ст

∆

макс

cTn

−

. (3.6)

Дифференциальное сопротивление определяет наклон обратной ветви вольт-амперной характеристики стабилитрона. Величина r делах от 1 до 1000 Ом;

– температурный коэффициент напряжения стабилизации ТКU относительное изменение напряжения стабилизации

∆

Uст / Uст к изменению

колеблется в пре-

ст

–

температуры окружающей среды на

∆

Т, т.е. при изменении температуры окружающей среды на один градус при постоянном значении тока стабилизации (плюс – минус сотые – тысячные доли процента на градус):

, [%/град]. (3.7)

Кроме того, для стабилитронов существуют следующие предельно-

допустимые параметры:

– максимально-допустимый ток стабилизации в диапазоне температур I

(десятки миллиампер – единицы ампер);

макс

– минимальный ток стабилизации в диапазоне температур I

ст. мин

(от 1 до

ст.

3 мА);

– максимально-допустимая мощность в диапазоне окружающей темпера-

туры Р

(от нескольких милливатт до нескольких ватт);

макс

– полное тепловое сопротивление стабилитрона R

, т.е. тепловое сопро-

Тn-с

тивление переход – среда:

[°C/Вт], (3.8)

где Т Разброс по R

, Тn – температура среды и перехода соответственно.

составляет от десятков до сотен градусов на ватт.

Тn-с

При достижении напряжения на стабилитроне, называемого напряжением стабилизации U сопротивление r

в реальных приборах величина r

, ток через стабилитрон резко возрастает. Дифференциальное

стаб

идеального стабилитрона на этом участке ВАХ стремится к 0,

ст

составляет значение rст ≈ 2 – 50 Ом.

ст

Основное назначение стабилитрона – стабилизация напряжения на нагрузке, при изменяющемся напряжении во внешней цепи. В связи с этим последовательно со стабилитроном включают нагрузочное сопротивление, демпфирующее изменение внешнего напряжения. Поэтому стабилитрон называют также опорным диодом.

Рис. 3.8. Вольт-амперная

характеристика стабилитрона

Рис. 3.9. Схеме параметрического

стабилизатора на стабилитроне КС191

3.4. Задачи и упражнения

3.13. Кремниевый стабилитрон имеет напряжение стабилизации U

9,1 В, средний ток стабилизации I

= 30 мА (рис. 3.8). Каким должно быть

ст.ср

ст

дифференциальное сопротивление стабилитрона, чтобы при изменении напряжения на 1 % ток через стабилитрон изменился в 1,5 раза?

3.14. В схеме параметрического стабилизатора (рис. 3.9) найти U

и Rб,

вх

если стабилизатор на стабилитроне КС191 должен обеспечивать нестабильность напряжения на выходе 1 % при нестабильности на входе 10 %. Сопротивление нагрузки R

= 1000 Ом. Определить пределы изменения сопротивления

нагрузки.

3.15. Для схемы и условий задачи 3.14 определить допустимые пределы изменения входного напряжения, при которых сохраняется режим стабилизации.

3.16. Кремниевый стабилитрон 2С168 подключен по схеме рис. 3.9, где

= 2 кОм. Данные стабилитрона: Uст = 6,8 В, I

Найти R

, если Uвх изменяется от U

= 10 В до U

вх.мин

будет ли обеспечена стабилизация во всем диапазоне изменения U

ст.макс

вх.макс

= 3 мА, I

= 0,5 мА.

ст.мин

= 20 В. Определить,

вх

3.17. Температурный коэффициент напряжения стабилизации у стабилитрона 2С156Т составляет 0,04 %/°С. Каким будет его напряжение стабилизации при температуре 70 °С?

4. ПОЛЕВЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

4.1. Классификация полевых транзисторов. Принцип действия полевого транзистора

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, управление током которого основано на зависимости электрического сопротивления токопроводящего слоя от напряженности поперечного электрического поля.

Полевые транзисторы являются униполярными приборами, так как в них используются только основные носители заряда – либо электроны, либо дырки.

Слой полупроводника, в котором протекает ток, называется каналом. Электрическое поле, воздействующее на поток носителей, создается с помощью расположенного над каналом металлического электрода, называемого за- твором.

В настоящее время существуют три основных разновидности полевых транзисторов:

– полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом;

– полевые транзисторы со структурой металл–оксид–полупроводник или

МОП-транзисторы;

– полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ).

Условные обозначения различных разновидностей полевых транзисторов на электрических схемах приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Условные обозначения различных типов полевых транзисторов:

(И – исток, С – сток, З – затвор): 1, 2 – транзисторы с управляющим

p-n-переходом (1 – с n-каналом, 2 – с p-каналом); 3, 4 – МОП-транзисторы

со встроенным каналом (соответственно с n-каналом и p-каналом);

5, 6 – МОП-транзисторы с индуцированным каналом (с n-каналом и p-каналом);

7, 8 – транзисторы с барьером Шоттки (7 – с n-каналом, 8 – с p-каналом)

4.2. Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и

полевой транзистор с барьером Шоттки

Структура полевого транзистора с управляющим p-n-переходом показана на рис. 4.2. На подложке из p-кремния создается тонкий слой полупроводника n-типа, выполняющий функции канала. На концах канала находятся сильно легированные n+-области, называемые истоком и стоком соответственно, с помощью которых канал включается в цепь управляемого тока. Под металлическим электродом затвора находится p+-слой, образующий с каналом p-n-переход.

Рис. 4.2. Структура полевого транзистора

с управляющим p-n-переходом

Полевые транзисторы с барьером Шоттки, структура которых показана на рис. 4.3, имеют принцип действия такой же, как транзисторы с управляющим p-n-переходом.

Рис. 4.3. Структура полевого транзистора

с барьером Шоттки

Прикладывая к затвору обратное напряжение Uзи, можно изменять ширину обедненной области р-n-перехода. Чем больше обратное напряжение, тем глубже обедненный слой и тем, соответственно, меньше поперечное сечение канала, где протекает ток. Таким образом, меняя обратное напряжение на затворе, можно менять поперечное сечение, а значит и сопротивление канала. В результате будет меняться величина тока стока Ic, протекающего по каналу и выходной цепи транзистора под воздействием приложенного напряжения сток-

исток Uси. Поскольку величина выходного тока (тока стока) может быть достаточно большой, а входной ток затвора (ток обратно смещенного р-n-перехода) мал, то обеспечивается усиление по току и по мощности. Связь между током стока и напряжениями на стоке Uси и затворе Uзи определяется с помощью семейства статических выходных (стоковых) вольтамперных характеристик, выражающих зависимость Iс = f(Uси) при Uзи = const (рис. 4.4, а). Управляющее действие затвора иллюстрируют статические передаточные (сток-затворные) вольт-амперные характеристики (рис. 4.4, б), выражающие зависимость

Iс = f(Uзи) при Uси = const. На ВАХ полевого транзистора можно выделить три

области: линейную и насыщения и отсечки.

а б

Рис. 4.4. Выходные характеристики (а) и передаточные характеристики (б)

полевого транзистора с

управляющим p-n-переходом и каналом p-типа

4.3. Структура и принцип действия МОП-транзистора

Устройство полевого МОП-транзистора показано на рис. 4.5. Его называют также МДП-транзистором (от слов «металл», «диэлектрик», «полупроводник»), так как диэлектриком для кремния служит диоксид кремния SiO2.

Рис. 4.5. Структура МОП-транзистора со встроенным n-каналом

<<< < Предыдущая 1 23 / 93 4 5 6 7 8 9 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]