Elektronika / electronics

11

Диоды

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, в которых используются свойства перехода.

Плоскостные диоды

кость), которая характеризует накапливание подвижных носителей заряда в n- и p- областях.

Для изготовления используют сплавной и диффузионный методы.

Стабилитроны – полупроводниковые диоды, у которых в области пробоя (на

Uст. = 5 200 В (номинальное напряжение стабилизации);

∆ I = Imin Imax = 10 100 мА (номинальный ток стабилизации); Pmax = 100 мВт 1 Вт;

Rg =∆ U/∆ I = 100 200 Ом (дифференциальное сопротивление. Чем больше Rg, тем лучше стабилизация. При Rg = 0 происходит идеальная стабилизация.).

14

Транзисторы

Биполярные транзисторы

Транзистор – это полупроводниковый прибор, основу которого составляют два взаимодействующих p - n перехода, образованные в едином кристалле полупроводника и разделенные очень узкой областью взаимодействия, называемой базой.

Он широко используется и как усилительный элемент, и как переключающий

Конструктивно транзистор состоит из эмиттера (левая p - область), эмиттерного p - n перехода, коллектора (левая p - область), коллекторного p - n перехода и узкой базы (n

–область между переходами). Эмиттерная область имеет внешний вывод Э, коллекторная

–вывод К, а база – базовый вывод Б.

Реализация

Э Б К

p

n

p

Б

Основные требования к реализации

1.Площадь эмиттерного перехода должна быть немного больше коллекторного перехода (для увеличения коэффициента собирания носителей заряда);

2.Для того, чтобы в транзисторе двигались носители одного заряда (p-n-p – дырки, n-p- n - электроны), концентрация примесей в эмиттере должна быть много больше, чем концентрация примесей в базе;

15

Физика работы транзистора

Каждый из p - n переходов может быть смещен в прямом или в обратном направлении. В зависимости от полярности смещений двух переходов возможны четыре режима работы транзистора. Основным является активный (усилительный) режим, при котором эмиттерный переход смещается в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Рассмотрим подробно активный режим работы транзистора. На рисунке показано распределение потоков подвижных носителей в транзисторе в активном режиме и распределение потенциалов в кристалле в направлении эмиттер – коллектор.

Втранзисторе p-n переходы выполняют несимметричными, односторонними

(pp >> nn) . Поэтому можно принять, что через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, имеет место только поток дырок из эмиттера в базу (диффузия дырок через пониженный потенциальный барьер эмиттерного перехода) – инжекция дырок в базу. Ве-

личина тока эмиттера (IЭ) определяется величиной смещения Еэ и прямой ветвью ВАХ диода, то есть при малом смещении (десятые доли вольта) ток эмиттера достигает величины в десятки и сотни миллиампер.

Вравновесии база нейтральна p-область всей ширине и электрического поля в базе нет. Потенциал по всей ширине базы одинаков, поэтому транзистор называют бездрейфовым. Инжектированные дырки, являясь неосновными носителями в базе, значительно увеличивают концентрацию неосновных носителей на границе с эмиттерным переходом. Поле запорного слоя эмиттерного p-n-перехода втягивает дырки в коллектор и возникает

ток коллектора (IК), величина которого определяется концентрацией продиффундировавших через базу инжектированных дырок, или током эмиттера. Таким образом, величина тока коллекторного перехода, смещенного в обратном направлении, определяется величиной тока близко расположенного эмиттерного перехода, то есть ток коллектора управляется током эмиттера.

Однако часть инжектированных дырок в процессе диффузии рекомбинирует в базе, встречаясь с электронами. Рекомбинирующие дырки не достигают коллекторного перехода и не участвуют в управлении коллекторным током. Вместо рекомбинированных электронов в базу втекают электроны из внешней цепи по базовому выводу, образуя ток

базы (I Б), величина которого определяется интенсивностью рекомбинации в базе.

Из рассмотренного выше принципа работы транзистора следует, что ток коллектора составляет всего лишь часть тока эмиттера (IЭ разветвляется на два тока: IК и IБ):

I Э = I К + I Б.

16

Отношение тока коллектора коллектор току эмиттера называют коэффициентом передачи тока:

α = I К / I Э.

Этот коэффициент отражает эффективность взаимодействия p-n переходов в транзисторе и количественно равен доле инжектированных эмиттером дырок, достигших коллекторного перехода.

Усилительные свойства транзистора

Процесс управления током коллектора током эмиттера лежит в основе усиления. На возможность усиления указывает тот факт, что в цепи эмиттера ток протекает при очень малом напряжении (десятые доли вольта), а в коллекторной цепи напряжение на порядок больше и мощность коллекторной цепи может значительно превышать мощность эмиттерной цепи.

Активность элемента определяется условием:

К P - коэффициент усиления по мощности, если он больше единицы, то элемент цепи является активным.

КP = PН > 1

PВХ

PН = ∆ UК∆ IК = ∆ IК∆ IКRН

PВХ = ∆ IЭ∆ UЭ

IЭ = IК + IБ dIЭ = dIК + dIБ

Схемы включения транзистора

Общая база

Режимы работы транзистора

I – Активный режим (эмиттерный переход смещен в прямом направлении, коллекторный в обратном)

II – Режим отсечки (I Э = 0, I К = I КО, I Б = - I КО – оба перехода смещены в обратном направлении)

III – Режим насыщения (оба перехода смещены в прямом направлении, UК > 0, UЭ > 0).

Статические характеристики в схеме с ОЭ

Входные характеристики представляют собой зависимость тока коллектора от напряжения между коллектором и эмиттером при постоянном токе базы:

IК = f(UКЭ)

IБ = const

Тип характеристик такой же, как в схеме ОБ. Однако, т.к. входным является IБ то в выражении (1) заменим I К на I К + I Б получим:

Модуляция толщины базы в схеме ОЭ обуславливает большой наклон выходных характеристик, чем в схеме ОБ, по причине взаимодействия с эмиттерным переходом: приращения тока коллектора проходят через эмиттерный переход, вызывают понижение потенциального барьера, инжекцию дырок из эмиттера в базу, диффузию и экстракцию.

При U К =0 напряжение Е Б одинаково приложено и к коллектору и к эмиттеруоба перехода смещены в прямом направлении транзистор в насыщении. Для перевода в активный режим нужно подать U К. При I Б =0 транзистор находится в активном режиме I К = IЭ =I*К0. Для перехода в режим отсечки нужно эмиттерный переход сместить в обратном направлении при этом I Э = 0, I Б= - I КО, I К = I К0.

20

Входные характеристики ОЭ представляют собой зависимость тока базы от напряжения между базой и эмиттером при постоянном выходном напряжении:

При увеличении I Б будет возрастать I К и при больших U К будет пробой. Статические характеристики определяются при постоянных токе и напряжении.

Обычно усиливают переменные сигналы (изменяются быстро и на малую величину (∆ I, U∆ ) относительно большого постоянного значения (I, U)).