Шпоры / once and for all

2

2) t0 : U0 -> 0

Uвых = U0

2) Дифференцирующая RC-цепь

Прохождение гармонических сигналов:

3

АЧХ : |K(jw)|=K(w) = ⁄

√

ФЧХ: f(w)= arctg( ) K(wcp) √ , wср=1/Ƭ

4

Билет №1

Вопрос №2

Составные транзисторы. Основные параметры транзисторов.

Составной транзистор – сочетание двух и более транзисторов, соединенных таким образом, что образуют новый активный трехполюсник.

Некоторые виды:

1 - Схема Дарлингтона(npn). 2 - Схема Дарлингтона(pnp). 3 - Схема Шиклаи. Так же есть и каскадные составные транзисторы.

1) 2) 3)

Рассмотрим эквивалентную схему для 1(для 2-го различаться будут только направления токов) случая и рассмотрим еѐ основные характеристики. Характеристики одного транзистора (для сравнения):

Промежуточные расчеты:

5

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ — граничная частота усиления по току и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1 и VT2.

Достоинства составного транзистора: Высокий коэффициент усиления по току.

Cхема Дарлингтона изготавливается в виде интегральных схем и при одинаковом токе рабочая поверхность кремния меньше, чем у биполярных транзисторов. Данные схемы представляют большой интерес при высоких напряжениях.

Недостатки составного транзистора:

Низкое быстродействие, особенно перехода из открытого состояния в закрытое. По этой причине составные транзисторы используются преимущественно в низкочастотных ключевых и усилительных схемах, на высоких частотах их параметры хуже, чем у одиночного транзистора.

Прямое падение напряжения на переходе база-эмиттер в схеме Дарлингтона почти в два раза больше, чем в обычном транзисторе, и составляет для кремниевых транзисторов около 1,2 — 1,4 В (не может быть меньше, чем удвоенное падение напряжения на p-n переходе).

Большое напряжение насыщения коллектор-эмиттер, для кремниевого транзистора около 0,9 В (по сравнению с 0,2 В у обычных транзисторов) для маломощных транзисторов и около 2 В для транзисторов большой мощности (не может быть меньше чем падение напряжения на p-n переходе плюс падение напряжения на насыщенном входном транзисторе).

Особенности применения

Применение нагрузочного резистора R позволяет улучшить некоторые характеристики составного транзистора. Величина резистора выбирается с таким расчѐтом, чтобы ток коллектор-эмиттер транзистора VT1 в закрытом состоянии создавал на резисторе падение напряжения, недостаточное для открытия транзистора VT2. Таким образом, ток утечки транзистора VT1 не усиливается транзистором VT2, тем самым уменьшается общий ток коллектор-эмиттер составного транзистора в закрытом состоянии. Кроме того, применение резистора R способствует увеличению быстродействия составного транзистора за счѐт форсирования закрытия транзистора VT2. Обычно

сопротивление R составляет сотни Ом в мощном транзисторе Дарлингтона и несколько кОм в малосигнальном транзисторе Дарлингтона.

6

Билет №2

Вопрос №1

Электрические переходы. Прямое смещение p-n перехода, физические процессы в переходе, ВАХ перехода.

Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются. Переходом между двумя областями полупроводника с различными типом электропроводности называется электронно-дырочными или p-n переходами.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (n- или p- типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной

показывает, что концентрация носителей заряда одного типа в этом слое значительно выше, чем во втором, и поэтому слой имеет меньшее удельное электрические сопротивление.

Переход между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой переход называют переходом металл-

полупроводник.

Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами. Поверхности металлов обычно загрязнены оксидами и атомати других веществ. Существенную роль играет воздух, устранить который при механическом контакте практически невозможно.

Прямое смещение p-n перехода.

Переход, смещенный в прямом направлении. Если к переходу приложить напряжение U плюсом к р-области, а минусом — к n-области, то это напряжение почти полностью будет падать на p-n-переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивлений областей р и n. В p-n -переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшится и станет равным

7

В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор, пока| | | |, обедненный носителями заряда p-n -переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера

При | | = |U| толщина p-n-перехода стремится к нулю и при дальнейшем увеличении напряжения U переход как область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще. В результате компенсации внешним напряжением потенциального барьера электроны и дырки, являющиеся основными носителями заряда в р- и n-областях, начинают свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности. Следовательно, существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузии и дрейфа нарушается, и вследствие снижения потенциального барьера диффузия основных носителей заряда увеличивается. Через переход потечет ток, который называется прямым. Введение («нагнетание») носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией.

Если р-п-переход является несимметричным и концентрация дырок в p-области во много раз выше концентрации электронов в n-области, диффузионный поток дырок будет во много раз превышать соответствующий поток электронов и последним можно пренебречь.

Вэтом случае имеет место односторонняя инжекция носителей заряда.

Внесимметричном р-n-переходе концентрации основных носителей различаются на

несколько порядков ( ). Поэтому концентрация инжектируемых неосновных носителей гораздо больше в высокоомном слое, чем в низкоомном, т. е. инжекция имеет односторонний характер. Неосновные носители заряда инжектируются в основном из низкоомного слоя в высокоомный.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, слой, в который инжектируются не основные для него носители,— базой.

В результате инжекции в р- и n-областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи p-n-перехода концентрации дырок в области n и электронов в области p отличаются от равновесной:

;

Концентрация неосновных носителей заряда на границе p-n-перехода увеличивается по экспоненциальному закону в зависимости от приложенного напряжения. Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени (З...5) компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника. В результате на границе р-n-перехода появляется заряд, созданный основными носителями заряда, и выполняется условие .

Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, так как по ней поступают носители заряда взамен ушедших к р-n-переходу и исчезнувших в результате рекомбинации.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся вследствие инжекции на границе р-n-перехода, перемещаются внутрь области с противоположным типом электропроводности. Причиной этого является диффузия и дрейф. Если напряженность электрического поля в полупроводнике невелика, основной причиной движения является градиент концентрации. Под его влиянием неосновные носители заряда (в рассматриваемом случае

— дырки) движутся внутрь полупроводника, а основные (электроны) — в сторону инжектирующей поверхности, где идет интенсивная рекомбинация.

При диффузии неосновных носителей заряда внутрь полупроводника концентрация их непрерывно убывает из-за рекомбинаций. Если размеры р- и n-областей превышают

8

диффузионные Длины Lp, Ln (массивный полупроводник), то концентрации неосновных носителей заряда при удалении от перехода определяются из выражений

здесь х —расстояние от точки, где избыточная концентрация Равна Таким образом, если в массивном полупроводнике в какой-то точке концентрация

неосновных носителей заряда равна р, то на расстоянии х в глубине полупроводника она

обусловлен в основном диффузионным движением инжектированных носителей заряда. Вдали от p-n-перехода, где диффузионная составляющая тока стремится к нулю, последний имеет дрейфовый характер, и основные носители заряда движутся в электрическом поле, созданном внешним напряжением на участке p- и n-областей, имеющих омическое сопротивление. Если толщины W областей пир достаточно малы, так что выполняется условие Wp < Lp и Wn < Ln, можно считать, что концентрация неосновных носителей заряда внутри полупроводника изменяется по закону, близкому к линейному:

В установившемся режиме избыточные неосновные носители заряда, накопленные в области с противоположным типом электропроводности, несут заряд Q, значение которого пропорционально их концентрации, а следовательно, току через систему и постоянной времени жизни неосновных носителей заряда т: . Поэтому любое изменение тока сопровождается изменением заряда, накопленного с обеих сторон р-n- перехода. При односторонней инжекции заряд в основном накапливается в высокоомной базе. В равновесном состоянии через p-n-переход протекает ток, имеющий две составляющие. Одна обусловлена диффузией основных носителей заряда в область, где они являются неосновными, другая — дрейфом неосновных носителей заряда теплового происхождения. При приложении к p-n-переходу прямого напряжения это равновесие нарушается. Ток диффузии основных носителей заряда IТ за счет снижения

( — ток, протекающий в одном направлении через р-n-переход, находящийся в равновесном состоянии). Другая составляющая тока при приложении внешнего напряжения остается практически без изменения. Это обусловлено тем, что создающие ток электроны и дырки генерируются вблизи p-n-перехода на расстоянии, меньшем диффузионной длины L. Те заряды, которые рождаются на большом расстоянии, в основном рекомбинируют не дойдя до перехода. Изменение ширины перехода для носителей заряда этого происхождения не играет существенной роли. Они как генерировались в пределах толщины, определяемой диффузионной длиной, так и будут генерироваться. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда, останется без изменения, т. е. таким же, как и в равновесном состоянии, при котором он был равен току IТ и направлен навстречу ему. Следовательно, результирующий ток через p-n-переход при приложении прямого напряжения

Это уравнение идеализированного p-n-перехода, на основе которого определяют вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. Ток называют тепловым, или обратным, током насыщения. Его значения для полупроводника с определенными концентрациями примесей зависят только от температуры последнего и не зависят от приложенного напряжения. Изменение ширины p-n-перехода и распределение потенциалов вблизи р-п-перехода представлено на рис. 2.8, а,б

10