Масленников Основы шемотехники електронных цепей

Чаще всего современные полупроводниковые диоды выполняются на основе кремния. При этом область n образуется за счет добавления в кремний донорной примеси, имеющей большую валентность, чем кремний, и обеспечивающей наличие свободных электронов. Область р образуется за счет добавления акцепторной примеси, имеющей меньшую валентность, чем кремний. Каждый атом акцепторной примеси для ковалентной связи с кремнием заимствует у атомов кремния недостающий электрон, и в полупроводнике образуются дырки – отсутствие электронов. Дырки имеют положительный заряд, равный заряду электронов, и они могут свободно перемещаться в полупроводнике.

При присоединении к p-n переходу через омические контакты источника постоянного напряжения E, как показано на рис. 1.8, а, высота потенциального барьера p-n перехода уменьшается. В этом случае считается, что p-n переход смещен в прямом направлении, диод открыт и через него пойдет ток. При присоединении к p-n переходу источника Е, как показано на рис. 1.8, б, высота потенциального барьера p-n перехода увеличивается. Считается, что при этом р-n переход смещен в обратном направлении, диод закрыт, а ток практически равен нулю.

Рис. 1.8. Смещение p-n перехода в прямом (а) и обратном (б) направлении

Поскольку при работе диода в электрических цепях происходит только потеря электрической энергии (за счет перехода части ее в тепловую энергию), диод является пассивным компонентом. Схема измерения и вольтамперная характеристика диода приведены на рис. 1.9. При протекании через диод слишком большого тока при смещении р-n перехода в прямом направлении и при приложении к р-n переходу слишком большого запирающего напряжения диод может выйти из строя (говорят: диод пробивается). Максимально

11

допустимые токи и напряжения диода зависят от технологии его изготовления и конструкции. Эти величины обычно указываются в справочнике.

Рис. 1.9. Схема измерения (а) и вольтамперная характеристика (б) кремниевого диода

Биполярный транзистор

Рассмотренные выше компоненты электронных устройств: резисторы, конденсаторы и диоды, а также цепи, выполненные на их основе, являются пассивными, так как при использовании таких цепей выходной сигнал получается по мощности всегда меньше входного из-за потерь электрической энергии.

Транзисторы – активные компоненты, с помощью которых на выходе цепи, используя дополнительный источник электрической энергии, можно получить сигнал большей мощности, чем на входе. При этом выходной сигнал будет зависеть от входного.

Рассмотрим устройство и принцип действия кремниевого биполярного транзистора n-p-n типа. При его изготовлении обеспечивается последовательное соединение трех областей примесного полупроводника, как это показано на рис. 1.10, а. Левая n-область полупроводника называется эмиттерной (она эмитирует электроны), правая n-область, отличающаяся от эмиттерной конструкцией и технологией изготовления, называется коллекторной (она собирает электроны), а средняя область называется базовой (она является

12

общей для эмиттерного и коллекторного p-n переходов полупроводника). Соответственно выводы из этих областей называются эмиттером, коллектором и базой транзистора.

Рис. 1.10. Структура биполярного транзистора n-p-n типа (а), его упрощенная эквивалентная схема для большого сигнала (б), условное обозначение в электрических схемах (в)

Как видно из рис. 1.10, а, биполярный транзистор представляет собой соединение двух p-n переходов, левый из которых называется эмиттерным, а правый – коллекторным. При смещении эмитерного и коллекторного переходов транзистора в прямом направлении (режим насыщения) и при смещении в обратном направлении (режим отсечки) транзистор при расчетах может быть заменен двумя встречно включенными диодами. Упрощенная эквивалентная схема в этом случае представлена на рис. 1.10, б, а на рис. 1.10, в представлено изображение биполярного транзистора в электрических схемах.

Приведенная на рис. 1.10, б упрощенная эквивалентная схема транзистора, состоящая из двух диодов, отнюдь не означает, что транзистор можно изготовить, соединив встречно два диода. Такая структура из двух диодов не будет обладать свойством активного прибора. Изобретение американским ученым Шокли и его коллегами в 1948 г. транзистора (это изобретение по многим опросам уверено входит в пятерку самых выдающихся изобретений ХХ в.) состояло в том, что два p-n перехода удалось соединить в один прибор при выполнении одновременно двух условий:

1) проводимость эмиттерной области была существенно больше проводимости базовой области, т.е. концентрация электронов в эмиттерной зоне была много больше концентрации дырок в базовой зоне;

13

2)толщина базовой области, т.е. расстояние между эмиттерным

иколлекторным переходами транзисторов было достаточно малым (в современных биполярных транзисторах оно порядка 1 мкм).

Совпадение двух названных условий позволило создать биполярный транзистор – активный прибор, обеспечивающий получение на выходе устройств на его основе электрического сигнала большего по мощности, чем входной.

Убедимся в этом. Для того, чтобы транзистор мог усиливать электрический сигнал, т.е. работать в активном режиме, эмиттерный переход транзистора нужно сместить в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. Это можно сделать, если транзистор включить по схеме с общей базой (рис. 1.11). При этом источник

Eэ смешает эмиттерный переход в прямом направлении, а источник Eк смещает коллекторный переход в обратном направлении.

Эти два источника включены последовательно, причем их средняя точка присоединена к общей шине питания, к которой и присоединена база транзистора. Именно поэтому такое включение транзистора называется схемой с общей базой.

При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении через него пойдет эмиттерный ток Iэ . Этот ток будет состоять из по-

тока электронов из эмиттерной области в базовую I n и потока дырок из базовой области в эмиттерную I p : Iэ In I p . Поскольку проводимость эмиттерного перехода много больше проводимости

Большая часть электронов, попадающая в тонкую базовую область транзистора, при своем движении может оказаться в зоне коллекторного перехода, в котором положительное напряжение источника Eк заставит их пройти р-n переход. Возникнет коллек-

торный ток Iк (заметим, что если не будет эмиттерного тока, то коллекторного тока также не будет, так как коллекторный р-n переход закрыт с помощью источника Eк ). Меньшая часть электро-

нов, попадающих в базу, не дойдет до коллектора, так как электроны могут рекомбинировать с дырками базовой области (происходит взаимное уничтожение электронов и дырок).

14

Схемы, приведенные на рис. 1.11 и 1.12, являются иллюстративными и использоваться на практике не могут по ряду причин. Например, в схеме, приведенной на рис. 1.12, во-первых, недопустимо подключение источника Eб без токоограничивающего рези-

стора. Действительно, если установить Eб > 0,8 В, через эмиттер-

ный переход транзистора может пойти чрезмерно большой ток, переход пробьется и транзистор выйдет из строя. Во-вторых, в электронных устройствах удобно иметь дело не с токами, а напряжениями. Поэтому, чтобы получить в схеме усиление по напряжению необходимо в коллекторную цепь включить дополнительный токосъемный резистор.

Схема простейшего усилительного каскада с общим эмиттером приведена на рис. 1.13. В схему введены два дополнительных резистора, о которых шла речь выше. Источники ЭДС Eб и Eк позво-

ляют сместить эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный – в обратном.

Для нормальной работы каскада сначала устанавливается режим по постоянному току (рабочая точка). Для этого от источника питания через резистор Rб задается базовый ток транзистора, такой,

чтобы соответствующий ему ток коллектора Iк Iб , протекающий по резистору Rк , вызывал на нем падение напряжения примерно 0,5 Eк . В этом случае при изменении тока базы с помощью входного сигнала напряжение на коллекторе транзистора (а в схеме

Рис. 1.13. Простейший усилительный каскад с общим эмиттером

16

Входной синусоидальный сигнал, изменяющий ток базы, можно в этом случае подать на базу транзистора через разделительный конденсатор С. Амплитуда входного сигнала должна быть такой, чтобы не искажалась форма синусоидального сигнала на выходе. При этом можно считать, что транзистор находится в активном ре-

тывающий усиление базового тока в раз.

Если под действием входного сигнала базовый ток уменьшается до нуля, то говорят, что транзистор перешел в режим отсечки. Транзистор в этом случае закрыт, так как оба перехода транзистора

схеме Uкэ ) будет уменьшаться практически до нуля. Дальнейшее увеличение тока базы уже не приводит к изменению тока коллектора и напряжения Uк . Это связано с тем, что транзистор находится в режиме насыщения, а оба его перехода смещены в прямом направлении. При этом Uкэ =Uбк –Uбэ 0.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА

Макет для изучения элементов электронных устройств (его лицевая панель приведена на рис. 1.15) содержит транзистор и набор

17

резисторов и конденсаторов для исследования. Питание макета осуществляется напряжением +10 В от внешнего источника.

Напряжение Eб формируется в макете. Его изменение осуществляется потенциометром в пределах 0 10 В.

Рис.1.15. Лицевая панель лабораторного макета

ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

1.Изучить по описанию лабораторной работы исследуемые пассивные и активные компоненты электронных устройств и цепи на их основе.

2.Подготовить ответы на контрольные вопросы.

3.Рассчитать для четырех случаев верхнюю и нижнюю граничные частоты, а также постоянную времени интегрирующей и дифференцирующей цепей, используя значения емкостей конденсаторов и сопротивлений резисторов, приведенные на схеме макета

(рис.1.15).

4.Рассчитать значение напряжения Eб (см. рис.1.13), при кото-

ром Uкэ Uвых 5 В, полагая, что = 100, Uбэ 0,7 В.

18

РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ

1. Исследовать интегрирующую RC-цепь:

а) снять АЧХ цепи. Для этого на ее вход подать синусоидальный сигнал с генератора (U г = 1 В, f = 20 Гц). Увеличивая частоту сиг-

нала, измерять с помощью вольтметра напряжение на выходе цепи, численно равное коэффициенту передачи цепи (поддерживая на входе напряжение 1 В). Определить верхнюю граничную частоту

цепи по уменьшению коэффициента передачи в 2 раз. С помощью осциллографа определить сдвиг по фазе на этой частоте;

б) с помощью осциллографа снять переходную характеристику цепи, используя в качестве источника входного сигнала генератор импульсов.

2. Исследовать дифференцирующую RC-цепь:

а) снять АЧХ цепи. Для этого на ее вход подать синусоидальный сигнал с генератора (U г = 1 В, f =200 кГц). Уменьшая частоту сиг-

нала, измерять с помощью вольтметра напряжение на выходе цепи, численно равное коэффициенту передачи цепи (поддерживая на входе цепи напряжение 1 В). Определить нижнюю граничную час-

тоту цепи fн по уменьшению коэффициента передачи в 2 раз. С

помощью осциллографа определить сдвиг по фазе на этой частоте; б) с помощью осциллографа снять переходную характеристику

цепи, используя в качестве источника входного сигнала генератор импульсов.

3. Исследовать биполярный транзистор в различных режимах:

в) определить коэффициент передачи тока базы транзистора ; г) подавая через разделительный конденсатор на базу транзи-

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Чему равно сопротивление емкости для переменного синусоидального тока?

2.Чему равен сдвиг по фазе между напряжением на емкости и переменным током, протекающим через нее?

3.Как определяются верхняя и нижняя граничные частоты в RC- цепях?

4.Какой максимальный фазовый сдвиг между входным и выходным напряжением возможен в интегрирующих и дифференцирующих цепях?

5.Может ли постоянный ток протекать через конденсатор?

6.Может ли скачком изменяться напряжение на конденсаторе? Поясните.

7.По какому закону происходит заряд конденсатора, осуществляемый от источника постоянного напряжения через резистор?

8.Может ли напряжение в RC-цепи измениться мгновенно при подаче на нее импульсного сигнала?

9.Какими свойствами обладает диод?

10.Какова внутренняя структура полупроводникового диода?

11.Чем отличаются акцепторная и донорная примеси?

12.Как обозначается диод в схеме?

13.Какие нужно приложить напряжения к диоду, чтобы он был открыт или закрыт?

14.Нарисуйте форму напряжения на выходе цепей при подаче на вход синусоидального напряжения:

20