3.1.2 Кремниевые стабилитроны

Стабилитроны– это полупроводниковые приборы, работающие в режиме лавинного пробоя. Условное графическое изображение стабилитрона показано на рис. 11, а. Рабочим участком стабилитрона является обратная ветвь вольт-амперной характеристики, которая соответствует лавинному пробою (рис. 3.6, б).

Напряжение стабилизации стабилитрона зависит от температуры. На рис. 3.6, б пунктирной линией показано смещение характеристик при увеличении температуры. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации у стабилитронов с напряжением стабилизации U_ст > 5 В положительный, а у стабилитронов с напряжением стабилизацииU_ст < 5 В – отрицательный. ПриU_ст = 5-6 В ТКН близок к нулю.

Основные параметры стабилитронов:

• напряжение стабилизации U_ст;

• минимальный I_{ст мин} и максимальныйI_{ст макс} токи стабилизации;

• дифференциальное сопротивление стабилитрона;

• температурный коэффициент стабилизации ТКН;

• максимально допустимая мощность рассеяния Р_рас = U_ст I_ст.

Иногда для стабилизации напряжения используют прямое падение напряжения на диоде. Такие полупроводниковые приборы называют стабисторами. В области прямого смещенияp-n-перехода напряжение на нем составляет (0,7-2,0) В и мало зависит от тока. Поэтому стабисторы применяют только для стабилизации малых напряжений (до 2 В). Параметры стабистора аналогичны параметрам стабилитрона с той лишь разницей, что они соответствуют прямой ветви вольт-амперной характеристики стабистора.

Схемы включения стабилитронов и стабисторов показаны на рис. 3.7.

Обозначения полупроводниковых диодов состоят из пяти элементов.

1. Буква или цифра, указывающая, на основе какого полупроводникового материала выполнен диод (Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия).

2. Буква, обозначающая подкласс диода (Д – выпрямительные, импульсные, универсальные, В – варикапы, И – тунельные и обращенные диоды, С – стабилитроны, А – сверхвысокочастотные).

3. Цифра, определяющая назначение диода (101-399 – выпрямительные, 401-499 – универсальные, 501-599 – импульсные).

4. Цифры, определяющие порядковый номер разработки.

5. 5. Буква, показывающая деление технологического типа на параметрические группы (например, по температуре или максимальному напряжению).

3.2 Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления электрических сигналов.

Многообразие конструкций транзисторов отражено на блок-схеме рис. 3.8.

3.2.1 Полевые транзисторы

Управление током в полевых транзисторах осуществляется изменением проводимости канала, через который протекает ток транзистора под воздействием электрического поля. Вследствие этого униполярные транзисторы называют полевыми.

По способу создания канала различают полевые транзисторы с p-n-переходом, встроенным каналом и индуцированным каналом.

3.2.1.1 Полевые транзисторы с p-n-переходом

Модель полевого транзистора с p-n-переходом показана на рис. 3.9, а. В приведенной конструкции канал протекания тока представляет собой слой полупроводника n-типа, заключенный между двумя p-n-переходами. Электрод, от которого начинают движение носители заряда (в данном случае электроны) называют истоком, а электрод, к которому они движутся, – стоком. Оба р-слоя электрически связаны между собой и имеют внешний электрод, называемый затвором. Подобную же конструкцию имеют и полевые транзисторы с каналом p-типа. Условные обозначения полевых транзисторов с каналами n- и p-типа приведены на рис. 3.9, б, в.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 3.9, а. Управляющее (входное) напряжение U_зи подается между затвором и истоком. Напряжение U_зи является обратным для обоих p-n-переходов. В выходную цепь, в которую входит канал транзистора, включается напряжение U_си, положительным полюсом к стоку.

Управляющие свойства транзистора объясняются тем, что при изменении напряжения U_зи изменяется ширина его p-n-переходов, представляющих собой участки полупроводника, обедненные носителями заряда. Тем самым изменяются сечение токопроводящего канала и его проводимость, т.е. выходной ток I_с прибора.

Особенностью полевого транзистора является влияние на проводимость канала как управляющего напряжения U_зи, так и напряжения U_си. Влияние подводимых напряжений на проводимость канала иллюстрирует рис. 3.10.

Если внешнее напряжение приложено только к входной цепи транзистора (рис. 3.10, а), то проводимость канала изменяется только за счет изменения его сечения на одинаковую величину по всей длине канала. Но выходной ток I_с = 0, поскольку U_си = 0.

Если внешнее напряжение приложено только между стоком и истоком (U_си  0, U_зи = 0, рис. 3.10, б), то через канал протекает ток I_с, в результате чего создается падение напряжения, возрастающее в направлении стока. В силу этого потенциалы точек канала будут неодинаковыми по его длине, возрастая в направлении стока от нуля до U_си. В связи с этим обратное напряжение, приложенное к p-n-переходам, возрастает и p-n-переходы расширяются в направлении стока. При некотором напряжении U_си происходит сужение канала, при котором границы обоих p-n-переходов смыкаются (рис. 3.10, б) и сопротивление канала становится высоким.

На рис. 3.10, в показано результирующее влияние на канал обоих напряжений U_си и U_зи. Канал показан для случая смыкания p-n-переходов.

Для полевых транзисторов представляют интерес два вида вольт-амперных характеристик: стоковые и стоко-затворные. Стоковые (выходные) характеристики полевого транзистора с p-n-переходом и каналом n-типа показаны на рис. 3.11, а.

Они отражают зависимость тока стока от напряжения сток-исток при фиксированном напряжении затвор-исток .

Особенностью стоковых характеристик полевых транзисторов является практически линейная зависимость на начальном участке характеристики (участок 0-а на характеристике, соответствующейU_зи = 0).

При дальнейшем увеличении напряжения U_си крутизна увеличения тока уменьшается (участок а-б) из-за сужения токопроводящего канала. При переходе из области I в область II (пунктирная кривая на рис. 3.11, а) сечение токопроводящего канала уменьшается до минимума в результате смыкания обоих p-n-переходов. Дальнейшее увеличение напряжения U_си не должно приводить к увеличению тока, так как одновременно с ростом напряжения U_си будет увеличиваться сопротивление канала (наступает так называемый режим насыщения). Некоторое увеличение тока I_c объясняется наличием различного рода утечек и влиянием сильного электрического поля в p-n-переходах, прилегающих к каналу.

Участок III резкого увеличения тока I_с характеризуется лавинным пробоем области p-n-переходов вблизи стока по цепи сток-затвор (начало в точке в).

Стоко-затворная характеристика полевого транзистора показывает зависимость тока стока от напряжения затвор-исток при фиксированном напряжении сток-исток. Примерный вид этой характеристики показан на рис. 3.11, б. Максимального значения ток стока достигает приU_зи = 0. Напряжение затвор-исток, при котором ток стока становится равным нулю, называют напряжением отсечки U_{зи отс}.

Другой параметр полевого транзистора, напрямую связанный со стоко-затворной характеристикой, - это крутизна характеристики

,(мА/В),

которая отражает связь выходного тока (тока стока) полевого транзистора с входным напряжением (напряжением затвор-исток).

Крутизна характеристики S – это усилительный параметр полевого транзистора.