Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Васильев Л.А. - Конспект лекций

.pdf
Скачиваний:
69
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
1.4 Mб
Скачать

11

Обратносмещенный р-n-переход (при обратном напряжении)

 

+

-

 

 

 

Uобр

 

Iобр

+

-

 

 

n

 

p

 

+

-

 

 

Uк

 

 

 

Uобр

 

 

-

 

 

 

 

 

p

Uк+Uобр

 

 

 

 

n

 

x

 

 

 

+

dобр

 

 

Потенциальная диаграмма обратносмещенного перехода

Суммарный ток перехода – обратный ток:

Iобр = Iдиф – Iдр = – Iдр.

Iдиф =0. Iобр<< Iпр

Экстракция носителей заряда – выведение неосновных носителей через переход ускоряющим электрическим полем при Uобр.

Емкости p-n-перехода

Спер = Сбар + Сдиф

При прямом напряжении Спер = Сдиф. При обратном напряжении Спер = Сбар.

12

Лекция 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

2.1Основные типы диодов

Диод – полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами.

А К

(анод) (катод)

По назначению:

выпрямительные ;

специальные:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стабилитроны

 

 

 

 

 

 

(двухсторонние

 

);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

варикапы

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

туннельные диоды

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

фотодиоды ;

светодиоды .

2.2Выпрямительные диоды

По мощности:

малой мощности (до 300 мА),

средней мощности (до10 А),

большой мощности [силовые] (свыше 10 А).

По рабочей частоте:

низкочастотные,

высокочастотные,

импульсные.

13

Выпрямление переменного тока

 

 

u

 

VD

 

 

 

t

i

i,u

н

u

R H

 

 

 

t

 

uд

 

 

t

ВАХ выпрямительного диода

 

 

 

Iпр , А

 

 

 

 

 

6

 

 

а - германиевый диод 4

а

б

б - кремниевый диод

 

 

Uобр , В

 

 

2

 

Uпр , В

 

-400

-200

 

 

б

1

0

0.5

1

 

 

0.5

 

 

2

 

 

 

1 - рабочий участок

 

 

а

 

 

 

 

1

 

обратной ветви ВАХ

 

 

 

 

2 - участок

 

3

 

 

 

 

 

 

 

электрического пробоя

 

 

 

Iобр, mА

 

3 - участок теплового

 

 

 

 

пробоя

Уравнение ВАХ диода:

U

I I0(e m T 1)

φТ – тепловой потенциал (φТ = 26 мВ при Т = 300 К) (идеальный диод: m = 1, реальный диод: 1< m <2).

14

Влияние температуры и частоты:

при Т ↑ →Uпр↓, Rпр↑, Iобр↑, Rобр↓.

при f ↑ → всплеск Iобр, ухудшение выпрямительных свойств.

Германиевые диоды:

Uпор ≈ 0; Uпр =0,2…0,4 В; Uобр ≤ 400 В; Iобр (мА); Траб = –60…+75 С.

Кремниевые диоды:

Iобр ≈ 0; Uпор = 0.4…0.6 В; Uпр = 0,6…1.0 В); Uобр max ≤ 1500 В; Траб = –60…+190 С.

Кремниевые диоды с барьером Шотки: fраб до 500 кГц, Рдин ≈ 0.

Импульсные диоды: tпер очень мало.

Основные параметры:

допустимый средний прямой ток Iпр ср max;

допустимое обратное напряжение Uобр max;

среднее прямое напряжение Uпр ср;

средний обратный ток Iобр ср;

предельная частота fmax;

2.3Силовые диоды

Структура p+-p-n-n+.

Iпр ср max до 9800 А, Uобр max до 6000 В.

Пример условного обозначения: Д271-250-11.

SOS-диоды:

Uобр max до 250 кВ, Iпр ср max до 8 кА, Iпер до 40 кА, tпер = 1…10 нс.

Выбор диода: по Iпр ср max и Uобр max

(с учетом коэффициента запаса, обычно Кзап = 0.75).

15

Потери энергии при переключении силового диода.

uн

Um

0

t

-Um

i

0

Iн

 

 

t

 

Iн

tнар

 

tвос

 

 

tрас

 

uд

Uпр

 

 

 

0

Uобр

t

 

Рд

 

 

0

 

t

 

 

Графики процессов отпирания и запирания диода

Для обеспечения допустимого нагрева – применение охладителей.

2.4Последовательное и параллельное соединение диодов

Rш

Rш

Rш

 

 

 

Rу

Rу

 

 

VD1

VD2

VD1

VD2

VD3

 

16

2.5Расчет рабочего режима диода

+

 

 

 

VD

I = ( E - Uд ) / Rн .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

I

 

 

 

Rн

Проводим линию нагрузки:

 

 

 

 

 

 

 

 

_

 

 

 

 

 

 

 

[I = 0; Uд = Е]; [Uд = 0; I = Е/Rн]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При прямом напряжении:

 

I

 

ВАХ диода

Е / Rн

 

 

 

I д

 

линия нагрузки

 

 

0

 

U

U

Е

 

д

При обратном напряжении – аналогично.

2.6Стабилитроны

Нормальный режим: работа при Uобр на участке электрического пробоя p-n-перехода.

 

I

Uст

U

 

Iст min

 

Iст max

17

Применение: для стабилизации

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

напряжения, в схемах защиты и др.

 

 

Rб

 

Uвх Uст

-

Основные параметры:

напряжение стабилизации Uст;

минимальный ток стабилизации Iст min;

максимальный ток стабилизации Iст max;

дифференциальное сопротивление стабилитрона Rст.

2.7Варикапы

Варикап – диод, в котором используется барьерная емкость обратно смещенного перехода:

 

Сбар = f (Uобр).

 

Cбар

-

+

 

 

 

0

 

Uобр

Сбар = εS /(4πd)

Uобр↑, d ↑, Сбар;

Сmax = 5…300 пФ.

18

Лекция 3 БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

3.1Устройство биполярных транзисторов

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с тремя слоями чередующейся электропроводности и двумя взаимодействующими р-n-переходами.

Типы биполярных транзисторов (в зависимости от чередования слоев):

p-n-p-типа (прямые) n-p-n-типа (обратные)

Э

p

n

p

К Э

n

p

n

 

К

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ББ

КК

Б

Б

ЭЭ

Ээмиттер; Б – база; К – коллектор.

ЭП – эмиттерный переход; КП – коллекторный переход.

SКП >> SЭП; Lб и nб очень малые.

Основной материал: кремний, германий.

По допустимой мощности:

маломощные (≤ 0,3 Вт);

средней мощности (≤ 1,5 Вт);

мощные (> 1,5 Вт).

19

3.2Принцип действия транзистора

Воснове – свойства и взаимодействие p-n-переходов.

ЭП

КП

iэ

i к

Э

К

n

p

n

Uбэ

 

Uкб

Б

 

i б

Назначение: ЭП→ инжекция носителей заряда в базу; КП→ экстракция носителей из базы.

Принцип работы: управляемая инжекция ►

► изменение (преобразование) rк (transfer resistor).

Основное уравнение (модель) в активном режиме:

 

 

 

 

 

 

iэ = iб + iк

 

 

 

 

 

 

iк

= α iэ + iк0 ;

i β i

(β 1)i

β i

i ;

 

 

 

 

 

 

к

б

к0

б

кэ0

 

 

 

 

 

 

 

α =

iк / iэ коэффициент передачи тока эмиттера.

 

i

 

α

 

коэффициент передачи тока базы.

 

β

к

 

 

i

1 α

 

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

 

 

 

 

 

iкэ0

(β 1)i

– начальный сквозной ток.

 

 

 

 

 

 

к0

 

 

 

 

 

iк α iэ, (α = 0,9…0,995);

iк β iб , (β = 20…300).

 

20

3.3Режимы работы транзисторов

Режимы по назначению: ● усилительный; ● ключевой.

Режимы по напряжению на переходах:

активный (на ЭП – Uпр, на КП – Uобр; для усиления сигналов);

отсечки (на переходах обратное U; транзистор заперт);

насыщения (на переходах Uпр; транзистор полностью открыт). Режимы отсечки и насыщения составляют ключевой режим.

инверсный (на ЭП – Uобр, на КП – Uпр; для работы не используется).

3.4Основные схемы включения:

с общим эмиттером (ОЭ);

с общей базой (ОБ),

с общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Iк

 

 

 

 

Rн

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвх

 

 

 

 

 

 

 

Iэ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uвых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1

 

 

 

 

 

 

E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

+

 

 

+

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

ki

 

Ιm вых

 

 

 

 

Ιm к

β (101…102);

k

Um вых

Um кэ

(101…102);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ιm вх

 

 

 

Ιm б

Um вх

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

Um бэ

 

k

p

 

 

Ρвых

 

k

i

k

u

(102…103).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ρ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вх

 

 

 

 

(102…103 Ом);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(103…104 Ом).

Rвх = Um бэ / Im б

Rвых = Um кэ / Im к

Свойства:

 

φвых = φвх + 180º; при

 

f ↑ или T ↑ ►

ki↓ и ku↓.

 

Схема ОЭ – основная схема включения транзистора.