Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодомназывается не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анода и катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика,т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью(пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI_ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI_ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

U_ОБР

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температурыокружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

• Максимальный прямой ток I _ПР;

• Температурная стойкость t⁰ _max;

• Максимальное обратное напряжение U _KP.

• Сопротивление постоянному току R₀ = U _ПР / I _ПР;

• Сопротивление переменному току R _i =Δ U _ПР / Δ I _ПР;

• Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I _ПР / Δ U _ПР;

• Мощность потерь на аноде P _A = U _ПР I _ПР;

Область использования диодов: выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы –полупроводниковые приборы с двумяр-ппереходами, позволяющиеусилитьэлектрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные(полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзисторомназывается полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-ппереходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n)транзисторы, разница между которыми состоит вполярностиподключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер– излучатель зарядов,база– основание иколлектор– собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p, а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

Iэ Iк

R_Н

Вход Выход

+ - + -

Рис. 2. Биполярный p- n- pтранзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p-nиn-p. Первый переход (p-n) включен впрямомнаправлении, т.е. минус кn-области, а плюс кр– области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n-p) включен вобратномнаправлении, т.е. плюс к базе (n- область), а минус кр– области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратнымU_Kвключением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p-nпереход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе, дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испы­тывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU _K, переходят в кол­лектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в кол­лектор из отрицательного полюса батареи питания. В резуль­тате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI _K, несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное — это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, кото­рый зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллектор­ным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощностиподводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR нпри соответствующем подборе напряжения батареиU кможет быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R _H >> R _ВХ, а входной (эмиттерныйI_Э) и выходной (коллекторныйI_К) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU_ВХ = I_ВХ * R_ВХ ; Pвх= I ²вх *Rвхменьше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузке U = I_К * R_Н ; Pн = I_K² * RН. Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI_Э ~ = I_К).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора — схема с общим эмиттером,при которой, кроме усиления мощ­ности, имеет место такжеусиление тока.Схема включенияс общим коллекторомиспользуется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффи­циент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько де­сятков единиц, по напряжению - около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в сле­дующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в боль­шинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей при­водит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k опреде­ляется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

• Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

а)

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная

• Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ_ВЫХ/ΔΧ_ВХ;ΔU_ВЫХ/ΔU_ВХ;ΔI_ВЫХ/ΔI_ВХ;ΔP_ВЫХ/ΔP_ВХ.

• Входное сопротивление транзистора переменному току

R = ΔU_ВХ / ΔI_ВХ.

• Мощность потерь на коллекторе

P_K = U_K ^* I_K.

Достоинства транзисторов:малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки: существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использованиятранзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.