14) Вольтамперная характеристика «p-n» перехода

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора является постоянным, не зависящим от тока или напряжения, выражается законом Ома: i= u/R, или i= Gu.

Коэффициентом пропорциональности является проводимость G =1/R.

График зависимости между током и напряжением называется «вольт-амперная характеристика» данного прибора. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.

Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

Явление это состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяясь в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой p-n-перехода.

15) Применение полупроводниковых диодов для выпрямления переменного тока.

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, и, следовательно, основным назначением большинства диодов является выпрямление переменного тока.

В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. Роль нагрузочного резистора, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются выпрямителем. Применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его величиной при отсутствии конденсатора. Весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимым. Происходит тепловой пробой диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше тепла, создающего вредное нагревание других деталей, расположенных вблизи. Также полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение не более сотен вольт, а у высоковольтных кенотронов оно может быть до десятков киловольт.

Полупроводниковые диоды могут применяться в любых выпрямительных схемах.

19) Кремниевые стабилитроны и стабисторы.

Стабилитроны и стабисторы — это полупроводниковые диоды, предназначенные для стабилизации, т. е. поддержания постоянства на­пряжения на источниках питания. При равномерном распределении тока лавинного пробоя по площади р–n перехода полупроводниковый прибор способен пропустить значительный обратный ток без его повреждения. Это явление используется в диодах малой мощности, получивших название кремниевых стабилитронов или опорных диодов. Исходным материалом при изготовлении стабилитронов служит пластинка кремния n-типа. В нее вплавляется алюминий, являющийся акцепторной примесью для кремния. Нормальным режимом работы стабилитронов является работа при обратном напряжении, соответствующем обратному электрическому пробою р–n перехода.

Стабисторы – полупроводниковые диоды, в которых для стабилизации напряжения используется прямая ветвь ВАХ. В полупроводниковых стабисторах используют кремний с относительно большой концентрацией примесей. В отличие от стабилитронов, стабисторы имеют малое напряжение стабилизации (кремниевые – около 0,7 В). 20) Физические процессы в транзисторе. В рабочем режиме биполярного транзистора протекают следующие физические процессы:

 инжекция из эмиттера в базу;

 диффузия через базу;

 рекомбинация в базе;  экстракция из базы в коллектор.

При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явлению диффузии проникают сквозь базу в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в области этого перехода получаются объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода. Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этой рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Вследствие рекомбинации какое-то количество дырок каждую секунду исчезает, но такое же количество новых дырок каждую секунду возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника такое же количество электронов.

[ И, на всякий случай, сами определения: Инжекция- это процесс подвода неосновных носителей заряда в данную область полупроводника из области, где они были основными, через пониженный потенциальный барьер.

Диффузия – проникновение молекул одного вещества в другое при их непосредственном соприкосновении, обусловленное тепловым движением молекул.

Рекомбинация– явление, состоящее в исчезновении пары электрон-дырка и обусловленное переходом электрона из зоны проводимости на свободное место в валентной зоне.Экстракция- это процесс отвода неосновных носителей заряда из данной области полупроводника в область, где они становятся основными. ]

21)Основные схемы включения транзисторов.Существует три основные схемы включения транзисторов. При этом один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада. Надо помнить, что под входом (выходом) понимают точки, между которыми действует входное (выходное) переменное напряжение. Основные схемы включения называются схемами с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК).

Схема с общим эмиттером (ОЭ). Является наиболее распространенной, т. к. дает наибольшее усиление по мощности.

Схема с общей базой (ОБ).

Такая схема включения не дает значительного усиления, но обладает хорошими частотными и температурными свойствами. Применяется она не так часто, как схема ОЭ.

Схема с общим коллектором (ОК). Такая схема чаще называется эмиттерным повторителем.

Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. очень сильна отрицательная обратная связь.

Статические характеристики п/п транзисторов

Как видно  из них, ток  коллектора растет при увеличении напряжений Uбэ и Uкэ. Но в электронной лампе анодный ток существует не только при положительном, но и при отрицательном напряжении сетки, а в транзисторе ток коллектора может быть только при напряжении Uбэ одного знака.

Рис.26. Схема для снятия статических характеристик транзистора

Для снятия характеристик транзистора применяются такие же схемы, как и для снятия характеристик электронных ламп. Одна из возможных схем показана на рис.26. В ней напряжение Uкэ регулируется с помощью двух потенциометров R2 и R3, включенных каскадно.

Рис.27. Изменение выходных характеристик транзистора при повышении температуры

При таком включении напряжение, снимаемое с потенциометра R3, подается   на   потенциометр R2, а с последнего напряжение снимается на транзистор.

Это позволяет получать весьма малое напряжение и более плавно изменять напряжение ию. В этом случае нулевое напряжение надо устанавливать потенциометром R2. Источником Е2 может быть батарея на 20—30 в или выпрямитель. Ток базы Iб измеряется микроамперметром, а для измерения напряжения Uбэ применяется милливольтметр. В данной схеме для определения истинного значения Uбэ надо из показания милливольтметра вычесть падение напряжения на микроамперметре, которое легко найти умножением тока Iб на сопротивление микроамиерметра. Потенциометр R1 берется с небольшим сопротивлением (десятки ом). В качестве источника Е1 удобно взять один сухой элемент.   Сопротивление R служит для того, чтобы напряжение на R1 составляло лишь несколько десятых долей вольта. Большим недостатком транзисторов является сильное влияние температуры на их характеристики. При повышении температуры токи в цепях транзистора возрастают.  В  частности,  ток Iк0  примерно удваивается при увеличении температуры на каждые 10 °С. На рис.27 показаны семейства выходных характеристик при двух разных температурах. Такое резкое изменение характеристик происходит, с одной стороны, от изменения температуры окружающей среды, а с другой стороны, от нагрева самого транзистора проходящими через него токами. Температурная нестабильность транзисторов во многих случаях нарушает нормальную работу, и поэтому приходится применять особые методы температурной стабилизации (или компенсации).

Схемы питания и стабилизации режима транзисторов

Из трех выводов транзистора на эмитер подается входной сигнал, с коллектора - снимается вы­ходной сигнал, а третий вывод - база является общим для входной и выходной цепи. Выходной сигнал - переменное напряжение на резисторе нагрузки Rн.Таким образом, рассмотренная выше схема получила название схемы с общей базой.

Любая схема включения транзистора характеризуется двумя основными показателями:

- коэффициент усиления по току Iвых/Iвх (для схемы с общей базой Iвых/Iвх=Iк/Iэ=α [α<1])

Входное сопротивление для схемы с общей базой мало и составляет десятки Ом, так как вход­ная цепь транзистора при этом представляет собой открытый эмиттерный переход транзисто­ра. Недостатки схемы с общей базой:

• Схема не усиливает ток - коэффициент усиления менее 1

• Малое входное сопротивление

• Два разных источника напряжения для питания. Достоинства - хорошие температурные и частотные свойства.

В этой схеме общим цепи базы и цепи коллектора является эмитер – отсода и название этой схемы.

Схема, изображенная на рисунке ниже, является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд выходного и входного переменного тока, то есть переменных состав­ляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току составляет десятки единиц.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

- Большой коэффициент усиления по току,

- Большее, чем у схемы с общей базой, входное сопротивление,

- Для питания схемы требуются два однополярных источника, что позволяет на практике обходиться одним источником питания.

Недостатки: худшие, чем у схемы с общей базой, температурные и частотные свойства. Одна­ко за счет преимуществ схема с ОЭ применяется наиболее часто.

В схеме с ОК коллектор является общей точкой входа и выхода, по­скольку источники питания Еб и Ек всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. с. очень сильна от­рицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме перемен­ного напряжения база - эмиттер Uбэ и выходного напряжения. Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с ОЭ, т. е. равен нескольким десяткам. Однако, в отличие от каскада с ОЭ, коэффициент усиления по напряжению схемы с ОК близок к единице, причем всегда меньше ее. Переменное напряжение, поданное на вход транзистора, усиливается в десятки раз (так же, как и в схеме ОЭ), но весь каскад не дает усиления. Коэффициент усиления по мощности равен примерно нескольким десяткам. В этой схеме фазового сдвига между Uвых и U вхнет. Поэтому данный каскад обычно называют эмиттерным повторителем. Эмиттерным - потому, что резистор нагрузки Rн включен в провод вывода эмиттера и выходное напряжение снимается с эмиттера (относительно корпуса). Так как входная цепь представляет собой закрытый коллекторный переход, входное сопротивление каскада по схеме ОК состав­ляет десятки килоом, что является важным достоинством схемы. Выходное сопротивление схемы с ОК, наоборот, получается сравнительно небольшим, обычно единицы кОм или сотни Ом. Эти достоинства схемы с ОК позволяют использовать ее для согласования раз­личных устройств по входному сопротивлению. Недостатком схемы является то, что она не усиливает напряжение - коэффициент усиления чуть меньше 1.В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника. Для нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы между эмитером и базой было постоянное небольшое напряжение – для этого необходимо подать некоторое напряжение смещения от источника питания коллекторной цепи. В каскаде с ОЭ (Рис.а) постоянный ток базы проходит через резистор R1, на Котором гасится почти все напряжение Еп. Небольшая часть напряжения падает на участке база-эмиттер и является напряжением смещения базы. Недостаток данной схемы: не может работать в широком диапазоне температур, т. к. сопро­тивление эмиттерного перехода очень сильно зависит от температуры. На (Рис.б) показана наиболее распространенная схема стабилизации режима каскада ОЭ который наиболее подвержен влиянию температуры. Это так называемая схема коллекторной стабилизации. Резистор R1 служит для установки необходимого смещения на базе поделючен не к источнику Еп, как в схеме (Рис.а), а к коллектору. Если от нагрева или смены транзистора возрастает коллекторный ток, то увеличится падение напряжения на Rк, а напряжение Uкэ соответственно уменьшится. Это приведет к уменьшению напряжения Uбэ и следовательно к уменьшению коллекторного тока. Более сложная схема эмитерной стабилизации показана на (Рис.в). Здесь резисторы R1 и R2 образуют делитель для получения напряжения смещения на базе , а резистор Rэ является стабилизирующим. Для того чтобы резистор Rэ не создавал отрицательной обратной связи по переменному току, он шунтируется конденсатором Сбл.

а) б) в)

Диапазон рабочих температур транзистора определяется температурными свойствами р-n перехода. При его нагревании от комнатной температуры (25 °С) до 65 °С сопротивление базы и закрытого коллекторного перехода умень­шается на 15-20 %. Особенно сильно нагревание влияет на обратный ток коллектора. Он увеличивается в два раза при увеличении на каждые 10°С. Всe это влияет на характеристики транзистора. Поэтому схемы включения транзисторов требуют также и температур­ной стабилизации.

Усиление с помощью транзистора

Нам всем время от времени требуется рука помощи. Чем же хуже электронные сигналы? Часто их приходится усиливать, чтобы прибавить им сил запитать ту или иную схему. Так делают, к примеру, для вывода сигнала с микрофона на аудиоколонки, когда сигнал необходимо сначала усилить. Простейший усилитель на одном транзисторе показан на рис.

Транзистор, из которого состоит усилитель, должен находиться не в открытом или закрытом состояниях, а быть открыт только частично. Для обеспечения такого состояния транзистора на его базу подается небольшое напряжение. Эта процедура называется смещением транзистора.

В примере на рис. 7.10 для обеспечения смещения транзистора к его базе присоединены резисторы R1 и R2, включенные по схеме делителя напряжения (подробнее о делителях см. раздел "Исследование схемы делителя напряжения" выше по тексту главы).

Сопротивления подбираются таким образом, чтобы в средней точке делителя напряжение было достаточным для включения транзистора и разрешения току течь через транзистор.

При усилении сигнала переменного тока, такого как на выходе микрофона, этот сигнал должен центрироваться по уровню относительно 0 В, чтобы не изменить смещение. Для отсечения постоянной составляющей сигнала с микрофона (постоянного смещения) на входе усилительного каскада ставится фильтрующий конденсатор. Обеспечиваемый таким образом эффект иллюстрирует рис. 7.11.

Смещение базы транзистора и является основной разницей между использованием транзистора в режиме усилителя и режиме ключа. Применяя транзистор как электронный ключ, следят за тем, чтобы транзистор мог находиться лишь в одном из двух состояний: быть включенным или быть выключенным.

Для усиления же сигналов на базу подается напряжение смещения, которое позволяет транзистору находиться в частично открытом состоянии. Такое функционирование транзистора можно сравнить с работой автомобиля на холостом ходу.

Смещение базы транзистора позволяет ему отвечать на любое, даже малейшее, воздействие входного сигнала. Для включения транзистора на базу необходимо подать напряжение около 0,6 В (разность потенциалов между базой и эмиттером).

Если же транзистор не должен находиться в проводящем состоянии, то достаточно обеспечить любое входное напряжение ниже этого уровня.

При смещении же базы транзистора происходит усиление входного сигнала любой величины. Эффект от смещения транзистора изображен графически на рис. 7.12. Обратите внимание на то, что при отсутствии смещения усиливается лишь часть входного сигнала; остальная часть теряется. Смещение позволяет усиливать весь сигнал.

Два остальных резистора схемы, изображенной на рис. 7.10, — R4, включенный между эмиттером и землей, и R3 (между коллектором и питанием) — служат для контроля коэффициента усиления.

Коэффициентом усиления называют степень усиления сигнала. К примеру, если говорится, что коэффициент усиления каскада равен 10, это означает, что входной сигнал с амплитудой 1 В на выходе усилится до 10 В.