4. Фотодиод – имеет p-n-переход доступный действию света (излучения).

УГО фотодиода показано на рисунке 11.

Фотодиод работает на основе внутреннего фотоэффекта – это явление образования пар: свободный электрон + дырка, под действием света.

Существует два способа включения:

- Фотодиодный – фотодиод включается последовательно с нагрузкой в обратном включении к источнику питания, следовательно, в отсутствии света ток нагрузки стремится к 0. При действии света образуется носители заряда, чем больше световой поток, тем больше фототок.

- фотогольвонический способ включения – включается последовательно с нагрузкой без источника тока и выполнят роль источника тока. Механизм образования разделения носителей заряда по знаку показан на рисунке 13.

Под действием света образуется пары: свободные электроны – дырки, которые электрическим полем перехода(E_пер) разделяются , в результате в р-области накапливаются дырки (+), в n-области накапливаются электроны (-). Возникающая фотоЭДС зависит от рода полупроводника. Например, у кремниевых фотодиодов фотоЭДС примерно равна 0,7 В. По этому же принципу работают солнечные батареи.

Фотодиоды применяются как датчики преобразования действия света в изменение электрических параметров цепи. Пример: автоматическое открытие двери под управлением фотореле.

6) Туннельный диод.

Рис.13

Туннельный диод выполняется на выраженных полупроводниках, поэтому толщина p-n-перехода очень мала. В результате ,туннельный диод работает в диапазоне СВЧ.

Принцип включения и основное свойство

При прямом включении ВАХ имеет N-образный, поэтому туннельный диод применяется для генерации или усиления электрический колебаний СВЧ.

Рис.14

На участке В-Б, при уменьшении напряжения ток увеличивается, т.е. туннельный диод ведет себя подобно источнику тока.

Разновидность туннельного диода – обращенный диод. Основное свойство: не имеет n-образного участка характеристики, но при напряжении до 0,1 В I_об >> I_пр. Обращенный диод так же применяется в диапазоне в качестве преобразовательного диода.

Рис.15

3. Транзисторы – это полупроводниковый прибор имеющий два p-n-перехода и три вывода и применяется для усиления или генерации электрических колебаний.

Классификация транзисторов:

1. По исходному материалу:

   0. Германиевый ;

   1. Кремниевый ;

   2. Индиевый ;

   3. Арсенит галлиевый.

2. По рассеиваемой мощности:

   0. Маломощные;

   1. Средней мощности;

   2. Большой мощности.

3. По диапазону рабочих частот:

   0. Низкочастотные;

   1. Средней частоты;

   2. Высокочастотные;

4. По технологии изготовления:

   0. Сплавные (плавить);

   1. Диффузные;

   2. Планарные;

   3. Эпитаксиальные;

   4. Конверсионные;

5. По принципу действия:

5.1 Биполярные транзисторы;

5.2 Полевые транзисторы;

5.3 Однопереходные транзисторы;

Биполярные транзисторы (Б.Т.)

Б.Т. – это кристалл полупроводника с тремя областями, чередующийся примесной проводимостью и тремя выводами, применяемый для усиления или генерации электрических колебаний.

Устройство транзистора

При нагревании до 500⁰С индий (In) плавится, проникает в германий (Ge) и создает p-области. На рисунке 16 обозначены:

Э – эмиттер;

К – коллектор;

Б – база.

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же коллектор отличается от эмиттера, главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Виды и обозначения Б.Т.

1. Б.Т. типа p-n-p

Рис.17

2. Б.Т. типа n-p-n

Рис.18

Принцип включения:

p-n переход база-эмитер всегда включается в прямом направлении, база-коллектор в обратном.

Схема включения и работа

Рис.19

1. цепь б-э разомкнута (Iэ=0) следовательно Iк=Iк₀ – очень мал т.к. это ток обратного включения p-n-перехода.

2. цепь б-э замкнута (Iэ ≠0). Под действием источника Е1 дырки из эмиттера входят в базу и за счет диффузии доходят до коллекторного перехода, где мощное поле источника Е2 втягивает их в коллектор, создавая ток коллектора, поэтому Iэ=Iк+Iб, при чем Iб<<Iк – т.к. база мала по размерам, с малой концентрацией примеси.

Основное свойство Б.Т.

Ток эмиттера I_Э, а значит и Iк и Iб заметно зависит от напряжения Uб-э.

Коэффициент α, связывающий ток эмиттера и ток коллектора (I_к = α I_э) называется коэффициентом передачи тока эмиттера. Численное значение коэффициента α = 0.9 ÷ 0.999.

Чем больше коэффициент, тем эффективней транзистор передаёт ток. Этот коэффициент мало зависит от напряжения коллектор-база и база-эмиттер. Поэтому в широком диапазоне рабочих напряжений ток коллектора пропорционален току базы, коэффициент пропорциональности равен β = α / (1 − α) =(10 ÷ 1000).

Таким образом, изменяя малый ток базы, можно управлять значительно большим током коллектора.

Усилительные свойства Б.Т.

Небольшое входное напряжение создает заметный ток эмиттера, который проходит в коллектор (Iк≤ Iэ), работа тока Iк в нагрузке (Rн) обеспечивает мощный источник Е2.

Uвх≈Е1,

Uвых=Iк*Rн≈Е2,

При Е1<<Е2 Uвых>>Uвх .

Три схемы включения Б.Т.

Входная и выходная цепь имеет 2+2=4 вывода, а контактов у транзистора – 3, следовательно, один вывод при включении будет общим. Существует три схемы включения биполярного транзистора:

• схема включения БТ с общей базой (ОБ);

• схема включения БТ с общим коллектором (ОК);

• схема включения БТ с общим эмиттером (ОЭ).

Для всех схем включения:

Ток, проходящий через источник входного напряжения, называется входным током - Iвх, а так же проходит через Rн называется выходным током - Iвых.

Рассмотрим свойства схем включения.

1. Схема включения БТ с общей базой (ОБ)

Рис.20

В схеме с ОБ:

1. Iвх=Iэ, Iвых=Iк. Iвх≥Iвых, следовательно схема с ОБ не усиливает ток;

2. Uвх≈Е1, Uвых≈Е2, при Е2>>E1, следовательно Uвых>>Uвх. Схема с ОБ заметно усиливает напряжение до 100 раз;

3. Iвх = Iэ – наибольший ток, следовательно входное сопротивление наименьшее в схеме с ОБ (до 100 Ом для маломощных транзисторов);

4. Два разных источника напряжения питания;

5. Хорошие температурные и частотные свойства (f_гр – наибольшая).

2. Схема включения БТ с общим коллектором (ОК)

Рис.21

Схема с ОК:

1. Iвх=I_Б, Iвых=I_Э. Iвх <<Iвых, следовательно схема с заметно усиливает ток до 100 раз.

2. Uвых≤Uвх т.к. Uвх через открытый p-n-переход Б-Э действует в нагрузке, схема с ОК повторяет напряжение на выходе.

3. В схеме с ОК Rвх наибольшее (до 10 кОм) т.к. ток входа идет через закрытый p-n переход Б-К.

4. Схему с ОК называют эмиттерный повторитель, т. к. нагрузка включается к эмиттеру и схема повторяет U_вх на выходе.

3. схема включения БТ с общим эмиттером (ОЭ)

Рис.22

+ -

Схема с ОЭ:

1. Iвх=Iб, Iвых=Iк, следовательно Iвых>>Iвх., значит: схема с ОЭ заметно усиливает ток до 100 раз;

2. Uвх ≈ Е1, Uвых ≈ Е2, следовательно, при Е2>>E1 → Uвых>>Uвх. Схема с ОЭ заметно усиливает напряжение до 100 раз;

3. Значит схема с ОЭ больше других усиливает мощность до 10000 раз, поэтому чаще других применяется в усилителях;

4. Можно обойтись одним источником питания.

Как определить схему включения транзистора?

Достаточно определить на какой вывод транзистора подается напряжение Uвх или ток Iвх , с какого вывода снимается напряжение Uвых или ток Iвых .

Характеристики транзисторов

Характеристика любого прибора показывает связь двух или более параметров.

Для БТ различают два вида характеристик:

1. Входная характеристика

I₁=f (U₁), при U₂=const для схемы с ОЭ. Iб= f (U_бэ), при Uкэ=const – это зависимость тока базы от Uбэ при Uкэ постоянной.

Рис.23

U_КЭ≠0

При Uкэ≠0 в цепи базы проходит дополнительный ток I_Б0 за счет Е2, направленный против основного тока базы и уменьшающий его. Поэтому характеристика смещена в право.

2. Выходная характеристика.

I₂=f (U₂), при I₁=const для схемы с ОЭ. Iк=f (Uкэ), при Iб – const

Пример выходной характеристики

Рис.24

Iк почти не зависит от напряжения к-э, т.к. это ток обратного включения p-n перехода. Iк заметно зависит от Iб.

На семействе выходных характеристик можно выделить три области, которые соответствуют определенному состоянию транзистора.

I – область отсечки – оба p-n перехода закрыты.

II – область насыщения – оба p-n перехода открыты.

III – активная область - p-n переход б-э открыт, б-к закрыт.

Параметры транзисторов

Система h параметров

1. h₁₁=∆U₁/∆I₁, при U₂ – const

h₁₁ – входное сопротивление (Rвх) [Ом], для схемы с ОЭ: h_11оэ=∆Uбэ/∆Iб, при Uкэ= const

2. h₁₂=∆U₁/∆U₂, I₁-const - коэффициент обратной связи по напряжению,

Для схемы с ОЭ: h_12оэ=∆Uбэ/∆Uкэ, Iб=const

3) h₂₁=∆I₂/∆I₁, U₂-const - коэффициент передачи тока (для ОБ h_21ОБ=α, для ОЭ h_21ОЭ = β),

Для схемы с ОЭ: h_21оэ=∆I_K/∆I_Б, U_КЭ=const

4) h₂₂=∆I₂/∆U_2, I₁-const - выходная проводимость транзистора, измеряется в [См] (сименс).

Для схемы с ОЭ: h_22оэ=∆I_K/∆U_КЭ, I_Б=const

Кроме h-параметров в справочниках указывают предельное значение: Uбэ_мах, Uкэ_мах, Uкб_мах, Iб_мах, Iк_мах, I_{Э max}.

Наибольшая мощность рассеивания на коллекторе - P_{к мах}.

Граничная частота f_гр – это частота, при которой h_21оэ=1.

Обычно транзисторы используются на частоте 0,1*f_гр.

f_{гр ОБ} > f_{гр ОК} > f_{гр ОЭ}

Полевые транзисторы

Полевой, униполярный, канальный транзистор – это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлено движением основных носителей заряда в канале, управляемый электрическим полем затвора.

Классификация полевых транзисторов (П.Т.)

2 основных вида:

1) П.Т. с затвором в виде p-n перехода или П.Т. с управляющим p-n переходом.

2) П.Т. с изолированным затвором:

2.1) П.Т. с изолированным затвором и встроенным каналом

2.2) П.Т. с изолированным затвором и индуцируемым каналом.

Каждый из транзисторов может иметь p-канал и n-канал.