УДК 621.38 (07) ББК 31.264.53я73 Э455

Рецензент: С.И. Мурашкин, доцент кафедры ЭТКиС

Составители: Молодецкий Виктор Борисович, Архипцев Максим Геннадье- вич, Федий Константин Сергеевич

Э455 Электроника в электротехнических комплексах и системах (в задачах). Ч. 2: учеб.-метод. пособие [Электронный ресурс] / сост. В.Б. Молодецкий, М.Г. Архипцев, К.С. Федий. – Электрон.дан. – Красноярск: Сиб. федер. ун-т, 2012. – Систем.требования: PC не ниже класса Pentium I; 128 Mb RAM; Windows 98/XP/7; AdobeReader V8.0 и выше. – Загл. с экрана.

В учебно-методическом пособии в начале каждой главы даны краткие теоретиче- ские сведения и сводка необходимых формул. Наиболее подробно изложен тот материал, который меньше освещен в литературе. Характеристики некоторых приборов даны в при- ложениях. Изложенный в пособии теоретический материал сопровождается примерами расчетов, способствующих лучшему усвоению курса.

Предназначено для бакалавров укрупненной группы направления 140400 «Энерге- тика и электротехника».

УДК 621.38 (07) ББК 31.264.53я73

© Сибирский федеральный университет, 2012

Учебное издание

Подготовлено к публикации редакционно-издательским отделом БИК СФУ

Подписано в свет 01.10.2012 г. Заказ 9649. Тиражируется на машиночитаемых носителях.

Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Тел/факс (391)206-21-49. E-mail rio@sfu-kras.ru http://rio.sfu-kras.ru

Предисловие

Настоящее учебно-методическое пособие представляет собой сборник задач по курсу «Физические основы электротехники», читаемому в техниче- ских университетах и ВУЗах.

Предлагаемое учебно-методическое пособие предназначено для студен- тов изучающих электротехнику и основы электроники дневных, вечерних и заочных отделений. Для облегчения решения задач в начале каждой главы даны краткие теоретические сведения и сводка необходимых формул. Наи- более подробно изложен тот материал, который меньше освещен в литерату- ре. Характеристики некоторых приборов даны в приложениях. Изложенный в пособии теоретический материал сопровождается примерами расчетов, спо- собствующих лучшему усвоению курса.

В связи с вышеизложенным можно заключить, что данное учебно- методическое пособие «Электроника в электротехнических комплексах и системах в задачах. Часть 2», базирующегося на основах теории с преимуще- ственным акцентом на наиболее важные прикладные разделы, окажется по- лезным большинству курсов электротехнической подготовки.

Общие сведения

С целью контроля усвоения учебного материала в соответствии с учеб- ным планом, студентам предлагается выполнить расчетные задания.

Исходные данные к задачам сведены в таблицы. Они разбиты на столбцы, обозначенные символами А, В, С, и строки под номерами 0,1,2,…,9. Для выбора исходных данных необходимо определить номер строки, соот- ветствующий номеру зачетной книжки, по следующему правилу:

Номером строки в столбце А является последняя цифра номера зачет- ной книжки, в столбце В – предпоследняя цифра, а в столбце С – младший разряд суммы последней и предпоследней цифр.

Например, номер Вашей зачетной книжки: 123456. номером строки в столбце А является 6, в столбце В – 5, в столбце С – 1 (5+6=11).

Номера строк в столбцах для всех задач одинаковы. Перед текстом ре- шения первой задачи необходимо привести расчет номеров строк в столбцах по номеру Вашей зачетной книжки, а перед текстом решения каждой задачи четко выписать исходные данные.

Биполярные транзисторы и усилители на их основе

Биполярным транзистором называется электропреобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий в своей структуре два взаимодейст- вующих p-n-перехода и три внешних вывода, и предназначенный, в частно- сти, для усиления электрических сигналов. Термин “ биполярный” подчерки- вает тот факт, что принцип работы прибора основан на взаимодействии с электрическим полем частиц, имеющих как положительный, так и отрица- тельный заряд, - дырок и электронов. В дальнейшем для краткости будем его называть просто - транзистором.

K

Рис . 1 – Структура транзистора

Структура транзистора, изготовленного по диффузионной технологии, приведена на рис . 1. Как видно из рисунка, транзистор имеет три области полупроводника, называемые его электродами, причем две крайние области имеют одинаковый тип проводимости, а средняя область - противополож- ный. Структура транзистора, приведенная на рис.1, называется n-p-n- структурой. Электроды транзистора имеют внешние выводы, с помощью ко- торых транзистор включается в электрическую схему. Одна из крайних об- ластей транзистора, имеющая наименьшие размеры, называется эмиттером (Э). Она предназначена для создания сильного потока основных носителей заряда (в данном случае электронов), пронизывающего всю структуру при- бора (рис 1). Поэтому эмиттер характеризуется очень высокой степенью ле- гирования (Ndэ = 10 20 см -3 ). Другая крайняя область транзистора, на- зываемая коллектором (К), предназначена для собирания потока носителей, эмиттируемых эмиттером. Поэтому коллектор имеет наибольшие размеры среди областей транзистора. Легируется коллектор значительно слабее эмит- тера (подробнее вопрос о выборе концентрации атомов примеси в коллекторе рассмотрен ниже). Средняя область транзистора называется базой (Б). Она предназначена для управления потоком носителей, движущихся из эмиттера в коллектор. Для уменьшения потерь электронов на рекомбинацию с дырка- ми в базе ее ширина Wб делается очень маленькой ( Wб << Ln), а степень леги- рования - очень низкой - на 3...4 порядка ниже , чем у эмиттера (Nаб << Ndэ.

Между электродами транзистора образуются p-n-переходы. Переход, разде- ляющий эмиттер и базу, называется эмиттерным переходом (ЭП), а переход, разделяющий базу и коллектор, - коллекторным переходом (КП). С учетом резкой асимметрии эмиттерного перехода (Ndэ >> Nаб) он характеризуется од- носторонней инжекцией: поток электронов, инжектируемых из эмиттера в базу, значительно превосходит встречный поток дырок, инжектируемых из базы в эмиттер.

Режимы работы транзистора

В зависимости от того, в каких состояниях находятся переходы транзи- стора, различают режимы его работы. Поскольку в транзисторе имеется два перехода (эмиттерный и коллекторный), и каждый из них может находиться в двух состояниях (открытом и закрытом), различают четыре режима работы транзистора. Основным режимом является активный режим, при котором эмиттерный переход находится в открытом состоянии, а коллекторный - в за- крытом. Транзисторы, работающие в активном режиме, используются в уси- лительных схемах. Помимо активного , выделяют инверсный режим, при ко- тором эмиттерный переход закрыт, а коллекторный - открыт, режим насы- щения, при котором оба перехода открыты, и режим отсечки, при котором оба перехода закрыты.

Наряду с транзисторами n-p-n- структуры, существуют транзисторы с симметричной ей p-n-p-структурой, в которых используется поток дырок. Условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов, используемые в электри- ческих схемах, приведены на рис.2.

Рис.2 – Условные обозначения n-p-n- и p-n-p-транзисторов

Стрелка на выводе эмиттера показывает направление эмиттерного тока в активном режиме. Кружок, обозначающий корпус дискретного транзисто- ра, в изображении бескорпусных транзисторов, входящих в состав инте- гральных микросхем, не используется. Принцип работы n-p-n- и p-n-p- транзисторов одинаков, а полярности напряжений между их электродами и направления токов в цепях электродов противоположны. В современной