25. Импульсные диоды. Переходные процессы в электронно-дырочном переходе. Этап установления прямого напряжения.

1) Импульсный диод имеет малую длительность переходных процессов и предназначен для применения в импульсных режимах работы, от выпрямительного диода отличается малыми ёмкостями переходов

Импульсные режимы – это такие режимы, когда диоды переключаются с прямого напряжения на обратное через короткие промежутки времени, порядка долей микросекунды, при этом важную роль играют здесь переходные процессы. Основное назначение импульсных диодов – работа в качестве коммутирующих элементов.

Основные параметры:

- общая ёмкость диода С_д=0.1 – 0.5 пФ

- максимальное импульсное прямое напряжение U_{пр и max}

- максимальный допустимый импульсный ток

- величина заряда переносимого обратным током с заданного прямого на заданное обратное напряжение Q_пк

- время установления прямого напряжения t_уст

- время восстановления обратного сопротивления t_восст

2) Основой полупроводниковых устройств является электронно-дырочный переход (p-n переход). Это переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая – n-типа. P-n переход получают в едином кристалле полупроводника путем легирования его донорной и акцепторной примесями. Электроны попадая в р-область рекомбинируют с дырками и их концентрация быстро падает. Аналогично дырки переходят в n-область и тоже рекомбинируют с электронами. В силу этого имеет место ток диффузии направление которого совпадает с направлением диффузии дырок I _диф = I_p диф + I_n диф

Вследствии диффузии основных носителей в их областях остается нескомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси. Таким образом, вблизи границы раздела образуется переходный слой из противоположных по знаку зарядов. Они создают электрическое поле, направленное от положительных доноров к отрицательным акцепторам, т.е. от n-области к p-области. Между p и n областями создается разность потенциалов U_кн, которая называется контактной. Это поле препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область , создавая потенциальный барьер. Это, в свою очередь, препятствует выравниванию концентраций носителей по объему кристалла. Поскольку в объеме кристалла имеются неосновные носители (дырки в n-области и электроны в p-области) электрическое поле p-nперехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область (электронов – в n-область, дырок – в p-область).

(3 пункт чуть выше(отдельно))

26. При резком изменении тока через р-n-переход (или напряжения, подаваемого на р-n-переход) напряжение на нем (или ток, протекающий через него) устанавливается в течение определенного времени. Такой переходный процесс обусловлен инерционностью явлений в р-n-переходе при переключении, которые в основном обусловлены:

— накоплением и рассасыванием неосновных носителей в базе;

— перезарядкой барьерной емкости;

— изменением заряда поверхностных состояний.

При высоком уровне инжекции основную роль в переходных процессах играет процесс накопления и рассасывания неосновных носителей в базе диода.

Рассмотрим процесс переключения р⁺-n диода, работающего при высоком уровне инжекции, при подаче на него идеальных прямого и обратного импульсов напряжения (генератор напряжения) (рис.1.14).

При подаче на диод прямого напряжения ток через диод устанавливается не сразу (см. рис.1.14), так как с течением времени происходит накопление в базе инжектированных через р-n-переход неосновных носителей. В первый момент величина тока будет определяться в основном количеством примеси в базе, т.е. технологией изготовления диода. Дальнейший рост тока связан с модуляцией сопротивления базы: процессами накопления неосновных носителей в базе и основных, поступающих из вывода базы для обеспечения ее электронейтральности. Сопротивление базы падает, ток через диод растет. В момент времени t₂ процесс стабилизируется. В установившемся состоянии ток дырок, инжектированных в базу, равен току дырок, рекомбинирующих в базе. Поэтому стационарное значение заряда дырок в базе

В первый момент после переключения диода с прямого напряжения на обратное наблюдается большой обратный ток, т.к. для неосновных носителей, накопленных в базе, суммарное электрическое поле в ОПЗ является ускоряющим и величина обратного тока ограничивается только внешним сопротивлением (рис.1.14, в, г).

Рисунок 1.14 – Характеристики переходных процессов диода, работающего при высоком уровне инжекции, в режиме генератора напряжения:

а) – изменение напряжения на диоде;

б) – изменение напряжение на ОПЗ р-n-перехода;

в) – изменение тока, протекающего через р-n-переход;

г) – энергетическая зонная диаграмма, поясняющая протекание максимального обратного тока  в первый момент после переключения.

После переключения диода на обратное напряжение начинается процесс рассасывания неосновных носителей, в свое время накопленных в базе. Из-за ограничения обратного тока концентрация дырок в базе не может мгновенно уменьшиться до равновесного значения. До тех пор пока концентрация дырок в базе около р-n-перехода превышает равновесное значение (время t₄), на ОПЗ р-n-перехода сохраняется прямое падение напряжения (рис.1.14, б). С момента времени t₄ напряжение на ОПЗ р-n-перехода меняет знак, сопротивление перехода резко возрастает, а ток через диод начинает уменьшаться (рис.1.14, в) промежуток времени t₄…t₅).

Таким образом, весь переходный процесс переключения диода делится на две фазы: начальную, в течение которой p_nгр> p_n0, Uj> 0, ток диода ограничен внешней цепью и остается постоянным, и заключительную, в течение которой обратный ток падает практически до нуля (точнее, до установившегося значения обратного тока). Первую фазу t_n называют фазой высокой обратной проводимости, вторую t_c— фазой спада обратного тока.

Сумма времени t_n + t_c = t_восст определяет один из основных параметров импульсных диодов — время восстановления обратного сопротивления (обратного тока) диода.

Рассмотрим переходные процессы при прохождении через диод прямого импульса тока большой амплитуды (рис.1.15).

Рисунок 1.15 – Характеристики переходных процессов диода, работающего  при высоком уровне инжекции в режиме генератора тока:

а) – импульс прямого тока;

б) – напряжение на ОПЗ p-n-перехода;

в) – напряжение на базе р-n-перехода;

г) – напряжение на диоде p-n-перехода.

27. Полупроводниковый стабилитрон — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режиме пробоя. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов.

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения. Полупроводниковый стабилитрон — это диод, предназначенный для работы в режиме пробоя на обратной ветви ВАХ. В диоде, к которому приложено обратное, или запирающее, напряжение, возможны три механизма пробоя: туннельный пробой, лавинный пробой и пробой вследствие тепловой неустойчивости — разрушительного саморазогрева токами утечки. Тепловой пробой наблюдается в выпрямительных диодах, особенно германиевых, а для кремниевых стабилитронов он не критичен. Стабилитроны проектируются и изготавливаются таким образом, что либо туннельный, либо лавинный пробой, либо оба эти явления вместе возникают задолго до того, как в кристалле диода возникнут предпосылки к тепловому пробою.

Туннельный пробой возникает в полупроводнике только тогда, когда напряжённость электрического поля в p-n-переходе достигает уровня в 10 В/см. Такие уровни напряжённости возможны только в высоколегированных диодах (структурах p⁺-n⁺-типа проводимости)

В диодах с меньшими уровнями легирования, или меньшими градиентами легирующих примесей, и, как следствие, бо́льшими напряжениями пробоя наблюдается лавинный механизм пробоя. Он возникает при концентрациях примесей, примерно соответствующих напряжению пробоя в 4E_G, а при напряжениях пробоя выше полностью вытесняет туннельный механизм. Напряжение, при котором возникает лавинный пробой, с ростом температуры возрастает.

Основные параметры стабилитрона:

1. Напряжение стабилизации

2. Минимальный ток стабилизации

3. Максимально допустимый ток стабилизации

4. Максимально допустимый прямой ток

Схема Включения

28. Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзисторов. В полупроводниковой структуре сформированы 2 p-n-перехода и перенос заряда в приборе осуществляется носителями 2 видов — электронами и дырками.

Принцип действия основан на создании транзитного потока носителей заряда из эмиттера в коллектор и управления выходным током (коллекторного) за счет входного (эмиттерного).

Физ. процессы:

1. Один переход влияет на другой - транзистор работает, это возможно при L_диф>>W_б (диф. длина много больше ширины базы)

2. База всегда электронейтральна!!!

3. R_эм<R_к (всегда много меньше). Для того чтобы инжекция проходила в одну сторону.

4. Распределение потока: при приложение прямого напряжения высота барьера уменьшается и дырки переходят в область базы. 

Входная ВАХ:

30. Эффект модуляции толщины базы:

Т.к. эмиттерный переход смещен в прямом направле­нии, его ширина мала и изменение этой ширины при изменении не имеет существенного значения. Коллекторный переход смещен в обратном направлении и имеет большую ширину. Поэтому измене­ние ширины перехода при изменении напряжения Uk играет важную роль для работы p-n-p - структуры.

Поскольку коллекторный переход в основном сосредоточен в базе, (как более высокоомной области), то приращения его ширины вызывают практически равные им приращения толщины базы W. В результате получается зависимость: W=f(U_k), которую называют модуляцией толщины базы.

Эффект модуляции толщины базы оказывает влияние на работу р-n-р - структуры следующим образом:

1. Изменение толщины базы влияет на ту долю инжектированных носителей заряда (дырок), которая доходит до коллектора, избежав рекомбинации. Чем меньше толщина базы, тем больше эта доля, т.е. при неизменном токе эмиттера модуляция толщины базы приводит к изменениям тока коллектора.

2. Модуляция толщины базы сопровождается изменением за­ряда дырок в базе, т.е. имеет место зависимость заряда (в базе) от коллекторного напряжения б=f(u_k), следовательно (обратносмещённый) коллекторный переход обладает диффузионной емкостью дополнительно к обычной барьерной.

3. Модуляция толщины базы меняет время диффузии дырок через базу, тем самым напряжение u_к влияет на частотные свой­ства транзисторной структуры.

Увеличение по модулю напряжения U_k ведёт к уменьше­нию толщины базы. А это приводит к увеличению градиента концентрации дырок в базе: grad Р = dp/dx.

Следовательно, при изменении напряжения на коллекторе происходит изменение тока эмиттера, что, в свою очередь ведет к изменению напряжения на эмиттере. Другими словами: в транзисторной структуре с двумя взаимодействующими перехо­дами существует внутренняя обратная связь по напряжению.

4. Пробой перехода может происходить не только в результате лавинной ионизации, но и в результате сужения базы ввиду мо­дуляции её толщины. Если коллекторный переход расширится настолько, что ширина базы сделается равной нулю, то переходы транзистора сомкнутой, и ток будет беспрепятственно проходить из эмиттера в коллектор, т.е. наступит пробой. Такой эффект называют эффектом смыкания.

29.

 - показывает, какую часть составляет полезный ток инжекции электронов из эмиттера в базу в полном токе эмиттера, где I_ЭР –дырочная компонента эмиттерного тока и I_ЭN-электронная компонента эмиттерного тока

 - показывает какая часть электронов инжектируемых из эмиттера в базу, достигает коллекторного перехода

Iэп значительно меньше чем Iэр. γ=Iэр/(Iэр+Iэп)=Iэр/Iэ. γ>0.95 и выше. База всегда электрически нейтральна.

Активный режим:

Uкб<0 

Iко = Iкбо (тепл. ток примерно = обр. току)

С учетом этих усл формулы имеют вид:

Режим насыщения:

Характеризуетсяся Iк за счет встречной инжекции НЗ со стороны К в Б.

Область насыщения – второй квадрант, т.к. Uкб=Uвнеш + . Если Uвнеш=0, дырки все еще переходят. Когда Uвнеш = - , т.е. скомп.  при изменении на «+» знака Uкб.

Режим отсечки:

Оба перехода в обр. направлении

 

Iэ = 0  Iк = Iкб: ток коллектора и его характеристики = ВАХ p-n-перехода

В этом режиме сопротивления очень велики, а токи – малы.

Инверсное включение транзистора:

Режим работы транзистора, при котором коллекторный переход смещен в прямом направлении, а эмиттерный – в обратном, называется инверсным. В этом случае коллектор играет роль эмиттера, а эмиттер – коллектора.

На рис. показан примерный вид выходных ВАХ транзистора с ОЭ в прямом (первый квадрант) и обратном включениях (третий квадрант), откуда видно, что при инверсном включении обычный транзистор имеет меньший коэффициент передачи тока базы как в статическом, так и в динамическом режимах.

31.

Входные ВАХ транзистора с общей базой:

Сдвиг характеристик влево при увеличении напряжения u_КБ обусловлен так называемым эффектом модуляции толщины базы, заключающимся в увеличении обратного напряжения u_КБ коллекторный переход расширяется, причем в основном за счет базы. При этом толщина базы как бы уменьшается, уменьшается ее сопротивление, что приводит к уменьшению падения напряжения u_БЭ при неизменном входном токе.

1)Режим отсечки-оба перехода смещены в обратном направлении и через транзистор проходят малые токи

2)Режим насыщения- оба перехода смещены в прямом направлении. Через транзистор при этом проходят сравнительно большие токи.

3)Активный режим- эмиттерный переход смещен с прямом направлении, коллекторный переход смещен в обратном направлении. В этом режиме наиболее эффективно осуществляется управление током.

40. МДП-транзисторы со встроенным каналом. Принцип действия, вольт-амперные характеристики, режимы работы.

Полевой транзистор с изолированным затвором

У таких транзисторов между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика - МДП-транзисторы (металл - ди­электрик - полупроводник), частный случай - окисел кремния - МОП-транзисторы.

Принцип действия МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля. Приповерхностный слой полупроводника является токопроводящим каналом этих транзисторов.

При приложении положительного напряжения к затво­ру электрическое поле притягивает электроны из подлож­ки, они скапливаются в области канала, сопротивление ка­нала уменьшается и ток стока растет (режим обогащения) (рис. 23, в при Uси >0).

При отрицательном напряжении на затворе электриче­ское поле выталкивает электроны из канала в подложку, сопротивление канала увеличивается и ток стока падает (ре­жим обеднения). Поскольку затвор изолирован от остальной цепи, малый ток затвора I3 вызывается только утечкой по изоляции. Мощность управляющей цепи МДП-транзистора практически равна нулю.

Рисунок 23 - МДП-транзистор со встроенным каналом n-типа (а);

семейство стоковых характеристик (б); стоко-затворная характеристика (в)

Изобразим выходные характеристики МДП-транзистора (встроенный p-канал) типа (рис. 1.100) и его стокозатворную характеристику (рис. 1.101).

33. В качестве малосигнальных моделей могут быть использованы эквивалентные схемы с дифференциальными h-, у- и z-параметрами, которые имеют формальный харак­тер и в которых отсутствуют непосредственная свя­зь с физической структурой транзистора.

Широкое распространение нашли эквивалентные схемы с так называемыми физи­ческими параметрами, которые опираются на нелинейную дина­мическую модель Эберса - Молла, т.е. тесно связаны с физичес­кой структурой биполярного транзистора.

Малосигнальную схему БТ легко получить из нелинейной ди­намической модели заменой эмиттерного и коллекторного диодов их дифференциальными сопротивлениями, устанавливающими связь между малыми приращениями напряжения и тока. Кроме то­го, в усилительных схемах используется либо нормальный актив­ный, либо инверсный активный режим, а режим насыщения недо­пустим..

Рисунок 33. Эквивалентная схема БТ при включении его с ОБ.

34. Биполярный транзистор в схемотехнических приложениях представляют как четырехполюсник и рассчитывают его параметры для такой схемы.Для транзистора как четырехполюсника характерны два значения тока I₁ и I₂ и два значения напряжения U₁ и U₂ (рис.34)

Система h-параметров используется как комбинированная система из двух предыдущих, причем из соображений удобства измерения параметров биполярного транзистора выбирается режим короткого замыкания на выходе (U₂ = 0) и режим холостого хода на входе ( I₁ = 0). Поэтому для системы h-параметров в качестве входных параметров задаются ток I₁ и напряжение U₂, а в качестве выходных параметров рассчитываются ток I₂ и напряжение U1, при этом система, выглядит следующим образом: U₁ =h₁₁ I₁+h₁₂I₂. Значения коэффициентов в уравнении для h-параметров имеют следующий вид:

35. полевой транзистор – п/п прибор, управление током в котором осуществляется изменением проводимости канала под воздействием электрического поля перпендикулярного по направлению тока. НЗ – либо электроны, либо дырки.  Классификация: С управляющим переходом- p-n переход или барьер Шотки, с изолированным затвором (МДП)-со встроенным каналом, с индуцированным каналом  (нарисовать первую схему 33 вопр)

36. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Принцип действия. Напряжение отсечки. Напряжение насыщения.

Полевыми транзисторами (ПТ) называются полупроводниковые приборы, которые управляются электрическим полем, т.е. практически без затраты мощности управляющего сигнала. В англоязычной литературе эти транзисторы называют транзисторами типа FET (Field Effect Transistor).

Полевой транзистор с управляющим р–n переходом представляет собой

транзистор, затвор которого отделен от канала p–n переходом.

Принцип работы основан на изменении сопротивления активного слоя (канала) путем расширения p-n-перехода при подаче на него обратного напряжения. Наиболее характерной чертой полевых транзисторов является высокое входное сопротивление, т.к. ток затвора мал, поэтому они управляются напряжением. При Uзи = 0 сопротивление канала минимально.  , где  – удельное сопротивление полупроводника; l, w – длина и ширина канала соответственно, h – расстояние между металлургическими границами n-слоя. Чем больше обратное напряжение на затворе Uзи, тем шире p-n-переходы и тоньше канал. При некотором напряжении затвора канал полностью перекрывается. Это напряжение называется напряжением отсечки Uзи отс.

При подаче на сток положительного напряжения Uси в канале возникает ток Ic и вдоль канала появляется падение напряжения Uх, величина которого зависит от расстояния до истока. Это приводит к возникновению напряжения, запирающего p-n-переход между стоком и затвором Uсз, толщина канала становится переменной. Поскольку |Uсз| > |Uзи|, то канал сильнее сужается вблизи стока. При некотором напряжении Uси = Uси нас – канал перекрывается. Сопротивление канала при этом Rк н ¹ 0, оно больше начального Rк 0, и под действием напряжения насыщения через канал проходит максимальный ток Iс макс = Uси нас/Rк н.

37. Полевые транзисторы с управляющим р-п переходом. Выходные и передаточные характеристики.

Рис.3 Выходная (стоковая) характеристика полевого транзистора с каналом n-типа

Выходной (стоковой) характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость Iс=f(Ucи) при Uзи=const (рис.3).

Они показывают, что с увеличением uси ток ic сначала растет довольно быстро, а затем это нарастание замедляется и почти совсем прекращается, т.е. наступает явление, напоминающее насыщение. Это объясняется тем, что при повышении uси ток должен увеличиваться, но т.к. одновременно повышается обратное напряжение на p-n-переходе, то запирающий слой расширяется, канал сужается, т.е. его сопротивление растет, и за счет этого ток ic должен уменьшиться. Таким образом, два взаимно противоположных воздействия имеют место на ток, который в результате остается почти постоянным.

При подаче большого по абсолютному значению отрицательного напряжения на затвор ток ic уменьшается, и характеристика проходит ниже. Повышение напряжения стока в конце концов приводит к электрическому пробою p-n-перехода, и ток стока начинает лавинообразно нарастать, что показано на рис.3 штриховыми линиями. Напряжение пробоя является одним из предельных параметров полевого транзистора.

Работа транзистора обычно происходит на пологих участках характеристик, т.е. в области, которую часто не совсем удачно называют областью насыщения. Напряжение, при котором начинается эта область, иногда называют напряжением насыщения, а запирающее напряжение затвора иначе еще называется напряжением отсечки.

Передаточная (стоко-затворная) характеристика.

Рис.4 Передаточные характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом

Передаточной характеристикой полевого транзистора называется графически выраженная зависимость Ic=f(Uзи) при Uси=const (рис.4). При Uзи=0 ток Ic достигает максимального значения, т.к. в данном случае ширина канала максимальна, а сопротивление минимально. С ростом Uобр при неизменном Uси уменьшается ток Ic.

При Uзи=Uзи отс канал перекрывается, ток Ic становится близким к нулю. Однако при этом в цепи течет незначительный ток неосновных носителей заряда. При тех же значения напряжения Uзи, но разных напряжениях Uси ток Ic меняется мало, что объясняется тем, что напряжения Uси берутся при насыщении тока Ic.

38. Эффект модуляции длины канала. Дифференциальные параметры полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.

Эффект модуляции длины канала состоит в том, что при напряжении сток-исток (пологая област ВАХ) повышение напряженияведет к уменьшению эффективной длины канала, т.е. длины участка, на котором продольное электрическое поле остается меньше критической величины.

На рис. 2.6 изображена структура области канала, использованная при построении модели прибора, имеющего выходное сопротивление конечной величины при насыщении тока. На этом рисунке видны две основные особенности структуры:

1) обедненный слой простирается в область канала, и толщина этого слоя зависит от напряжения на стоке;

2) падение напряжения на участке канала, начинающемся от истока, в первом приближении не зависит от потенциала стока.

Ранее указывалось, что напряжение на канале имеет тенденцию оставаться постоянным и равным V3-Vпор. Любая разность между потенциалом стока и падением напряжения на канале оказывается приложенной к обедненному слою у поверхности полупроводника (длина этого слоя L’). Падение напряжения на этой области равно Vs -( V3 — Vпор).

Рис. 2.6. Схематическая модель структуры области канала: А—напряжение Vs на стоковом конце обедненного слоя; Б—напряжение Vs -( V3 — Vпор) на обедненном слое у поверхности между каналом и стоком; LТ — полная длина канала от истока до стока; L’ — расстояние от точки перекрытия канала до стока; LТ — L’ — эффективная длина канала

Величины, связывающие малые приращения токов и напряжений называются дифференциальными параметрами. Критерием малости изменений токов и напряжений является линейность связи между ними, следовательно, дифференциальные параметры не зависят от амплитуды переменных составляющих токов и напряжений. Поэтому, ко- гда транзистор работает в линейном режиме, для расчетов удобнее пользоваться не ха- рактеристиками, а параметрами. Представим транзистор в виде четырехполюсника, на входе которого действуют ток Đ 1 и напряжение Ú1 , а на выходе ток Đ 2 и напряжение Ú2 (Рис.7)

32.

.

Коэффициент α/(1-α) называется коэффициентом усиления по току биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером. Коэффициент передачи тока для транзистора β показывает, во сколько раз изменяется ток коллектора I_К при изменении тока базы I_Б. При значениях коэффициента передачи α=0,98÷0,99 коэффициент усиления тока базы будет лежать в диапазоне β=50÷100

39. Температурные зависимости параметров полевого транзистора. Инерционные свойства.

Характеристики и параметры полевых транзисторов подвержены влиянию температуры окружающей среды. Изменения температуры приводят к изменению контактной разности потенциалов n — р-перехода и подвижности носителей заряда, что вызывает температурную нестабильность тока стока Ic, напряжения отсечки Uзи отс, порогового напряжения, крутизны транзистора и обратного тока затвора. С повышением температуры уменьшаются , глубина проникновения n — р-переходов в пластину р-полупроводника (см. рис. 1.1) и со-противление канала, что должно привести к увеличению тока стока. С другой стороны, с увеличением температуры уменьшается подвижность носителей (дырок в рассматриваемом случае), что приводит к уменьшению тока стока. Результирующее изменение тока стока может быть как положительным, так и отрицательным. В итоге появляются условия, при которых ток стока не будет изменяться с изменением температуры.

На рис. 1.14,а показано семейство характеристик прямой передачи полевого транзистора при различных температурах, имеющее веерообразный характер: ток стока с увеличением температуры уменьшается, и температурный коэффициент тока стока оказывается отрицательным.

Для зависимости Iс=f(Uзи), показанной на рис. 1.14,б, температурный коэффициент тока стока отрицателен, если Uзи<U0зи, и положителен, если Uзи>U0зи. Величина тока стока при напряжении U0зи, практически не зависит от температуры окружающей среды. Точка на характеристике прямой передачи, соответствующая U0зи, называется термостабильной точкой, ток в ней — термостабильным током. Режим термостабильного тока может использоваться в усилителях, но следует иметь в виду, что крутизна в этой точке мала и зависит от температуры. Из этого не следует делать вывод о возможности получения абсолютной температурной стабильности выходного тока транзистора, так как ток затвора, являющийся током обратносмещенного в n— р- перехода, принципиально зависит от температуры, что приводит к нестабильности смещения на затворе и, следователь-но, к нестабильности тока стока.

Напряжение теплового сдвига характеристик (см. рис. 5.14,a) мо-жет быть вычислено по формуле

1.11.

Здесь Uзи отс— напряжение отсечки; Uзи1 – смещение на затворе в данной рабочей точке; - изменение температуры Т относительно комнатной температуры Т0.

Изменение тока затвора вычисляется как:

1.12.

Здесь IЗ0 - ток затвора при комнатной температуре, который в кремниевых полевых транзисторах не превышает 2*10-8 А; а =0,13 К-1.

Инерционные свойства транзистора. При быстрых изменениях входного сигнала, например  , проявляются инерционные свойства транзистора. Они обусловлены конечным временем "пролета" носителей заряда через область базы, временем, необходимым на перезарядку емкостей эмиттерного и кол­лекторного переходов и на установление необходимых кон­центраций носителей зарядов. В итоге выходной сигнал (ток ) будет иметь искаженную форму.

46) Принцип действия тиристоров, вольт-амперная характеристика

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: «закрытое» состояние — состояние низкой проводимости; «открытое» состояние — состояние высокой проводимости

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

· Между точками 0 и (Vвo,IL) находится участок, соответствующий высокомусопротивлению прибора — прямое запирание (нижняя ветвь).

· В точке Vво происходит включение тиристора (точка переключения динистора во включённое состояние).

· Между точками (Vво, IL) и (Vн,Iн) находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением-неустойчивая область переключения во включённое состояние. При подаче разности потенциалов между анодом и катодом тиристора прямой полярности больше Vно происходит отпирание тиристора (динисторный эффект).

· Участок от точки с координатами (Vн,Iн) и выше соответствует открытому состоянию (прямой проводимости)

· На графике показаны ВАХ с разными токами управления (токами на управляющем электроде тиристора) IG (IG=0; IG>0; IG>>0), причём чем больше ток IG, тем при меньшем напряжении Vbo происходит переключение тиристора в проводящее состояние

· Пунктиром обозначен т. н. «ток включения спрямления» (IG>>0), при котором тиристор переходит в проводящее состояние при минимальном напряжении анод-катод. Для того, чтобы перевести тиристор обратно в непроводящее состояние необходимо снизить ток в цепи анод-катод ниже тока включения спрямления.

· Участок между 0 и Vbr описывает режим обратного запирания прибора.

· Участок далее Vbr — режим обратного пробоя.

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

47) Групповое соединение полупроводниковых приборов: последовательное соединение, параллельное соединение вентилей. Способы выравнивания токов и напряжений.

В мощных преобразовательных установках применяются следующие соединения вентилей следующих типов:

1) Последовательное соединение – используется для увеличения допустимых значений напряжения, когда отдельно взятый вентиль рассчитан на меньшее напряжение, чем имеется на входе преобразователя;

2) Параллельное соединение – используется для увеличения допустимого тока – когда отдельно взятый вентиль рассчитан на меньший прямой ток, а на нагрузку нужно подавать, значительно больший выпрямленный ток.

Также групповое соединение вентилей применяется для повышения надежности преобразователя – в нем выход из строя одного вентиля не должен нарушать работу всего преобразователя Рис.2.-схема парал-но соединения (а) и неравномерность распределения прямого токаРис.2.2.- схема последоватедьного соединения (а) и неравномерность обратного напряжения

Используются два пути выравнивания тока при параллельном со­единении: подбор приборов одного типа с одинаковыми характерис­тиками и принудительное деление тока с помощью дополнительных электротехнических устройств. Рис.8.2 Схемы выравнивания прямых токов при парал-ом вкл. Полупроводниковых приборов

48) Защитные цепи. «Эффект du/, », «эффект di/, ». di

 Эффект dU/dt, когда при подаче напряжения прямой полярности на анод и катод тиристора со скоростью более некоторой критической dU/dt> dUкрит/dt произойдёт открытие p-n-p-n структуры. Данный эффект ограничивает использование тиристоров в высокочастотных схемах, хотя иногда применяется для управления тиристором.

- Эффект di/dt, определяющий скорость нарастания прямого тока через тиристор в прямом направлении (в открытом состоянии). Если ток будет возрастать со скоростью более некоторой критической di/dt > diкрит/dt, то произойдёт разрушение структуры и выход тиристора из строя, поэтому обязательным условием применения тринисторов является ограничение проходящего через открытый прибор прямого тока.

 Использование тиристоров GTO, требует применения специальных защитных цепей. Они увеличивают массо-габаритные показатели, стоимость преобразователя, иногда требуют дополнительных охлаждающих устройств, однако являются необходимыми для нормального функционирования приборов.

Назначение любой защитной цепи - ограничение скорости нарастания одного из двух параметров электрической энергии при коммутации полупроводникового прибора. При этом конденсаторы защитной цепи СВ (рис. 3) подключают параллельно защищаемому прибору Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого напряжения dUT/dt при выключении тиристора.

Дроссели LE устанавливают последовательно с прибором Т. Они ограничивают скорость нарастания прямого тока dIT/dt при включении тиристора. Значения dUT/dt и dIТ/dt для каждого прибора нормированы, их указывают в справочниках и паспортных данных на приборы.

49) Вентили с полным управлением: двухоперационные тиристоры их разновидности (GTO ), свойства.

Вентили с полным управлением характеризуются тем, что их можно отпереть и запереть при наличии на них прямого напряжения воздействием только по цепи управления. Основными представителями вентилей с полным управлением являются запираемые (двухоперационные) тиристоры ЗТ (в зарубежном обозначении GTO – Gate Turn Off) и силовые транзисторы (биполярные, полевые и комбинированные, так называемые биполярные транзисторы с изолированным затвором, обозначаемые IGBT – Isolated Gate Bipolar Transistor).

50) Силовые биполярные транзисторы, свойства и параметры; работа в ключевом режиме.

Силовые биполярные транзисторы

Биполярный транзистор - полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода и служащий для усиления и генерирования электрических колебаний.

Эмиттер состоит из нескольких частей, что позволяет снизить сопротивление между базой и эмиттером, а также равномерно распределить ток по всему проводящему сечению. Коллектор имеет две области: сильно легированную и слабо легированную. Слабо легированная область делает коллекторный p-n переход широким и сдвинутым в область коллектора, что повышает допустимое напряжение на коллекторе. Скосы на кристалле позволяют уменьшить утечки по поверхности кристалла и снизить напряженность электрического поля.

Рассмотрим работу транзистора в режиме ключа. Проводя нагрузочную прямую в системе выходных характеристик транзистора, получим две точки, определяющие режимы работы ключа. В точке 1 транзистор закрыт (режим отсечки), коллекторный переход находится под обратным, а эмиттерный - под прямым напряжением. Часто для более полного и быстрого закрытия транзистора напряжение база – эмиттер также делают отрицательным. Ток коллектора равен нулю, а напряжение коллектор – эмиттер равно ,,. В точке 2 транзистор находится в открытом состоянии (режим насыщения), коллекторный и эмиттерный переходы смещены в прямом направлении. В этом случае, ток коллектора равен току насыщения, а напряжение на коллекторе равно напряжению насыщения,, которое обычно составляет несколько милливольт. Минимальное значение тока базы, которое необходимо для того, чтобы обеспечить открытое состояние транзистора, называют током базы насыщения. Для ускорения процесса открытия транзистора ток базы делают больше тока базы насыщения, превышение тока базы над минимальным значением оценивают степенью насыщения

 Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (при любой схеме включения), являются коэффициенты усиления:

51)MOSFET (Металлооксидные полевые транзисторы). Это просто униполярный транзистор, используемый в качестве электронного переключателя и для усиления электронных сигналов. Устройство имеет три терминала, состоящих из истока, затвора и стока. Помимо этих клемм имеется подложка, обычно называемая корпусом, которая всегда подключается к клемме источника для практических применений.

Принцип работы этого типа полевого транзистора основан на влиянии внешнего электрического поля на проводимость прибора.

На основе режима эксплуатации МОП-транзисторы можно разделить на два типа.

• Режим насыщения

• Режим истощения

Преимущества МОП-транзистора

• МОП-транзисторы обеспечивают большую эффективность при работе при более низких напряжениях.

• Отсутствие тока затвора приводит к высокому входному импедансу и высокой скорости переключения.

• Они работают при меньшей мощности и не потребляют ток.

Недостатки МОП-транзистора

• Тонкий оксидный слой делает МОП-транзисторы уязвимыми для постоянного повреждения, вызванного электростатическими зарядами.

• Напряжение перегрузки делает его нестабильным.

52) IGBT транзистор сочетает в себе свойства биполярного и полевого транзистора. Он управляется путем подачи напряжения на затвор, изолированный от цепи. Характерным свойством этого транзистора является низкая величина мощности управления, которая применяется для переключений мощных силовых цепей.

Внутреннее устройство IGBT транзисторов включает в себя каскад двух электронных ключей, управляющих конечным выходом.

Принцип действия транзистора заключается в двух этапах:

• При подаче напряжения положительного потенциала между истоком и затвором полевой транзистор открывается, появляется n-канал между стоком и истоком.

• Начинается движение заряженных электронов из n-области в р-область, вследствие чего открывается биполярный транзистор. В результате этого от эмиттера к коллектору протекает электрический ток.

55) Выходное напряжение снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке:

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока. Среднее значение тока через нагрузку:

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора:

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора:

53) Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Структурная схема и классификация выпрямителей.

 Выпрямитель можно представить в виде обобщенной структурной схемы (рис. 1) и структурной схемы с протекающими в нем напряжениями и токами (рис. 1.1), в которую входят: 

• силовой трансформатор (СТ), 

• вентильный блок (ВБ), 

• фильтрующее устройство (ФУ), 

• цепь нагрузки (Н), в которую может входить стабилизатор напряжения (СН).

Рис. 1. Обобщенная структурная схема выпрямителя.

Рис. 1.1. Структурная схема выпрямителя с протекающими в нем напряжениями и токами. Силовой трансформатор служит для согласования входного и выходного напряжений выпрямителя. Возможны различные соединения обмоток трансформатора соответственно с различными схемами выпрямления.

Вентильный блок выпрямляет переменный ток, подключая вторичное напряжение соответствующей фазы трансформатора к цепи постоянного тока.

Фильтрующее устройство обеспечивает требуемый уровень пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки. В качестве ФУ используются последовательно включаемые резистор или сглаживающий дроссель и параллельно включаемые конденсаторы.

 Стабилизатор напряжения служит для уменьшения внешних воздействий, таких как: изменение напряжения питающей сети, изменение температуры, частоты и т.д.

 Полупроводниковые выпрямители можно классифицировать по следующим признакам:

1) по выходной мощности (маломощные - до 600 Вт, средней мощности - до 100 кВт, и большой мощности - более 100 кВт);

2) по числу фаз источника (однофазные, многофазные);

3) по пульсности (р) выпрямителя, определяемой числом полупериодов протекания тока во вторичной обмотке трансформатора за полный период напряжения U₁;

4) по числу знакопостоянных импульсов в кривой выпрямленного напряжения U₂ за период питающего напряжения:

- однополупериодные;

- двухполупериодные;

- m-полупериодные.

54)

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.