ЭЛЕКТРОТЕХНИКА-1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, приводящее к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Такой вид электрического пробоя называют лавинным. для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p- n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем.

Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p-n переход.

Рис.56. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

61

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, показанной на рис.56. Основным свойством такого диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает его вентильные свойства, т.е. способность пропускать ток преимущественно в одном (прямом) направлении. Электрические параметры выпрямительного диода: максимально допустимый прямой ток, максимально допустимое обратное напряжение, межэлектродная емкость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока, служит для стабилизации напряжения.

Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.57. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Uст лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации Iст.

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации Uст (от 1 до 1000 В); динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = dUст / dIст (от 0,5 до 200 Ом); минималь-

ный ток стабилизации Iстmin (от 1 до 10 мА); максимальный ток стабилизации Iстmax (от 50 до 2000 мА); температурный коэффициент

напряжения на участке стабилизации (от –0,05 до +0,2 % / С).

Iстmax

Iобр

Рис.57. Вольт-амперная характеристика стабилитрона

62

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

К полупроводниковым диодам относятся: фотодиод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток; светодиод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение; варикап, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, предназначен для применения с электрически управляемой емкостью.

Светодиоды находят применение для цифровой индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах. фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных районах земного шара.

Условные графические обозначения полупроводниковых диодов представлены на рис.58.

Рис.56. Условные графические обозначения полупроводниковых диодов:

а– вентильного диода; б – стабилитрона; в – варикапа; г – фотодиода;

д– светодиода

Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления, транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных и положительных (электронов и дырок).

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа p-n-p, между которыми образуются два p-n перехода в соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью.

63

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Биполярные транзисторы подразделяют на два типа (рис.59, а): p-n- p и n-p-n. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер Э, коллектор К и база Б. Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают таким образом, чтобы на переход эмиттер – база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база – коллектор в обратном направлении.

Рассмотрим более подробно работу транзистора типа p-n-p. При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ (рис.59, б). Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Однако поскольку напряжение питания коллектора во много раз (в 20) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, вследствие чего электрическое сопротивление цепи базы получается высоким, то ток, ответвляющийся в цепь базы Iб, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток Iк.

64

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

где 0,95-0,995 – коэффициент передачи по току.

Ток коллектора Iк превосходит ток базы Iб от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа n-p-n точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора p-n-р.

Вольт-амперные характеристики транзистора определяются схемой его включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК).

Основные вольт-амперные характеристики транзистора:

входная – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении;

семейство выходных – зависимость выходного тока от выходного напряжения при разных (фиксированных) значениях входного тока.

На рис.60 представлены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Полевые транзисторы

Рис.60. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора с общим эмиттером: входная (а) и выходная (б)

65

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Полевым называют транзистор, управляемый электрическим полем, или транзистор с управляемым каналом для тока.

Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы называют униполярными.

Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который основные носители уходят из канала, – стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором З.

В зависимости от электропроводности исходного материала различают транзисторы с p и n-каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода. Он представляет собой кремниевую пластину, n-типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с проводимостью противоположного типа (рис.61, а). Эти области образуют единый электрод-затвор. Область с n-проводимостью, расположенная между p-областями, образует токовый канал. На торцевые поверхности пластины наносят контакты, образующие два других электрода И и С, к которым подключается источник питания Uс и при необходимости сопротивление нагрузки. Между каналом и затвором создаются два p-n-перехода.

Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого зависит от затвора. При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n-переходы запираются и расширяются практически за счет канала, сечение канала, а, следовательно, и его проводимость, уменьшаются, ток через канал падает (рис.61, б). При некотором Uз = Uзо, называемом напряжением отсечки, области p-n-переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток Iс равен нулю.

Если при Uз = const увеличивать Uс, то ток через канал Iс возрастет (рис.61, в). При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p-n-переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором

66

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.61. Полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода: а – структурная схема и схемные изображения; б – передаточная характеристика; в – стоковая характеристика

Uс = Uн, называемом напряжением насыщения, канал настолько сужается, что с ростом Uс ток Iс не увеличивается.

Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

плотность упаковки (количество элементов в единице объема);

67

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

степень интеграции (количество элементов в микросхеме). По степени интеграции интегральные микросхемы бывают:

I степень – до 10 элементов;

II степень – от 10 до 100 элементов;

III степень – от 100 до 1000 элементов и т.д.

По конструктивно-технологическому признаку интегральные микросхемы делятся на:

гибридные – пассивные элементы выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки – до 150 на 1 см3, степень интеграции – I и II);

полупроводниковые – все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки – до 105 на 1 см3, степень интеграции –VI и выше).

По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на аналоговые и логические. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Логические микросхемы применяются в ЭВМ, для их анализа используется алгебра логики.

2.ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ

Электронные выпрямители служат для преобразования переменного тока в постоянный и относятся к источникам вторичного электропитания.

Рассмотрим принцип действия выпрямителя на примере простейшей схемы так называемого однополупериодного выпрямления (рис.62, а), где U1 и U2 – напряжения на первичной и вторичной об-

мотках трансформатора; Rн – сопротивление нагрузки.

На временных диаграммах токов и напряжений рассматриваемого выпрямителя (рис.62, б): t – время; I0 и U0 – средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения. В течение первого полупериода напряжения U2 положительный потенциал приложен к аноду вентиля, он открыт и через нагрузочное сопротивление Rн пойдет ток iн = iв, при этом все напряжение окажется

68

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Рис.62. Схема (а) и диаграмма работы (б) однополупериодного выпрямителя

приложенным к Rн(uн = u2). Во второй полупериод полярность напряжения U2 на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную и диод окажется включенным в обратном направлении, ток прекратится и все напряжение U2 окажется приложенным к закрытому диоду.

Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

К Um гарм , пульс U0

где Um гарм – амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; U0 – постоянная составляющая выпрямленного напряжения; для однополупериодного выпрямителя

Кпульс = 1,57.

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распространение получили двухполупериодные выпрямители, в которых выпрямленное напряжение создается в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мосто-

Iвые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора.

69

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Из-за более простой конструкции трансформатора наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рис.63, а). В один из полупериодов напряжения сети U1, когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, вентили 1 и 3 открыты, а вентили 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через вентиль 1 (ток Iв1), нагрузочный резистор Rн, вентиль 3 (ток Iв3) к нижнему зажиму обмотки трансформатора. В другой полупериод, когда верхний зажим имеет отрицательный потенциал по отношению к нижнему, вентили 1 и 3 закрыты, а вентили 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через вентиль 2 (ток Iв2), нагрузочный резистор Rн, вентиль 4 (ток Iв4) к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток Iн через резистор Rн и напряжение на нем имеют одно и то же направление.

По сравнению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в два раза больше, а пульсации значительно меньше (Кпульс = 0,67). Для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами.

3. СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

– ( + )

t

Рис.63. Мостовой выпрямитель: схема (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

70