Лекция 7. Полупроводниковый диод. Уравнение вольт-амперной характеристики.

Полупроводниковый диод – это прибор с двухслойной P-N структурой и одним P-N переходом.

Слой Р - акцепторная примесь ( основные носители - дырки ). Слой N - донорная примесь (основные носители - электроны).

Обозначение на схемах:

Катод

V или VD - обозначение диода VS – обозначение диодной сборки

V7 Цифра после V, показывает номер диода в схеме Анод – это полупроводник P-типа Катод – это полупроводник N-типа

Анод

При приложении внешнего напряжения к диоду в прямом направлении («+» на анод, а « - » на катод) уменьшается потенциальный барьер, увеличивается диффузия – диод открыт (закоротка).

При приложении напряжения в обратном направлении увеличивается потенциальный барьер, прекращается диффузия – диод закрыт (разрыв).

Вольт-амперная характеристика (вах) полупроводникового диода

U _{эл.проб.} = 10 ÷1000 В – напряжение электрического пробоя.

U_нас. = 0,3 ÷ 1 В – напряжение насыщения.

I_a и U_a – анодный ток и напряжение.

Участок I:– рабочий участок (прямая ветвь ВАХ)

Участки II, III, IV, - обратная ветвь ВАХ (не рабочий участок)

Участок II: Если приложить к диоду обратное напряжение – диод закрыт, но все равно через него будет протекать малый обратный ток (ток дрейфа, тепловой ток), обусловленный движением не основных носителей.

Участок III: Участок электрического пробоя. Если приложить достаточно большое напряжение, неосновные носители будут разгоняться и при соударении с узлами кристаллической решетки происходит ударная ионизация, которая в свою очередь приводит к лавинному пробою (вследствие чего резко возрастает ток)

Электрический пробой является обратимым, после снятия напряжения P-N-переход восстанавливается.

Участок IV: Участок теплового пробоя. Возрастает ток, следовательно, увеличивается мощность, что приводит к нагреву диода и он сгорает.

Тепловой пробой - необратим.

Вслед за электрическим пробоем, очень быстро следует тепловой, поэтому диоды при электрическом пробое не работают.

Лекция 8. Стабилитроны, импульсные диоды, стабисторы, варикапы, туннельные диоды.

Импульсные диоды. Стабилитроны

Важнейшим параметром импульсных диодов, определяющим возможность использования диода при коротких импульсах, является время восстановления обратного сопротивления. Для его уменьшения диоды изготавливают так, чтобы емкость перехода была малой и рекомбинация носителей происходила как можно быстрее. Так в мезадиодах уменьшен объем базовой области. За счет этого сокращается накопление и рассасывание носителей в базе.

Стабилитроны — это кремниевые плоскостные диоды, предназ­наченные для стабилизации уровня постоянного напряжения в схе­ме при изменении в некоторых пределах тока через диод.

Если обратное напряжение превышает значение Uобр. пр, происходит лавинный пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает при почти неизменном обратном на­пряжении. Такой участок характеристики (участок аб, рис. 1.13, а) используют стабилитроны, нормальным включением которых в цепь источника постоянного напряжения является обратное. Если обрат­ный ток через стабилитрон не превышает некоторого значения Iст. макс, то состояние электрического пробоя не приводит к порче диода и может воспроизводиться в течение десятков и сотен тысяч часов. В качестве исходного материала при изготовлении стабилит­ронов используют кремний, поскольку обратные токи кремниевых р-n-переходов невелики.

К основным параметрам стабилитронов относятся: напряжение стабилизации U_CT— напряжение на стабилитроне при указанном номинальном токе стабилизации I_ст.ном. (рис. 1.13, а).

Уровень напряжения стабилизации определяется величиною пробивного напряжения U_o6p._np, зависящего, в свою очередь, от ширины p-n-перехода, а следовательно, степени легирования крем­ния .примесью. Для получения низковольтных стабилитронов ис­пользуется сильно легированный кремний .Поэтому у стабилитронов с напряжением стабилизации <5,4 В участок ста­билизации определяется обратным током туннельного характера.

При лавинном пробое носители преобразуют энергию достаточную для ударной ионизации. При тоннельных происходит электрический пробой электронов, проникают в pn- переход под действием поля.

Варикапы

Варикапом называется специально сконструированный диод, применяемый в качестве конденсатора переменной емкости. В варикапах используется биполярная емкость, отличающаяся малым температурным коэффициентом, малой зависимостью от частоты. В рабочем режиме прикладывается запирающее напряжение. Емкость меняется при изменении обратного напряжения.

Изменяя с помощью R обратное напряжение можно изменять резонансную частоту. Добавочный резистор с большим сопротивлением включен для того, чтобы добротность контура не снижалась заметно от шунтирующего влияния потенциометра R. Без разделительного конденсатора варикап был бы замкнут накоротко катушкой для постоянного тока.

Туннельные диоды

Под уровнем Ферми понимается такой энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна 0,5. Полупроводники с высокой степенью лигирования называются вырожденными и используются для производства туннельных диодов. Характерной особенностью вырожденных полупроводников является расположение уровня Ферми, зависящего от концентрации примеси, не в запрещенной зоне, а в зоне проводимости для полупроводника п-типа и в валентной зоне для полупроводника р-типа. Поскольку в состоянии динамического равновесия уровень Ферми в обоих полупроводниках, образующих р-n переход, должен сравняться, то это означает, что потолок валентной зоны полупроводника р-типа получается выше дна зоны проводимости полупроводника п-типа, т.е. происходит перекрытие зон. Т.к. ширина обедненного слоя обратно пропорциональна концентрации примеси, то при высокой концентрации примеси толщина перехода мала. Такой низкий и узкий потенциальный барьер может быть преодолен электроном , имеющим энергию, меньшую высоты барьера. Возникает туннельный эффект, основанный на волновом представлении движения электрона, который как бы туннелирует через барьер. При подаче прямого напряжения уровень Ферми смещается на такую же величину, что вызывает уменьшение потенциального барьера.

В диоде без внешнего напряжения существует туннелирование электронов из n-области в р-область и обратно. Встречные потоки равны и суммарный ток равен нулю.

При небольшом прямом напряжении происходит уменьшение высоты барьера и смещение энергетической диаграммы п-типа относительно энергетической диаграммы р-области. Свободные энергетические уровни (занятые дырками) р-области, расположенные непосредственно под уровнем Ферми, оказываются на одной высоте по энергетической диаграмме с энергетическими уровнями n-области (занятыми электронами). Поэтому будет преимущественное туннелирование электронов из п-типа в р-тип.

<– энергетическая диаграмма

При прямом напряжении на диоде, когда энергетический уровень валентной и примесной зон р-области окажутся на одной высоте с занятыми электронами энергетическими уровнями зоны проводимости и примесной зоны n-области, туннельный ток через диод будет максимальным.

При дальнейшем увеличении прямого напряжения ток уменьшается, т.к. уровни расходятся и уменьшается количество электронов, способных туннелировать из n-области.

С дальнейшим увеличением прямого напряжения в связи с уменьшением высоты потенциального барьера прямой ток через диод будет возрастать, как и в обычных выпрямит. диодах.

При обратном напряжении на туннельном диоде опять возникают условия для туннелирования электронов, только теперь электроны идут из валентной зоны р-области в зону проводимости n-области.

Т.о., этот диод обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением на склоне.

Туннельные диоды, у которых отсутствует максимум тока на прямой ветви вольтамперной характеристики, называются обращенными.

Лекция 9. Транзисторы. Схемы включения. Входные и выходные характеристики транзисторов. Графоаналитический расчет рабочего режима.

Транзисторы. Принцип действия. Схемы включения.

Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п переходами, называемые биполярными, т.к. их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков.

Т ранзисторы могут работать в трех режимах в зависимости от напряжения на переходах. При работе в активном режиме на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если же на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Основным режимом является активный, он используется в усилителях и генераторах.

Полярность Е₁ и Е₂ такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное (рисунок 8). Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточно Е₁ долей вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и Е₂ составляет десятки вольт.

При увеличении прямого напряжения между базой и эмиттером U_бэ понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и возникает ток эмиттера i_э. Электроны инжектируются из эмиттера в базу и благодаря диффузии проникают сквозь базу в коллекторный переход, увеличивая коллекторный ток. Т.к. коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в этом переходе возникают объемные положительные и отрицательные заряды , между которыми возникает электрическое поле. Они способствуют продвижению электронов через коллекторный переход, пришедших из эмиттерного 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 достигают коллекторного перехода. Лишь небольшая часть успевает рекомбинировать, в результате рекомбинаций возникает ток базы. Действительно, в установившемся режиме число дырок в базе должно быть неизменным. Вследствие рекомбинации каждую секунду сколько то дырок исчезает, но столько же новых дырок возникает за счет того, что из базы уходит такое же число эл-нов к Е₁.

i_э = i_к + i_б.

Ток базы бесполезный, даже вредный. Базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. Тогда меньшее число электронов будет рекомбинировать с дырками в базе.

Когда к эмиттерному переходу напряжение не приложено, то практически можно считать, что в этом переходе тока нет. Тогда коллекторный переход имеет большее сопротивление току, т.к. основные носители заряда удаляются от перехода и по обе стороны от границы создается обедненная область. Через коллекторный переход протекает лишь очень небольшой обратный ток, вызванный перемещением навстречу друг другу неосновных носителей: электронов из р-области, дырок из n-области.

Коэффициент передачи тока эмиттера находится по формуле

Возможны три схемы включения транзистора : с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором.

Транзистор характеризуется четырьмя семействами статических характеристик:

- входные I_вх = (U_вх) U_вых = const;

- выходные I_вых = (U_вых) I_вх = const;

- передачи по току I_вых = (I_вх) U_вых = const;

- обратной связи U_вх = (U_вых) I_вх = const;

Коэффициент передачи по току:  =  / (1-)

Рисунок 9 – Входные и выходные характеристики

Возможны 3 схемы включения транзисторов: С общей базы (ОБ), с общем эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК).

Входные и выходные характеристики.

Совокупность транзистора со вспомогательными элементами наз-ся усилительным каскадом.

R_ивс - внутреннее сопротивление источника внешнего сигнала;

R_б – сопротивление обеспечивающее начальный ток фазы;

R_к - коллекторная нагрузка;

С_р - разделительный конденсатор.

Рабочий режим – режим усиления, когда транзистор работает с нагрузкой R_н. В зависимости от того в каком режиме работает источник колебаний во входной цепи, усиление будет происходить с большими или меньшими нелинейными искажениями. Будем считать сопротивление источника колебаний и сопротивление нагрузки линейными, тогда входное сопротивление транзистора нелинейно , поскольку нелинейна входная характеристика i_вх = f(U_вх). Входное сопротивление транзистора мало и наиболее часто случается намного меньше сопротивления источника колебаний, который работает как генератор тока, т.е. в режиме близком к короткому замыканию. Входной переменный ток является синусоидальным. Переменный ток на выходе пропорционален входному току и также синусоидален. Выходное напряжение синусоидально, т.е. усиление происходит без линейных искажений (малые нелинейные искажения). Небольшие нелинейные искажения все же наблюдаются из-за того, что зависимость выходного тока от входного не является строго линейной. Хотя входное напряжение оказывается искаженным , тем не менее на выходе получается почти неискаженные синусоиды.

Реже бывает, что входное сопротивление транзистора много больше сопротивления источника колебаний, т.к. источник колебаний с очень малым внешним сопротивлением встречается не часто. В этом случае входной ток является несинусоидальным.

Аналитический расчет рабочего режима является приближенным и применяется при малых амплитудах колебаний, т.к. их нельзя показать на характеристиках. При графоаналитическом расчете пользуются рабочими характеристиками (линиями нагрузки).

Д ля выходной цепи Е = U_кэ+i_к R_н.

Построение линии нагрузки производится на точках пересечений с осями:

- при i_к=0 Е = U_кэ (точка М)_,

- при U_кэ=0 i_к = Е / R_н (точка N).

На линии нагрузки выбирается рабочий участок, например, для получения большой выходной мощности следует взять участок АБ.

Выходная мощность Р_вых = 0,5 I_мк U_мкэ .

Мощность режима токов для случая R_вх<< R_ик: Р_ко = I_ко U_кэо. В справочниках обычно приводится не семейство входных характеристик, а лишь для U_кэо = 0 и одна для U_кэ > 0. Поскольку входные характеристики для различных, превышающих 1В, располагаются очень близко друг к другу, то рабочая характеристика мало отличается от них. Поэтому расчет входных токов и напряжений можно делать по входной характеристике U_кэо > 0. На эту кривую переносятся точки А, Т, Б и получаются точки А₁, Т₁, Б₁ .

;

Гасящее сопротивление R_б, через которое от источника будет подаваться постоянное напряжение на базу

Коэффициент усиления каскада:

Приближенно можно считать, что постоянная составляющая тока коллектора в режиме усиления равна току покоя коллектора. Тогда мощность, затрачиваемая источником P_o = E  I_ko.

Кпд каскада .

При рабочей точке Т₁ входной ток мало искажен, а входное напряжение сильно искажено. Но выходной ток и напряжение мало искажены, т.к. входное сопротивление транзистора много меньше сопротивления источника колебаний.

Если входное сопротивление транзистора много больше сопротивления источника колебаний, то рабочая точка переходит в точку Т₂ и входной ток оказывается сильно искаженным.

Изменение постоянной составляющей тока коллектора при переходе от режима покоя к режиму усиления является признаком нелинейных искажений. Когда миллиамперметр, измеряющий этот ток, показывает одно и то же значение при отсутствии и при наличии колебаний на входе, то искажений нет.