Теоретические сведения. 2.1. Типовой полупроводниковый диод.

2.1. Типовой полупроводниковый диод.

Типовой полупроводниковый диод это двухэлектродный (т.е. с двумя выводами) полупроводниковый прибор на базе P-N перехода, обладающим односторонней проводимостью электрического тока (вентильным свойством).

Электроды-выводы от Р-области и от N-области полупроводника называют соответственно анодом (А) и катодом (К) диода. Условные графическое и буквенное обозначения типового полупроводникового диода показаны на рис. 2.1 (ГОСТ 2,710-81).

(К ) ( А )

VD

Рис.2.1

Основными материалами для изготовления полупроводниковых диодов служат германий и кремний. Используются также арсенид галлия, карбид кремния, антимонид индия и др. Существует большое разнообразие полупроводниковых додов, которые классифицируют по назначению, принципу работы, типу P-N перехода, конструктивным особенностям и др. признакам. К типовым полупроводниковым диодам относят обычно широко используемые выпрямительные диоды. Главные электрические свойства таких диодов определяются вольт-амперной характеристикой (ВАХ) P-N перехода, т.е зависимостью электрического тока через диод Iд от напряжения на диоде Uд : Iд= f(Uд); здесь f (.)-функция. Как известно, такая ВАХ имеет две резко разеыличные ветви – прямую и обратную.

Прямая ветвь имеет место при напряжениях на диоде Uд>Uпр, а обратная – при Uд<=Uпр, где значение Uпр – некоторая пороговая величина (падение напряжения на диоде в «прямом» направлении), обычно близкая к нулю. Так, для германиевых диодов значение Uпр=~ 0,2…0,4В, для кремниевых – Uпр=~0,5…0,7В.

Характерным и важным является то, что токи диода, соответствующие прямой и обратной ветвям ВАХ, резко различны по величине: ток обратной ветви, т.е. обратный ток диода Iд обр обычно на несколько порядков меньше тока диода Iд пр в прямом направлении. Поэтому можно считать, что полупроводниковый диод пропускает электрический ток («открыт») только в одном («прямосмещенном») направлении и практически не пропускает ток («закрыт») в другом («обратносмещенном») направлении. Кратко, это главное свойство диода и называют его вентильным свойством.

Резко различные проводящие свойства диода в прямом и обратном направлениях характеризуют также соответствующими прямым и обратным сопротивлениями диода: Rпр и Rобр. Ясно, что эти сопротивления для диода резко различны: Rпр<<Rобр. На практике значения Rпр составляют единицы – десятки Ом, в то время, как значения Rобр – сотни килом и даже мегомы.

Ввиду нелинейности ветвей ВАХ параметры Rпр и Rобр являются дифференциальными; так, прямое сопротивление можно определять в точках рабочей части прямой ветви ВАХ:

Rпр=δд\UδIд.

Инженерный графо-аналитический расчет использует малые приращения ΔUд и ΔIд , взятые в окрестностях этих точек:

Rпр=~ ΔUд и ΔIд

Аналогично можно определять и обратное сопротивление с учетом той особенности, что наклон обратной ветви ВАХ обычно очень мал, и приращение ΔUд приходится принимать значительным по величине.

На практике при расчетах электрических схем нередко полупроводниковый диод идеализируют, т.е. полагают его основные параметры следующими: ΔUпр=~0; Rпр=~0; Iд обр=~0; Rобр=~∞. Величина прямого тока диода Iд пр ограничивается некоторым максимально допустимым значением.

2.2. Биполярный транзистор.

Биполярными транзисторами называют полупроводниковые усилительные приборы на основе двух электрически взаимодействующих P-N переходов. В биполярных транзисторах электрический ток является движением носителей заряда обоих типов – электронов и дырок; это и определяет название «биполярный».

Два P-N перехода в биполярном транзисторе образуются в результате чередования трех слоев полупроводника разной проводимости, т.е. в результате создания структур типа P-N-Р или N-Р-N. В зависимости от этого различают биполярные транзисторы вида P-N-Р или N-Р-N;структуры и

условные графические обозначения (УГО этих транзисторов показаны на рис. 2.2. На схемах транзистор обозначают буквами VT.

Рис.2.2

Как видно из обозначения, биполярные транзисторы являются трехэлектродными электронными приборами, т.е. имеют три электрода-вывода для подключения в схемах. Эти выводы имеют следующие названия: эмиттер (Э), база(Б), коллектор(К). Направление стрелки на выводе эмиттера (от P к N) указывает на P-N-P или N-P-N-транзистор. P-N переход между базой и эмиттером называют эмиттерным, а между базой и коллектором-коллекторным. Эмиттер (эмиттерный переход) является источником носителей заряда(электронов или дырок), который создает основной ток прибора. Коллектор (коллекторный переход) собирает носители, прошедшие от эмиттера через базу(базовые слои), и направляет их во внешнюю цепь(в нагрузку). База служит для управления током транзистора.

В P-N-P транзисторах через базу проходят инжектируемые эмиттером дырки, а в N-P-N – электроны. В целом работа этих транзисторов идентична за исключением того, что источники питания включаются у них наоборот (по полярности). Нормальное включение транзистора предполагает, что его эмиттерный P-N переход прямосмещен, а коллекторный обратносмещен. Для P-N-P транзистора, исследуемого в данной работе, это значит, что база должна быть отрицательной относительно эмиттера, коллектор должен быть отрицательным относительно базы (и эмиттера).

Чаще всего используют включения транзистора по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Это значит, что вывод эмиттера подключается к общей шине («земле») и поэтому является общим для электрических цепей базы и коллектора, каждый из которых имеет соединение с общей шиной. При этом электрическая цепь базы называется входной цепью транзистора, в которую поступает входной электрический сигнал от источника, а коллекторная цепь называется выходной цепью транзистора, которая подает усиленный сигнал в нагрузку.

Главные электрические свойства транзистора можно характеризовать его различными вольт-амперными характеристиками (ВАХ), а также линией нагрузки (ЛН). На практике наибольший интерес представляют семейство статических входных и выходных ВАХ.

Для исследуемого в данной работе транзистора, включенного по схеме с ОЭ, входной характеристикой называется зависимость величины тока базы Iб транзистора (входного тока) от величины напряжения между базой и эмиттером |Uбэ|(напряжение на входе), т.е. функция Iб=f(|Uбэ|). При этом напряжение на коллекторе(относительно эмиттера) |Uкэ| должно оставаться неизменным |Uкэ| =const ; оно выступает как параметр, поэтому его различные значения порождают семейство входных характеристик. Следует заметить, что входные характеристики слабо зависят от величины параметра |Uкэ|.

По входным характеристикам транзистора определяют его входное сопротивление (в общем случае дифференциальное):

Величину этого сопротивления важно знать при анализе и расчете электрических схем. Значение Rвх для биполярного транзистора невелико и составляет обычно 100…500 Ом. Это означает, что биполярный транзистор заметно нагружает источник сигнала (потребляет от него заметную мощность). Выходной характеристикой транзистора в схеме с ОЭ называется зависимость коллекторного тока Iк от напряжения на коллекторе (относительно эмиттера) |Uкэ| при фиксированном значении тока базы Iб (или напряжения |Uбэ|), т.е. функция Iк=f(|Uкэ|)при Iб=const (|Uбэ|=const). Характеристики, снятые при различных значения параметра Iб (или |Uбэ|), образуют семейство выходных характеристик; их называют также семейством коллекторных характеристик.

Коллекторные характеристики показаны на рис.2.3; они все исходят из начала координат, т.к. при значении |Uкэ|=0 коллекторный ток Iк =0.

Эмиттерный переход транзистора при этом закрыт, и основной ток прибора отсутствует, поэтому коллекторный ток Iк= Iко. Ввиду малости тока

Iко «нижняя» коллекторная характеристика располагается очень близко к горизонтальной оси |Uкэ|. Прибор, измеряющий ток Iк может «не почувствовать» малые значения Iко, и тогда эта характеристика проходит по оси |Uкэ|.

Выходные характеристики показывают, что коллекторный ток Iк существенно зависит от значения входного тока базы Iб, причём сравнительно малым приращением тока Iб соответствуют значительно большие (усиленные в раз ) приращения тока Iк. Это как раз и свидетельствует об усилительных свойствах транзистора.

Семейство выходных характеристик позволяет определить статический коэффициент усиления тока в транзисторе (с базы на коллектор):

Как видно, определение коэффициента b предполагает брать приращение ∆Iк и ∆Iб при неизменном напряжении на коллекторе |Uкэ|. Значение b>>I и составляют десятки или даже сотни раз.

Коллекторные характеристики имеют слабый наклон в основной рабочей зоне, т.е. при значительных изменениях напряжения |Uкэ| изменение тока Iк невелико (для каждой отдельной характеристики в семействе). Это значит, что выходное сопротивление собственно транзистора, определяемое как

является большим (составляет сотни килоОм) при Iб =const . По этой причине транзистор является источником тока. Область выходных характеристик, в которых они имеют малый наклон (почти горизонтальны), является одной из основных рабочих зон транзистора и называется зоной усиления или активной зоной. В этой зоне коэффициент b>>I.

На практике в импульсных и цифровых устройствах широко используется также так называемый ключевой режим работы транзистора. В этом режиме транзистор-ключ имеет два состояния: «закрыт» или «открыт».

В закрытом состоянии основной ток прибора отсутствует (эмиттерный переход обратносмещён); коллекторный ток определяется только тепловым током Iко и должен быть весьма малым для нормальной работы. Напряжение на коллекторе в этом состоянии транзистора почти не отличается от напряжения источника питания: . |Uкэ|@ |Uип|. На коллекторных характеристиках закрытое состояние транзистора отвечает области между осью |Uкэ| и самой нижней, коллекторной характеристикой при токе Iб = 0, рис 2.3. Эту область называют зоной "отсечки" тока в транзисторе.

В открытом состоянии эмиттерный переход транзистора полностью открыт, и коллекторный ток Iк имеет максимально возможное для схемы значение. Это наибольшее значение тока Iк называют током насыщения коллектора Iкн . Величина Iкн для данного транзистора и данного напряжения источника питания |Uип|. определяется резистором Rк, включенным в коллекторную цепь транзистора.

Режим работы, при котором в транзисторе протекает ток Iк = Iкн называют режимом "насыщения" транзистора. В этом режиме напряжение на коллекторе |Uкэ|=Uкн и близко к нулю. На коллекторных характеристиках данный режим отвечает зоне, примыкающих к вертикальной оси Iк (зона насыщения), рис 2.3.

Для более полной характеристики работы транзистора в различных режимах и выполнения расчетов на графике коллекторных характеристик размещают также линию нагрузки {ЛН) транзистора. Уравнение ЛН, в координатах ( |Uкэ|; Iк) имеет вид

Как видно, это есть уравнение прямой линии с отрицательным наклоном. Она легко строится по двум точкам на осях |Uкэ| и Iк.. При Iк= 0 получаем точку на оси |Uкэ|: |Uкэ|= |Uип|= аналогично при |Uкэ|=0 получаем точку на оси Iк : Iк=|Uип|/Rк. Сама линия нагрузки АВ рис.2.3, располагается между зонами насыщения и отсечки транзистора.

При работе транзистора его ток Iк. и напряжение |Uкэ| соответствуют как коллекторным характеристикам, так и уравнению ЛН. Поэтому смещения с одной характеристики на другую происходят только вдоль ЛН. С учетом этого определяются динамические усилительные свойства транзистора и параметры схемы с данным транзистором. В ключевом режиме транзистор переходят из точки А в точку В и обратно (через зону усиления) также вдоль ЛН.

2.3 Полевой (униполярный или канальный) транзистор.

Полевым называется транзистор, в котором управление величиной тока в канале обеспечивается за счёт электрического поля, создаваемого входным напряжением, приложенным перпендикулярно каналу. Ток канала создается напряжением источника питания. Структура и схема включения исследуемого в работе полевого транзистора с управляющим P-N переходом приведены на рис. 2.4.а и 2.4.б. Буквами И, С, З обозначены электроды транзистора исток, сток и затвор.

Транзистор имеет один P-N переход затвор-исток, который включён в непроводящем направлении. При этом в области P-N перехода обедненная свободными носителями зона, заштрихованная на рис 2.4.а, перекрывает токопроводящий канал «n» от истока к стоку. Изменения напряжения Uзи приводят к изменению размеров этой обедненной зоны и соответствующему изменению тока через транзистор.

а)

		Рис. 2.4

Неравномерность обедненного слоя обусловлена тем, что разность потенциалов между затвором (типа P) и каналом (типа N) увеличивается в направлении от истока к стоку и наименьшее сечение канала расположено вблизи стока.

Семейства выходных и передаточных (стоко-затворных) вольт-амперных характеристик полевого транзистора для схемы включения с общим истоком (рис 2.4) приведены соответственно на рис 2.5.а и 2.5.б.

Стоко-затворные характеристики (рис. 2.5.б) лежат в области отрицательных напряжений Uзи. Входное сопротивление полевого транзистора (сопротивление закрытого p-n-перехода) велико в отличие от биполярного транзистора, имеющего в активном режиме низкое входное сопротивление (управляющий p-n-переход открыт).

Напряжение Uзи , при котором токопроводящий канал полностью перекрывается (Ic=0) называется напряжением отсечки.

Статические параметры полевого транзистора:

­ Статическая крутизна передаточной характеристики

­ Выходное (внутреннее) сопротивление транзистора

­ Статический коэффициент усиления

Статические параметры полевого транзистора можно определить, как и для биполярного транзистора, по вольт-амперным характеристикам через приращения в зоне активного режима.

Динамическая характеристика (нагрузочная прямая) для полевого транзистора строится, как и для биполярного, по двум точкам с координатами Uси (при Ic=0) и Ic при (Uси =0).