Основи електроніки (стр. 6 )

1 – для отримання того ж струму потрібна більш низька напруга;

2 – так як електропровідність створюється тільки основними носіямми (електронами), то в зоні рn–переходу немає накопичення неосновних носіїв, і час відновлення діода при перемиканні в зворотний напрямок дуже малий.

Бар'єрна ємність діода Шоткі не перевищує 0.01 пФ, типовий робочий діапазон частот складає 5 – 250 ГГц, час перемикання менше 0.1 нс, зворотні напруги лежать на інтерваліВ.

3.5 Імпульсні діоди

Імпульсні діоди мають малу тривалість перехідних процесів і призначені для роботи в імпульсних колах з часом перемикання 1 мкс і менше. Від випрямних діодів вони відрізняються малими ємностями рn –переходу і низкою параметрів, що визначають перехідні характеристики діода. Зменшення ємностей досягається за рахунок зменшення площі рn –переходу, тому допустимі потужності розсіювання в них невеликі (30 – 40 мВт).

Найпростіша схема увімкнення імпульсного діода і його перехідна характеристика зображені відповідно на рис. 3. 9, а, і рис. 3. 9, в.

Під дією вхідного імпульсу позитивної полярності (рис. 3. 9, б) через діод протікає прямий струм .

РисунокПерехідна характеристика імпульсного діода:

а – схема увімкнення; б – форма вхідної напруги Uвх ; в – перехідна характеристика

Стрибок зворотної напруги не закриває діод миттєво. В першу чергу зворотний струм Ізв різко збільшується, спадаючи потім поступово до деякого сталого значення (рис. 3. 9, в). Це явище зв'язане з накопиченням в базі діода заряду неосновних носіїв, інжектованих до неї під час протікання прямого струму. Для закриття діода цей заряд повинен бути “ліквідований”. Це здійснюється за рахунок рекомбінації і зворотного переходу основних носіїв заряду в емітер. Після зміни полярності напруги з прямої на зворотну на протязі деякого інтервалу зворотний струм постійний і обмежений тільки опором кола, при цьому заряд неосновних носіїв розсмоктується. По закінченню інтервалу концентрація неосновних носіїв заряду на границі переходу стає рівною зрівноваженій, але в глибині бази ще залишається незрівноважений заряд. З цієї миті зворотний струм діода зменшується аж до тих пір, поки повністю не розсіється накопичений в базі заряд, і він стане рівним статичному значенню зворотного струму І0.

До основних параметрів імпульсних діодів відносяться:

1 – імпульсна пряма напруга Uпр. і – пікове значення прямої напруги на діоді при заданному імпульсі прямого струму;

2 – імпульсний прямий струм Іпр. і – пікове значення імпульсного прямого струму при заданих тривалості, шпаркості і формі;

3 – заряд перемикання Qпк – частина накопиченого заряду, що витікає в зовнішнє коло при зміні нарпяму струму з прямого на зворотний;

4 – загальна ємність – ємність, заміряна між виводами діода при заданих напрузі зміщення і частоті (частки пФ – одиниці пФ);

5 – час відновлення зворотного опору – інтервал часу від моменту проходження струму через нуль після перемикання діода з прямого напрямку в зворотний до моменту, коли зворотний струм досягає заданого невеликого значення, порядка 0.1 Іп (частки нс – частки мкс).

В швидкодіючих імпульсних колах використовують також діоди Шоткі.

3.7 Варікапи

Варікапом називається напівпровідниковий діод, в якому використовується бар'єрна ємність закритого рn- переходу, що залежить від величини прикладеної до діода зворотної напруги. Схема увімкнення варікапа показана на рис. 3.9, а.

б)

Рисунок 3.9- Схема увімкнення варікапа - а) і його вольтфарадна характеристика - б)

Ємність варікапа змінюється в широких межах, її значення визначається з виразу:

, (3.1)

де Св(0) – ємність при нульовій напрузі на діоді; Uк - значення контактного потенціалу; U - прикладена зворотна напруга; n = 2 для різних переходів і n = 3 для сплавних переходів. На рис. 3.9, б показано залежність Св(U) (вольтфарадна характеристика) варікапа типу КВ119А.

Основні параметри варікапа:

1 – загальна ємність Св – ємність між виводами варікапа при заданій зворотній напрузі (десятки – сотні пФ);

2 – коефіцієнт перекриття по ємності – відношення ємностей варікапа при двох заданих значеннях зворотних напруг: Кс= Св max / Св min

(одиниці – десятки одиниць);

3 – опір втрат rn - сумарний активний опір, включаючи опір кристала, контактних з'єднань і виводів варікапа;

4 – добротність Qв – відношення реактивного опору варікапа на заданій частоті змінного сигналу (Хс) до опору втрат при заданому значенні ємності чи зворотної напруги, Q (десятки – сотні одиниць);

5 – температурний коефіцієнт ємності (ТКЄ) aСв – відношення відносної зміни ємності до абсолютної зміни температури, що її викликала aСв = (2*10 – 4 – 6*10 – 4 1/ °К).

Варікапи використовуються для електронної настройки коливальних контурів. На рис. 3.10, а як приклад показано увімкнення варікапа в коло резонансного контура.

Рисунок 3.10- Схеми електронної настройки коливальних контурів

Конденсатор С в схемі рис. 3.10,а потрібен для того, щоб індуктивність h не закорочувала варікап VD по постійній напрузі U.Його вибирають достатньо великим С >> Св. Напруга керування U подається на варікап з потенціометра через резистор R. Його беруть достатньо великим, щоб коло подачі постійної напруги не зменшувало суттєво добротність контура.

Недоліком такої схеми є вплив напруги високої частоти на ємність варікапа, що змінює заданий постійною напругою U закон настройки контура. Для запобігання цьому увімкнення варікапів здійснюється по схемі рис. 3. 10,б. В ній по постійній напрузі варікапи увімкнені паралельно, а по змінній – зустрічно, що взаємно компенсує зміни ємностей варікапів, спричинені напругою змінної частоти контура.

3.7 Діоди інших типів

Окрім розглянутих діодів, деякого розповсюдження набули стабістори, тунельні та НВЧ діоди. Останні поділяються на надвисокочастотні, детекторні, параметричні, перемикальні та обмежувалььні, множильні та підстроювальні.

Стабістори (КС107, 2С113А, 2С119А ), як і стабілітрони, призначені для стабілізацї напруги. На відміну від останніх в них використовується спеціальна форма прямої вітки вольт-амперної характеристики. Тому стабістори працюють при прямій напрузі і дозволяють стабілізувати малі напруги (0В).

Тунельні діоди – це напівпровідникові прилади, на вольт-амперній характеристиці яких є дільниця з від'ємним диференціальним опором (на рис. 3. 11, а) дільниця

Рисунок 3.11-Вольт-амперні характеристики тунельного (а) і оберненого (б) діодів

Її наявність є наслідком прояву тунельного ефекту. В залежності від функціонального призначення тунельні діоди умовно поділяють на підсилювальні (3И101, 3И104 та інші), генераторні (3И201 – 3И203), перемикальні (3И306 – 3И309). Область їх використання на сьогодні обмежена через більшу ефективність інших напівпровідникових елементів при виконанні вказаних функцій. Обернені діоди є різновидністю тунельних і характеризуються тим, що замість дільниці з від'ємним диференціальним опором у них на вольт-амперній характеристиці є практично горизонтальна дільниця (рис. 3.11, б). В цих діодах пряму вітку можна вважати зворотною. Обернені діоди використовують для випрямлення малих напруг.

Для генерування шумів використовують діоди, що називаються генераторами шумів (наприклад, 2Г401). По вигляду вольт-амперної характеристики і схемі включення вони практично не відрізняються від стабілітронів. Режим їх роботи вибирається таким чином, що зворотний струм (струм пробою) був меншим струму стабілізації. При малих струмах параметри напруги пробою не стабільні, в результаті чого виникають її коливання, що мають випадковий характер (генерується напруга шумів). Їх спектр достатньо широкий (до 3.5 МГц), а спектральна густина напруги генераторів щуму лежить в межах 1.5 - 15 .

Надвисокочастотні діоди поділяють на змішувальні (2А101 – 2А109 та інш.), детекторні (2А201 – 2А203 та інш.), параметричні (1А401 – 1А408), перемикальні та обмежувальні (2А503 – 2А524), множильні та підстроювальні (2А601 – 2А613), генераторні (3А703, 3А705). Це спеціальні типи діодів, призначені для роботи в сантиметровому діапазоні хвиль, які характеризуються параметрами, суттєвими для роботи в цьому діапазоні частот.

3.8 Контрольні приклади і запитання

1. Користуючись довідником [5(горюнов)], розшифруйте позначення наступних напівпровідникових діодів: 1А401Б, 2С447А, 2Д910В, АЛ102А, 1И403А, ГД507А, АИ201И, 3И201Л, КС531В, КЦ403В, Д226Е, КС680А, КД503Б.

2. Які з наведених діодів доцільно використовувати в схемах випрямлення? Д818Г, ГД107Б, 2Д202В, 2Д918А, АИ101А, 2Б110Е, 2У102А, КВ104Б, КЦ405Г, 2С551А.

3. Складіть схему для зняття вольтамперної характеристики напівпровідникового діода типу 2Д202Д.

4. Чи можна в схемі рис. 3.6,б для вирівнювання обернених опорів під”єднати паралельно кожному з діодів резистори з опором 10 Ом.?

5. Чи можуть кремнійові стабілітрони працювати в режимі теплового пробою?

6. Поясніть фізичний зміст основних параметрів кремнійових стабілітронів.

7. Для стабілізації напруги в схемі рис.3.8 використовується кремнійовий стабілітрон Д818Е з напругою стабілізації . Визначити допустимі границі зміни напруги живлення, якщо .

8. Які характеристики є основними для високочастотних діодів? Вкажіть правильну відповідь:

а) висока зворотна напруга;

б) діод є площинним;

в) діод повинен мати мінімальну ємність;

г) велика дільниця насичення в області зворотних напруг;

д) велика потужність розсіювання.

9. Якими параметрами характеризуються імпульсні діоди?

10. Де використовуються варікапи? Вкажіть їх основну характеристику:

.

11. Вкажіть приблизне значення робочої частоти тунельних діодів: 10 6 Гц; 1021 Гц; 1011 ; 1016 Гц; 103 Гц.

12. Визначити струм через діод в електричному колі за схемою рис.3.12:

Uвх =10 в

1 кОм

Рисунок 3.12- Діодна схема для прикладу за п.12

13. Для схеми на рис.3.13 визначити струм через резистор R і падіння напруги на стабілітроні.

Д816А

50 В 210 Ом

Рисунок 3.13- Схема для п.13

РОЗДІЛ 4

БІПОЛЯРНІ ТРАНЗИСТОРИ

4.1 Принцип роботи біполярного транзистора

Біполярним транзистором називається напівпровідниковий прилад з двома взаємодіючими pn- переходами і трьома виводами, призначений для підсилення потужності сигналу. Біполярним він називається тому, що в його роботі використовуються носії обох полярностей (електрони і дірки).

Біполярні транзистори складаються з трьох областей напівпровідника, тип електропровідності яких чергується. В залежності від типу провідності зовнішніх областей розрізняють транзистори pnp- і npn- типів (рис. 4.1).

Площинним називається транзистор, в якому pn-переходи утворюються біля поверхонь зіткнення напівпровідникових областей з відповідними електропровідностями.

Середня область транзистора називається базою. Зовнішня висококолегована область напівпровідника, яка призначена для інжектування носіїв в базу, називається емітером (на рис. 4.1 – зліва від бази). Інша зовнішня область напівпровідника, яка призначена для екстракції (втягування) носіїв заряду з бази, називається колектором (на рис. 4.1 – справа від бази). Відповідні pn- переходи на границях зіткнення цих областей називаються емітерним і колекторним. В процесі виготовлення транзистора базу роблять дуже вузькою, її ширина не перевищує кількох мікрон. Концентрація атомів домішок в емітері значно вища, чим в базі. Крім того, площу колекторного переходу роблять значно більшою, чим емітерного, для збільшення коефіцієнта перенесення носіїв з емітера в колектор. На рис. 4.2 показано схематичне зображення трьох типів транзисторів, виготовлених по різній технології – з вирощеними переходами, сплавний і планарний.

Принцип дії транзистора розглянемо по схемі, показаній на рис.4.3.

При розімкнутих вимикачах на границях двох pn-переходів, які, по суті, є двома діодами, виникають потенціальні бар’єри jеб і jкб, які підтримують динамічну рівновагу в транзисторі. Сумарні струми при цьому в колах емітера і колектора дорівнюють нулю. Якщо вимикач S2 замкнутий, а S1 розімкнутий, то колекторний перехід зміщений в оберненому напрямку напругою джерела живлення Ек. В цьому випадку протікає тільки струм витоку Ікб0 (від колектора до бази при розімкненому колі емітера). Для більшості кремнієвих транзисторів Ікб0 < 10 нА, для германієвих Ікб0 < 1 мкА. При замиканні обох ключів обидва pn-переходи підключаються до зовнішніх джерел напруги. Потенціальний бар’єр емітерного переходу, увімкненого в прямому напрямку, зменшується на величину Ее , а колекторного, увімкненого в зворотньому напрямку – збільшується на величину Ек. Через емітерний перехід проходить прямий струм емітера Іе, в базу інжектуються електрони, концентрація яких біля емітерного переходу дуже висока. Інжектовані в базу електрони, які є для неї надлишковими неосновними носіями заряду, дифундують в напрямку від емітера до колектора. При цьому частина електронів рекомбінує з дірками бази, які утворюють струм Іб. Електрони, що опиняються біля колекторного переходу, втягуються позитивним полем просторового заряду і переносяться в колекторну область n-типу, викликаючи проходження струму колектора Ік в його колі.

В транзисторі з достатньо тонкою базою майже всі інжектовані емітером електрони попадають в коло колектора, тобто Ік » Іe , і струм бази Іб незначний. По закону Кірхгофа:

Іе = Ік + Іб.

Відношення струму колектора до струму емітера Ік / Іe називають статичним коефіцієнтом передачі струму a:

. (4.1)

Для сучасних транзисторів a = 0.95-0.998.

Приклад 4.1. Визначити струм бази Іб транзистора, якщо a =0.98, а Ік=10 мА.

Рішення: З формули (4.1) маємо ,

звідки Іб=10·(1-0.98)/0.98=0.0205 мА .

4.2 Схеми увімкнення транзисторів

В залежності від того, який із трьох електродів є спільним для вхідного і вихідного сигналів (тобто від якого електроду здійснюється відлік вхідних і вихідних напруг), розрізняють три схеми увімкнення транзистора: з спільною базою (СБ, рис. 4.4, а), з спільним емітером (СЕ, рис. 4.4, б), з спільним колектором (СК, рис. 4.4, в).

В зображених на рис.4.4 схемах джерела постійної напруги і резистори Rн забезпечують режими роботи транзисторів по постійному струмові, тобто необхідні значення напруг і струмів в робочій точці. Вхідні сигнали змінного струму створюються джерелами Uвх. Вони змінюють струм емітера транзистора, а відповідно і струм колектора. Прирости струму колектора в схемах на рис. 4.4 а, б і струму емітера на рис. 4.4, в на резисторах Rн створюють прирости напруг, які і є вхідними сигналами Uвих.

Параметри схем вибирають таким чином, щоб Uвих було б в багато раз більше приросту Uвх , яке його викликало.

Розглянемо кожну із схем увімкнення транзистора. Основними параметрами транзисторного каскаду у всякій схемі увімкнення є наступні параметри.

Коефіцієнт підсилення струму

. (4.2)

Коефіцієнт підсилення напруги

. (4.3)

Коефіцієнт підсилення потужності

. (4.4)

Вхідний опір

. (4.5)

В схемі з спільною базою (рис. 4.4, а) вхідним струмом є струм емітера Іе:

, (4.6),

а вихідним струмом в цій схемі є струм колектора:

(4.7)

Якщо в схемі з СБ під дією Uвх струм емітера зросте на деяку величину DІе , то відповідно зростуть і інші струми транзистора:

.