Практикум по микроэлектронике (стр. 35 )

Если уменьшается , то уменьшается .

При введении немагнитного зазора длиной , имеющего линейную характеристику намагничивания, суммарная кривая намагничивания приближается к линейной, и насыщение наступает при большем токе , чем у дросселя без зазора.

Магнитные усилители (МУ) или дроссели с подмагничиванием применяются для автоматического регулирования напряжения. МУ представляют собой индуктивную катушку со стальным сердечником, подмагничиваемым постоянным током. Изменение тока подмагничивающей обмотки (тока управления) позволяет менять степень насыщения магнитопровода и тем самым регулировать индуктивное сопротивление рабочей катушки МУ.

Обычно в МУ используется трехстержневой сердечник.

На среднем стержне располагается обмотка управления (ОУ). Катушки переменного тока соединяются так, чтобы их потоки в среднем стержне были направлены встречно, тогда в ОУ переменная ЭДС не возникает. Устройство называется усилителем, так как, расходуя небольшую мощность в активном сопротивлении обмоток управления, можно управлять значительно большей мощностью в цепи нагрузки. Подобно тому, как в транзисторном усилителе, изменяя меньший ток базы, можно управлять большим током коллектора.

Основное уравнение МУ токов для средних за полупериод значений токов:

 

Зависимость тока от тока управления в установившемся режиме работы называется характеристикой управления.

Обычно ее строят в зависимости от приведенного к рабочей цепи тока управления . Изменение направления не вызывает изменения магнитного состояния сердечника и характеристика симметрична относительно . Наклон характеристики на линейном участке определяет коэффициент усиления по току:

,

коэффициент усиления по мощности:

Характеристика управления реального МУ отличается, так как при протекает через выпрямитель.

С ростом повышается степень насыщения магнитопровода . При сильном насыщении рост тока прекращается, поэтому рабочий участок ограничивается пределами .

Для увеличения используют положительную обратную связь, то есть значительная часть энергии, необходимая для создания подмагничивающего потока, подводится из нагрузочной цепи усилителя.

Принципиальная схема

В этой схеме включается через выпрямитель и дополнительную обмотку ОС. Магнитные потоки в ОУ и ОС совпадают. Так как большая часть суммарного магнитного потока создается обмоткой ОС, то мощность, затрачиваемая в ОУ, может быть значительно меньше, чем в МУ без ОС. В электронных, полупроводниковых усилителях ПОС не используется.

Характеристика управления МУ с внешней обратной связью

Для МУ с внешней обратной связью основное уравнение:

Через обмотку ОС обычно протекает . Тогда:

  ,  где - коэффициент обратной связи.

характеристика управления с внешней ОС

Достоинством МУ является то, что он изготавливается из неизнашивающихся надежных деталей, имеет высокий КПД, обеспечивает хорошее усиление и очень стабильную характеристику вход – выход, может быть выполнен практически на любую мощность, с любым числом входных обмоток.

Тема 10. P-N - переход

Возникновение потенциального барьера. Контактная разность потенциалов.

Электронно-дырочный переход - основной элемент биполярных приборов, pn - переход создают в кристалле изменением типа его проводимости, путем введения акцепторной и донорной примеси. На рис. 19 схематически показан кристалл с резким pn переходом и распределение акцепторной и донорной примеси в нем.

Рис. 19. Схема кристалла с резким pn переходом (вверху) и распределение акцепторной (Na) и донорной примеси в нем (Nd).

Энергетическую диаграмму для pn перехода можно получить достаточно просто, если воспользоваться положением о том, что в системе, находящейся в равновесном состоянии, происходит выравнивание средней энергии между ее частями и, соответственно, уровень Ферми должен для всей системы иметь одно и то же значение.

Предположим, что у нас имеется две изолированные полупроводниковые области p и n типов (мы можем получить их, отрезав от левого и правого конца кристалла, показанного на рис. 19). Тогда для этих областей можно построить энергетическую диаграмму, показанную в верхней части рис. 20 (она аналогична рассмотренной ранее диаграмме рис. 5). Как иллюстрирует диаграмма, материал p и n типа отличается положением уровней Ферми Fp и Fn и, соответственно, работой выхода Фp и Фn.

Рис. 20. Энергетическая диаграмма: (а) изолированные p и n области, (б) pn - переход.

Когда образуется pn переход, между p и n областями происходит обмен электронами и дырками и энергией так, что между областями устанавливается равновесие, и характеризующий равновесное состояние уровень Ферми становится единым для всей системы, как это показано на рис. 20 б. Области, находящиеся на значительном удалении от места контакта p и n областей, не подвержены влиянию pn перехода, поэтому их должна характеризовать энергетическая диаграмма, показанная на верхнем рисунке (рис. 20а). Таким образом, условия сохранения свойств отдельных материалов и единства уровня Ферми для всей системы приводят к появлению скачка в области pn перехода. Этот скачок соответствует возникновению потенциального барьера, который препятствует переходу основных носителей в потенциальную область (дырок из p в n область и электронов из n в p область). Потенциальный барьер возникает в результате появления внутреннего электрического поля и соответствующей ему разности потенциалов Uк, которую принято называть контактной.

Как видно из диаграмм рис. 20:

qUк = Фp - Фn = Fn - Fp (39)

Т. е. контактная разность потенциалов равна разности термодинамических работ выхода или разности энергии уровней Ферми в материалах p и n типов. Чтобы рассчитать положение уровней Ферми, воспользуемся формулами для концентраций электронов (дырок) в n и p областях:

(40)

Поскольку концентрация основных носителей примерно равна концентрации легирующей примеси (pp0 = Na, nn0 = Nd), и произведение равновесных концентраций электронов и дырок в одной области при заданной температуре равно квадрату концентрации собственных носителей заряда (18), то из (41) получим:

(42)

Таким образом, потенциальный барьер в pn переходе тем выше, чем сильнее легированы p и n области.

Рассмотрим, какова же физическая природа явлений, приводящих к возникновению на границе между p и n областями потенциального барьера. Если бы между p и n областями не было контакта, то каждая из них была бы электронейтральна, при этом соблюдались бы следующие условия: pp = Na-, nn = Nd+. При наличии между p и n областями контакта свободные электроны будут уходить из n области в соседнюю, оставляя вблизи границы в n области нескомпенсированный заряд положительных доноров - Nd+. Свободные дырки будут уходить из p области в соседнюю, оставляя вблизи границы в p области нескомпенсированный заряд отрицательных акцепторов - Na-. Поскольку доноры и акцепторы связаны с решеткой, возникший двойной слой заряда так же встроен в решетку и не может перемещаться. При этом в области пространственного заряда (ОПЗ) возникает электрическое поле, направленное от n области к p области, препятствующее переходу основных носителей через границу областей. Чем больше переходит основных носителей, тем больше нескомпенсированный заряд в ОПЗ, тем выше энергетический барьер, препятствующий переходу. Равновесие наступает при некотором условии, которое описывается формулами (41), (42). При этом следует отметить, что основные носители из области пространственного заряда перебрасываются в соседнюю область, где они становятся неосновными. В самой же области пространственного заряда концентрация носителей мала (она близка к собственной), поскольку все попадающие в ОПЗ носители выбрасываются из этой области электрическим полем. Поэтому можно считать, что область пространственного заряда обладает проводимостью на несколько порядков меньшей, чем легированные p и n области. Поэтому в дальнейшем будем считать, что сопротивление областей вне ОПЗ на несколько порядков меньше, чем сопротивление ОПЗ и, если к полупроводниковой структуре с одним pn переходом приложено внешнее напряжение, то оно падает, в основном на ОПЗ, а в прилегающих к переходу p и n областях электрического поля практически нет.