Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 3 )

Выпрямительные свойства у полупроводникового диода хуже, чем у лампового диода из-за существования обратного тока. Кроме этого, полупроводниковые диоды обладают, как правило, большей собственной емкостью, что не позволяет их использовать в области высоких частот. Отметим, что ВАХ диода сильно зависит от температуры, с ростом которой увеличивается как прямой, так и обратный ток.

Рис.1.9. ВАХ полупроводникового диода. Io – обратный ток насыщения. Показано обозначение диода и прямое смещение p-n перехода.

Существуют различные модификации полупроводниковых диодов в связи с их техническими приложениями. Наличие значительной барьерной емкости, зависящей от приложенного напряжения, у некоторого класса диодов, называемых варикапами, используется в параметрических емкостных схемах (параметрические усилители, параметроны и т. п.).

Рост обратного напряжения для классического диода, в конце концов, приводит к его пробою (полевому или лавинному) с выходом из строя. Для специально конструированных планарных диодов, называемых стабилитронами, этот участок лавинного пробоя с резким возрастанием тока за счет лавинного рождения электронно-дырочных пар, слабо зависящим от обратного напряжения, является рабочим и используется в схемах стабилизации токов и напряжений (рис. 1.10).

Рис. 1.10. ВАХ стабилитрона. Реверсивной стрелкой показан рабочий участок ВАХ.

Наконец отметим полупроводниковый диод, обладающий подобно тетроду ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) (рис.1.11), называемый туннельным. Его работа основана на квантовом туннельном эффекте, при котором вследствие малой толщины p-n перехода, что обеспечивается большой концентрацией примесей, возможно прохождение носителей заряда с энергией меньшей потенциального барьера перехода. Но с увеличением прямого напряжения барьер снижается, туннельный эффект пропадает, ток сначала уменьшается, а затем растет как в обычном диоде. Главное преимущество туннельного диода по сравнению с электронными лампами состоит в их быстродействии, так как туннельный (квантовомеханический) перенос электронов происходит со скоростью, близкой к скорости света.

Рис.1.11. ВАХ туннельного диода.

1.2.2. Биполярные транзисторы.

a) Транзистор p-n-p

b) Транзистор n-p-n

Рис. 1.12. Биполярный транзистор.

Биполярный транзистор – это трехэлектродный полупроводниковый прибор с двумя p–n переходами, обладающими управляющими свойствами (рис.1.12).

Рис.1.13. Схема включения n-p-n траранзистора.

Рассмотрим схему на основе биполярного транзистора n-p-n типа (рис. 1.13). На левом p-n переходе между крайней левой областью (эммитер) и средней областью (база) создается прямое смещение, на правом p-n переходе между базой и крайней правой областью (коллектор) – обратное. Левый эмиттерный переход имеет малый потенциальный барьер для электронов как основных носителей эмиттера, что дает им возможность проникнуть беспрепятственно в базу. В свою очередь электроны в базе могут либо рекомбинировать с дырками, что создаст определенный базовый ток iБ, либо диффузионно (поле в базе практически равно нулю) пройти правый коллекторный переход, который для них также будет незапирающим, и захватиться полем коллектора. Второй электронный процесс сформирует коллекторный ток iК, который будет во много раз больше базового, так как благодаря малости размеров и степени легирования базы большая часть электронов пройдет именно в коллектор. Рассматривая область базы как узел для эмиттерного, базового и коллекторного электродов, на основании второго закона Кирхгофа можно записать:

iЭ = iК + iБ (1.7).

Рис.1.14 ВАХ биполярного транзистора. Выходная характеристика.

Все вышесказанное поясняет ВАХ биполярного транзистора (рис. 1.14 и 1.15). С ростом тока базы увеличивается коллекторный ток практически линейно (рис.1.14): iК = biБ, и слабо зависит от напряжения коллектор-эмиттер uкэ. b - коэффициент передачи тока базы, может достигать значений ~ 103-104 для реальных транзисторов. Это так называемый режим усиления транзистора (участок II ВАХ, рис.1.14). Когда напряжение uкэ мало (начальный участок I ВАХ, рис.1.14), наблюдается резкое падение коллекторного тока с уменьшением uкэ и он слабо зависит от тока базы. Говорят, что транзистор при этом находится в режиме насыщения, который характеризуется тем, что оба перехода, как эмиттерный, так и коллекторный смещены в прямом направлении, и для электронов прошедших в базу из эмиттера коллекторный переход является в этом случае уже запирающим. В связи с этим в базе происходит накопление носителей и их интенсивная рекомбинация, и ток базы может оказаться сравнимым с током эмиттера.

ВАХ транзистора (рис.1.15) определяющая зависимость тока коллектора от напряжения база-эмиттер, как правило, имеет крутой подъем коллекторного тока, начиная с определенного напряжения UБЭпор, называемого пороговым. Для подобного вида нелинейной ВАХ хорошо подходит кусочно-линейная аппроксимация с UH = UБЭ пор.

Рис.1.15 ВАХ биполярного транзистора. Проходная характеристика.

Отметим, что при анализе транзистора в мы не учитывали еще обратные токи переходов (обратные токи коллектора и эмиттера), обусловленные токами неосновных носителей, связанными с процессами тепловой генерации, а также токами утечки по поверхности полупроводника. В некоторых случаях они могут существенно влиять на работу транзистора, например, при стабилизации работы усилителя (см. 5.3.2). В этом плане особенно важен обратный ток коллектора iKБО, который в схеме (рис. 1.13) определяется как ток коллектора при токе эмиттера равной нулю, т. е. когда цепь эмиттер-база разомкнута. Он представляет собой суммарную не управляемую со стороны эмиттера составляющую тока коллектора. Таким образом, общий ток коллектора равен сумме двух составляющих:

(1.8),

где a =b/(1+b) - коэффициент передачи тока эмиттера, как правило, лишь немного меньше единицы.

1.2.3.Тиристоры.

Элементы с падающим участком вольтамперной характеристики (т. е. с ОДС) аналогичных ламповому тетроду можно создать и на основе полупроводниковых материалов с p-n переходами. Такие приборы, называемые тиристорами, чаще всего выпол­няют функции электронного ключа и имеют два состояния: запертое, характеризующееся высоким сопротивлением, и отпертое, характеризующееся минимальным сопротив­лением. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Первые из них называют динисторами, вторые – тринисторами.

Оба класса тиристоров представляют собой приборы с четырехслойными p-n-p-n структурами (см. рис. 1.16). Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешней p-областью – анодом. Для тринисторов дополнительный управляющий электрод подключен либо к средней n-области, либо к средней p-области в зависимости от того, база какого условного транзистора сделана управляющей. Соответственно различают тринисторы с анодным и катодным управлением (рис.1.16 б и c).

Рис. 1.16. Тиристоры: (а) динистор, (b) тринистор с анодным управлением, (с) тринистор с катодным управлением, d) обозначение тиристора.

Рассмотрим кратко работу динистора.

С учетом знаков приложенного напряжения (рис.1.17) эмиттерные переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении, а все напряжение падает на среднем переходе 2, смещенным в обратном направлении, который назовем коллекторным.

Рис.1.17. Схема динистора с последовательным включением p1-n1-p2 и n1-p2-n2 транзисторов.

Через переход 1 первого p1-n1-p2 транзистора дырки инжектируются из p1-области n1-область, играющий роль базы. Пройдя базу и коллекторный переход 2, дырки появляются в p2-области, который является одновременно коллектором первого и базой второго (уже n1-p2-n2) транзистора. Этот ток определяется из выражения (1.8):

Ip= IpKБО + α1IЭ (1.9),

где IpKБО – обратный дырочный ток коллекторного перехода 2, α1 – коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора.

Дырки в p2-базе второго транзистора создают некомпенсированный положительный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n2 в область p2, являющуюся базой для второго транзистора и коллектором для первого. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n1 второго транзистора, служащий одновременно базой первого транзистора (p1-n1-p2).